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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：

    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10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

    APS -10

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 -10 来在表面10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，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。

图5.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）

图6所示.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“Show visual appearance ”，然后单击“Execute”。结果，在图8中，在整个视场上几乎是完美的。

图8.视场上的衍射PSF。

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。

    ID WIDE-ANGLE DESEARCH 549
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001111 15
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300
    APS -10
    UNITS MM
    OBD 1.00000E+09 92.40000153 0.2887 -15.8713919 0 0 0.2887
    0 AIR
    0 CV 1.0000000000000E-09 AIR
    1 CV 0.0260937958778 TH 1.00000000
    1 N1 1.81072491 N2 1.81597447 N3 1.82822278
    1 CTE 0.630000E-05
    1 GTB O 'S-LAH59 '
    2 CV 0.1062185691313 TH 8.73634084 AIR
    3 CV -0.0381411162195 TH 5.91174196
    3 N1 1.82896003 N2 1.83478459 N3 1.84849295
    3 CTE 0.620000E-05
    3 GTB O 'S-LAH55V '
    4 CV 0.0660034452801 TH 16.85831989 AIR
    5 RAD -138.0968858112222 TH 4.37718093
    5 CC 100.00000000
    7
    5 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994
    5 CTE 0.630000E-04
    5 GTB U 'OKP4RX50 '
    5 DC1 0.00000000E+00 7.30200857E-05 1.48416975E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00
    5 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    5 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    5 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    5 PLASTIC
    6 RAD -21.0605738757054 TH 44.03095789 AIR
    6 CC -4.75816695
    6 DC1 0.00000000E+00-6.94211792E-06 3.43604999E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00
    6 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    6 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    6 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    7 RAD -111.0507956868741 TH 1.67384895
    7 CC -100.00000000
    7 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994
    7 CTE 0.630000E-04
    7 GTB U 'OKP4RX50 '
    7 DC1 0.00000000E+00-1.94604199E-03 5.49833735E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00
    7 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    7 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    7 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    7 PLASTIC
    8 RAD 6.7304260208507 TH 1.00000000 AIR
    8 CC -0.58536337
    8 DC1 0.00000000E+00-2.59873419E-03 9.92318034E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00
    8 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    8 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    8 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    9 RAD 9.7697110081571 TH 1.75562117
    9 CC -3.39966178
    9 N1 1.50724931 N2 1.50995136 N3 1.51625020
    9 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01
    9 CTE 0.900000E-04
    9 GTB U 'ZEON330R '
    9 DC1 0.00000000E+00-9.94688980E-04 1.07499451E-04 0.00000000E+00 0.00000000E+00
    9 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    9 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    9 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    9 PLASTIC
    10 RAD -8.8072667951121 TH 1.00000000 AIR
    10 CC -4.25736209
    10 DC1 0.00000000E+00 5.98624949E-04 5.28052568E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00
    10 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    10 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    10 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    11 RAD 23.2403610905735 TH 1.72858896
    11 CC 1.69037601
    11 N1 1.50724931 N2 1.50995136 N3 1.51625020
    11 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01
    11 CTE 0.900000E-04
    11 GTB U 'ZEON330R '
    11 DC1 0.00000000E+00 2.10417649E-03-3.35758216E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00
    11 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    11 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    11 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    11 PLASTIC
    12 RAD -11.1049150737322 TH 1.00000000 AIR
    12 CC -0.19799751
    12 DC1 0.00000000E+00-2.14632707E-04 1.93285361E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00
    12 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    12 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    12 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    13 RAD -10.1118316301289 TH 1.00000000
    13 CC -0.64163783
    13 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994
    8
    13 CTE 0.630000E-04
    13 GTB U 'OKP4RX50 '
    13 DC1 0.00000000E+00-1.84686149E-03 6.79336881E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00
    13 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    13 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    13 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    13 PLASTIC
    14 RAD -9.0418834379157 TH 10.00000000 AIR
    14 CC -0.05459002
    14 DC1 0.00000000E+00-9.65748548E-04 5.96199181E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00
    14 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    14 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    14 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
    15 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR
    END

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。