SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头
如何使用 DSEARCH 设计广角镜头。 如果在 DSEARCH 文件的 SYSTEM 部分中输入广角的规格，则很可能没有任何可以实现的初始结构，原因很简单，光线无法通过。DSEARCH可以纠正某些光线故障，但通常无法优化此类系统。 Ot\[Ya ''
C^4,L
\E
在这种情况下，有一个相当简单的方法可以很好地实现：首先画出一个前端，将光束转换成一个角度较小的光束，然后从那里开始，用 USE CURRENT 声明该部分。下面是一个例子： yUo8-O aL7
5rck]L'
我们想设计一个半视场角为92.4度的镜头，F 数为2.0。我们将使用塑胶制作非球面透镜。首先，我们必须创建一个可追迹的前端。 a5 ZXrWv
我们从一个含两个镜片组的简单系统开始，并指定用于广角的物体类型 OBD，并在表面5上声明一个近轴光阑。我们从一个中等角度开始，比如50度，然后，使用 WorkSheet™ 滑块，给元件一些负的光焦度，并将它们向右弯曲。当看起来效果很好时，增加 OBD 视场角，以这种方式继续，直到我们达到所需的92.4度角。 这是前端部分： |J:r]);@K
Q[NoFZ
V!
[attachment=120125] 579D
_,(s
IaSPwsvt'
镜头文件： \C>IVz<O
RLE >5kz#|@P
ID WIDE-ANGLE DESEARCH J Hm Pa
WAVL .6562700 .5875600 .4861300 hLZf A rq}
APS 5 XtZd%
#2},
UNITS MM tR<#CCtRp'
OBD 1.00000E+09 92.4 0.2887 -11.0345861 0 0 0.2887 /LWk>[Z;
)6p6<y
0 AIR ,T
zlW\?\
0 CV 1.0000000000000E-09 AIR 965 x _
%
1 CV 0.0356159993000 TH 2.50000000 rBQ< 5.
1 GLM 1.50000000 55.00000000 Myg;2 .
2 CV 0.1318873610000 TH 2.99808431 AIR VvP: }yJ
3 CV 0.1145140002814 TH 1.00000000 +l)t5Mg\
3 GLM 1.50000000 55.00000000 nZ'jj S[ !
4 CV 0.4600712360000 TH 4.00383115 AIR 4<UAT|L^`
5 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR /"A= Yf
END &)tv4L&
wt9f2
光束以92.4度进入并以合理的角度出射。现在创建 DSEARCH 输入 MACro。 iOv>g-t :
hV,T889'
CORE 16 Q bHX.:C
DSEARCH 2 QUIET 9"S iHp\)
USE CURRENT 5 ALL ;g #nGs>
7z3tDE[#
GOALS \l3z <\
ELEMENTS 5 L58H)V3Pn
FNUM 2 1 19O
BACK 10 SET ;J+iwS*Z
STOP MIDDLE ;Q vQ fV4
STOP FREE kzC J s
ASPH Q ( m! kg
ASPHERIC 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 PPG+~.7
FOV .2 .4 .6 .8 1 fATVAv
DELAY OFF ~QUNR?h
NGRID 6
2<8l&2}7]
SNAP 10 x 4LPrF1
PLASTIC 5 7 9 11 13 Io
IhQ
!QUICK 30 40 _0^>^he
ANNEAL 50 10 Q $u , 6x~>
NPASS 50 ,']CqhL6=R
END &J9 + 5L8
SPECIAL AANT _(:$
:*@
ACC 10 1 1 FhBV.,bU,m
ACA 70 1 10 5"b1 :
w@
LUL 90 .1 1 A TOTL zXlerQWUv
END A+H8\ew2,
GO e#}Fm;|d
JURu>-i
rrgOp5aV"
&CXk=Wj
