SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头

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。

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：

我们想设计一个半视场角为92.4度的镜头，F / 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。

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：

镜头文件：

    RLE

    ID WIDE-ANGLE DESEARCH

    WAVL .6562700 .5875600 .4861300

     APS               5

     UNITS MM

     OBD  1.00000E+09   92.4 0.2887  -11.0345861 0 0 0.2887

       0 AIR

    0    CV  1.0000000000000E-09 AIR

    1    CV      0.0356159993000   TH      2.50000000

    1    GLM      1.50000000             55.00000000

    2    CV      0.1318873610000   TH      2.99808431 AIR

    3    CV      0.1145140002814   TH      1.00000000

    3    GLM      1.50000000             55.00000000

    4    CV      0.4600712360000   TH      4.00383115 AIR    

    5 CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR

    END

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

    CORE 16

    DSEARCH 2 QUIET

    USE CURRENT 5 ALL

    GOALS

    ELEMENTS 5

    FNUM 2 1

    BACK 10 SET

    STOP MIDDLE

    STOP FREE

    ASPH Q

    ASPHERIC 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

    FOV .2 .4 .6 .8 1

    DELAY OFF

    NGRID 6

    SNAP 10

    PLASTIC 5 7 9 11 13

    !QUICK 30 40

    ANNEAL 50 10 Q

    NPASS 50

    END

    SPECIAL AANT

    ACC 10 1 1

    ACA 70 1 10

    LUL 90 .1 1 A TOTL

    END

    GO

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。

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。

请注意，在这种情况下我们不使用QUICK选项。

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线上添加权重，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。

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：

DSEARCH 发现了10种最佳设计，其中大多数非常好。

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。

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你能期望什么？我们必须控制它

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

APS -9CSTOPWAP 2

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。

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。

是真正塑胶材料的镜头取代了最后五个透镜的玻璃材料。

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

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。

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）

所有真实材料的镜头。

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，可以看到，在整个视场上几乎是完美的。

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。

RLEID WIDE-ANGLE DESEARCH                       4ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12                            FNAME 'DSEARCH004.RLE                                    ' MERIT   0.617523E-03 LOG        4 WAVL .6562700 .5875600 .4861300 APS              -9 CSTOP WAP                2 UNITS MM   OBD  1.00000E+09   92.4 0.2887  -17.3394812 0 0 0.2887                                                                      0 AIR   0 CV  1.0000000000000E-09 AIR   1 CV      0.0360722609606   TH      2.22538987   1 GLM      1.582541321             69.489424800   2 CV      0.1129035344111   TH      7.33905916 AIR   3 CV      0.0258877283000   TH      1.00000000   3 GLM      1.862101561             32.759137271   4 CV      0.1907815401493   TH      4.62505325 AIR   5 RAD    -22.0769352833601   TH      8.06760017   5 CC     15.35107422   5 N1 1.57747609 N2 1.58304761 N3 1.59677576   5 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01   5 CTE   0.650000E-05   5 GTB U    'AD-5503         '   5 DC1  0.000000000E+00 -1.278372376E-03 -2.704225148E-05  0.000000000E+00  0.000000000E+00   5 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   5 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   5 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00   5 PLASTIC   6 RAD     -6.3843807900976   TH      1.00000000 AIR   6 CC     -1.63833609   6 DC1  0.000000000E+00  1.393260648E-04 -8.694519770E-06  0.000000000E+00  0.000000000E+00   6 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   6 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   6 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00   7 RAD     -7.9324248616851   TH     10.01456860   7 CC     -3.18613168   7 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386   7 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01   7 CTE   0.600000E-04   7 GTB U    'ZEON480R        '   7 DC1  0.000000000E+00  9.236235094E-04 -1.504353071E-05  0.000000000E+00  0.000000000E+00   7 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   7 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   7 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00   7 PLASTIC   8 RAD    -19.0181938596098   TH     16.68648421 AIR   8 CC     -0.98132904   8 DC1  0.000000000E+00  7.229015854E-06 -3.530119818E-07  0.000000000E+00  0.000000000E+00   8 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   8 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   8 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00   9 CAO      1.68737382       0.00000000       0.00000000   9 RAD      4.2463061617809   TH      1.50735195   9 CC     -5.54999790   9 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386   9 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01   9 CTE   0.600000E-04   9 GTB U    'ZEON480R        '   9 DC1  0.000000000E+00  4.513134509E-03 -1.189291744E-03  0.000000000E+00  0.000000000E+00   9 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   9 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   9 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00   9 PLASTIC   10 RAD     -8.0304051087170   TH      1.00000000 AIR   10 CC      0.92206943   10 DC1  0.000000000E+00 -4.950375968E-03  1.189788976E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00 10 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   10 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   10 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00   11 RAD     -3.7613156285095   TH      1.00000000   11 CC     -0.42284721   11 N1 1.60143115 N2 1.60793545 N3 1.62454862   11 CTE   0.720000E-04   11 GTB U    'OKP4            '   11 DC1  0.000000000E+00  1.180068221E-02  5.892483716E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00   11 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 11 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   11 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00   11 PLASTIC   12 RAD      5.2837613214415   TH      1.00000000 AIR   12 CC    -21.87743665   12 DC1  0.000000000E+00  7.571999432E-03  2.001801857E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00   12 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   12 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   12 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00   13 RAD      2.2918318217542   TH      5.99479908   13 CC     -2.93101390   13 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386   13 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01   13 CTE   0.600000E-04   13 GTB U    'ZEON480R        '   13 DC1  0.000000000E+00  4.465123244E-03 -4.565059943E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00 13 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 13 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   13 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00   13 PLASTIC   14 RAD     -9.3294652456923   TH      1.00000000 AIR   14 CC     16.95417460   14 DC1  0.000000000E+00 -8.733089016E-03  1.818419746E-03  0.000000000E+00  0.000000000E+00   14 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   14 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00   14 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00   15 CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR END

另一种广角镜头：

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管理的值，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。

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

本例中，搜索统计显示，待分析的128例中，共有59例由于 ray 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。

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。

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。

除了 DSEARCH 返回的最佳镜头之外，您还可以尝试其他方案。