在此案例中，我们使用SET指令指定10 mm的后焦距。DSEARCH 允许您以三种方式控制该距离：如果您只是给出一个距离，例如 BACK 10，程序会在末尾添加 YMT 求解并在 AANT 文件中包含一个目标来控制值。 如果添加权重因子（例如BACK 10 100），则将该权重应用于目标。 第三种方法是请求精确值，在这种情况下使用BACK 10 SET。 现在，程序将简单地将后焦距设置为输入值，在这种情况下为10，并且不会添加 YMT 求解。 对于较复杂的设计，这通常是一个很好的选择，特别是当其他选项返回带有虚像的系统时。 8#,_%<?UVy
[P~7kNFOh
要求最大元件厚度为10毫米，总长度小于90毫米，以保持合理。 此外，我们将光线入射到透镜表面的夹角限制在70度内。 否则，对于像这样的大角度，可以在全视场获得掠入射光线，由于膜层问题，这是不切实际的。 FY )]yz
gWj r|m<
请注意，在这种情况下我们不使用 QUICK 选项。 x _-V{
k
Fo ;J3<U)
最后一点：我们在上面的输入中给出了 FNUM 请求的权重。如果我们不这样做，程序将通过 UMC 求解来控制 F /number，并且得到的曲率可能非常大以至于没有光线通过。同样，对于这样复杂的设计，我们必须引导一些事情。通过在 FNUM 上添加权重，程序将最后一个面的曲率视为变量，并控制 AANT 文件中的 F /number，而不是曲率求解。 BaP'y8dVN
G JS(
好的，我们的输入已准备就绪，因此我们运行此 DSEARCH 文件。大约两分钟后我们看到了结果： {!? M!/d
as/PM"
[attachment=120126] m&q0 _nay
hD?6RVfG
{=J:
DSEARCH 发现了10种最佳设计，其中大多数非常好。 16@<G
6pC1 C.
现在需要进一步改进设计。运行 DSEARCH 产生的优化 MACro，镜头的性能变化很小。 pih 0ME}z
eYkg4 O'
现在必须检查视场的像质。 在 PAD 中，单击PAD工具栏中的“扫描”按钮，然后观察到靠近曲面9的光阑在所有视场中都没有很好地填充。在这个广泛的区域和近轴光瞳的系统中，我们必须控制它。 2$t%2>1>@
Hc|cA(9sh9
由于我们改变了 YP0 的数量，目前镜头只有一个不明显的光瞳。这使我们接近光阑真正的结果，但是现在我们必须把它放在那里。在 WS 编辑窗格中，我们输入 /D|q-`*K
APS -9 T <k;^iqR
CSTOP 5f0g7w =-
WAP 2 tV pXA'"!x
来在表面9上放置一个真正的光阑。然后我们从 PANT 文件中删除变量 VY 0 YP1，修改 DESEARCH_OPT 中厚度变量声明为 VLIST TH ALL,优化并模拟退火。 hHDLrr
};P=|t(r
[attachment=120127] W)o*$c u
PX23M|$!
p0CPeH
让我们将玻璃模型替换成真实的材料。打开 MRG 对话框，选择U目录（仅匹配塑胶材料），QUIET，SORT，然后单击 OK。镜头材料现在是真正的塑胶材料。 Q*'OY~
w<]-~`K
[attachment=120128] SS _6VE*sI
*""W`x
将继续优化镜头，不希望的塑料材料被更换成其它的玻璃材料，因此我们从 PANT 文件中删除所有 VY sn GLM 行并用 VLIST GLM ALL 替换它们。 <|G!Qn?2-
H SU?4=Q
这只会改变第一和第二个镜片的当前玻璃模型的材料，再次优化和模拟退火。 *$;Zk!sEF
} C/+zF6q
再次运行 MRG，这次选择 Ohara 目录。该程序现在匹配前两个元件，即玻璃，而不是塑胶。设计与以前一样好，如图6所示。（L41L1） `Z{s,!z
\3K7)o^
[attachment=120129] ",Mrdxn7
[attachment=120130] Ets6tM`
6;!)^b
-U9C{q?h
让我们来看看视场上的衍射图像。转到MPF对话框，选择“视觉外观”，放大设置为5，然后单击“执行”。结果，在图8中，在整个视场上几乎是完美的。 .rwW5"RPq
}1Mf0S
[attachment=120131] glROT @
[attachment=120132] }[@Q**j(
|tLD^ `bt
nsV=
对于那些可能想要进一步评估此镜头的人，RLE 文件如下。您可以复制这些命令行并将其粘贴到 EE 编辑器中。 rADzJ#CU \
RLE DC BN89#
ID WIDE-ANGLE DESEARCH 4 LIz'hfS!
ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100 12 IBu \Sh -
FNAME 'DSEARCH004.RLE ' C v*K.T
MERIT 0.617523E-03 HKO]_; :(
LOG 4 SH8zkAA7u}
WAVL .6562700 .5875600 .4861300 X+,0;% p
APS -9 &?xmu204
CSTOP o#z$LT1dY
WAP 2 L=HnVgBs
UNITS MM q*a~9.i @
OBD 1.00000E+09 92.4 0.2887 -17.3394812 0 0 0.2887 g$hEVT
rb'mFqg*u
0 AIR SlT>S1`rnG
0 CV 1.0000000000000E-09 AIR w?N>3`Jnf
1 CV 0.0360722609606 TH 2.22538987 C#)T$wl[E
1 GLM 1.582541321 69.489424800 + IjBeQ?
2 CV 0.1129035344111 TH 7.33905916 AIR P-8QXDdr
3 CV 0.0258877283000 TH 1.00000000 vMJ(L l7/
3 GLM 1.862101561 32.759137271 !yq 98I'
4 CV 0.1907815401493 TH 4.62505325 AIR jk\V2x@DR
5 RAD -22.0769352833601 TH 8.06760017 O2 + K
5 CC 15.35107422 T
7qHw!)
5 N1 1.57747609 N2 1.58304761 N3 1.59677576 2:nI4S
5 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 {7% HK2='
5 CTE 0.650000E-05 z>
D Q
5 GTB U 'AD-5503 ' R1% J6w Zq
5 DC1 0.000000000E+00 -1.278372376E-03 -2.704225148E-05 0.000000000E+00 0.000000000E+00 7(^F@, ,@
5 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 = i Dd{$
5 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 yA_ly <
5 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 TGPZUyi3!=
5 PLASTIC '<1Cta`
6 RAD -6.3843807900976 TH 1.00000000 AIR T:|p[Xbo
6 CC -1.63833609 tw\1 &*:
6 DC1 0.000000000E+00 1.393260648E-04 -8.694519770E-06 0.000000000E+00 0.000000000E+00 R>;&4Sjr
6 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 oEFo7X`t
6 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 E_Y!in
70
6 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 a +a6P5kJ
7 RAD -7.9324248616851 TH 10.01456860 y>gw@+
7 CC -3.18613168 l]&x~ K}
7 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 ,]]IJ;:w
7 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 &1 `Y&x:p
7 CTE 0.600000E-04 bs16G3- p
7 GTB U 'ZEON480R ' h5-yhG
7 DC1 0.000000000E+00 9.236235094E-04 -1.504353071E-05 0.000000000E+00 0.000000000E+00 fZ;}_wR-H
7 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 m@w469&<(q
7 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 cN&:V2,
7 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 ZBN,%P!P0
7 PLASTIC ?<8c
8 RAD -19.0181938596098 TH 16.68648421 AIR ('\sUZ+5
8 CC -0.98132904 /<(-lb q,
8 DC1 0.000000000E+00 7.229015854E-06 -3.530119818E-07 0.000000000E+00 0.000000000E+00 du#f_|xG
8 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 VhAJ1[k4!
8 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 owVks-/
8 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 n XI8 `7D
9 CAO 1.68737382 0.00000000 0.00000000 ue' dI
9 RAD 4.2463061617809 TH 1.50735195 KH=3HN}
9 CC -5.54999790 ;v X1U8
9 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 Tm7LaM
9 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 gNA!)}m\
9 CTE 0.600000E-04
gwXmoM5
9 GTB U 'ZEON480R ' *">CEQ[MT
9 DC1 0.000000000E+00 4.513134509E-03 -1.189291744E-03 0.000000000E+00 0.000000000E+00 3Lq9pdM>2@
9 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 u7Ix7`V
9 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 `Lavjmfr2V
9 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 >+Iph2]
9 PLASTIC k%kEW%I yG
10 RAD -8.0304051087170 TH 1.00000000 AIR ]+B.=mO_
10 CC 0.92206943 M7 k WJ
10 DC1 0.000000000E+00 -4.950375968E-03 1.189788976E-04 0.000000000E+00 0.000000000E+00 6 v~nEw
10 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 *rHz/& ,
10 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 6iF&!Fd>J
10 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 _G'A]O/BZD
11 RAD -3.7613156285095 TH 1.00000000 X7`-dSVE
11 CC -0.42284721 u GqeT#dP
11 N1 1.60143115 N2 1.60793545 N3 1.62454862 T{"Ur :p
11 CTE 0.720000E-04
&1&OXm$
11 GTB U 'OKP4 ' $N;J )
11 DC1 0.000000000E+00 1.180068221E-02 5.892483716E-04 0.000000000E+00 0.000000000E+00 y;<suGl
11 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 s8P3H|0.-
11 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ,R3TFVV!?
11 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 2 k^rZ^^"
11 PLASTIC )|k#cT{=M
12 RAD 5.2837613214415 TH 1.00000000 AIR
_<Ij)#Rq7
12 CC -21.87743665 w%\{4T~
12 DC1 0.000000000E+00 7.571999432E-03 2.001801857E-04 0.000000000E+00 0.000000000E+00 ;BT7pyu%[
12 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 T]zD+/=
12 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 {x_cgsn
12 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 BT_XqO
13 RAD 2.2918318217542 TH 5.99479908 \@N~{7 2:k
13 CC -2.93101390 v> Kh5H5e~
13 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 ~1twG G_;
13 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 pL`Q+}c}
13 CTE 0.600000E-04 '<uM\v^k
13 GTB U 'ZEON480R ' bj6Yz,g F
13 DC1 0.000000000E+00 4.465123244E-03 -4.565059943E-04 0.000000000E+00 0.000000000E+00 '-[hy>t
13 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 |O oczYf
13 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 DLqH * U
13 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 /4c`[
13 PLASTIC bR~ (Ry`
14 RAD -9.3294652456923 TH 1.00000000 AIR j2u'5kJ
G
14 CC 16.95417460 u~ Po5W/i
14 DC1 0.000000000E+00 -8.733089016E-03 1.818419746E-03 0.000000000E+00 0.000000000E+00 [6JDS;MIN
14 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 Qzo -Yw`=
14 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 eB1NM<V
14 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 ?E|=eO"I1
15 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR 8AY;WL:;
END fR'! p: ~
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另一种广角镜头： [MwL=9;!H
在本章的第一部分中，我们观察到，超过90度的输入角需要一个定制的前端，其目的是将主射线的角度减小到一个更易于控制的值，以便光线能够通过。但如果这个领域的角度小于90度，工作就简单多了。 D6&P9e_5
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点击打开 C45M2，我们使用 DSEARCH 本身，没有添加前端，并指定广角校正参数(WAC)为50度，此镜头的最大视场角为86度而不是92.4度 fDplYn#
[attachment=120133] +_cigxpTc
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本例中，搜索统计显示，待分析的128例中，共有59例由于光线追迹失败而跳过。如果在不带WAC参数的情况下运行这个宏，程序将跳过128种情况中的125种。不要跳过用例总是一个好主意，因为有希望的配置可能会被错过。当你用 DSEARCH 搜索最佳镜头设计时，WAC参数是你可以尝试的另一个参数。 R%\3[
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镜头仍然需要额外的工作，正如之前所做的，但重点是，有了这个稍微减少的视场角，工作更简单，不需要像我们上面做的那样对前端元素进行初步的计算。 Zy;jp*Q
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在本练习中我们没有使用曲率或厚度求解，因为超广角镜头的常见问题是试图避免光线追迹失败。虽然使用解在数学上具有完美的意义，但它们可能会导致这种镜头出现问题。 此外，在设计基本完成之前，我们没有使用真正的光瞳。 真实光瞳搜索功能是强大的但不可靠，并且利用这种大角度光线和非球面系数，很容易没有解。所有这些都可以通过使用无瞳设计来避免，直到设计形状良好后再确定光瞳。 .S#i/A'x
9< 07# 8c.
除了 DSEARCH 返回的最佳镜头之外，您还可以尝试其他方案。
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