SYNOPSYS 光学设计软件课程三十七：自动查找和更改镜头结构

墨光科技 2023年9月6日浏览：1134

课程三十七：自动查找和更改镜头结构

在本课程中，我们将展示一个具有挑战性的问题，然后利用这些工具，在短时间内，找到优秀的设计。我们将使用 DSEARCH 来获取初始结构，然后使用其他功能来修改镜头结构，提高其性能。

（在本课中，我们将使用模拟退火功能进行搜索和优化，因为它通常会返回最佳结果。但是，由于流程的随机性，该功能并不总是返回相同的结果，因此如果运行这个练习本身，结果可能会有所不同。但整体质量大致相同。）

根据下面要求设计一个广角目镜。

视场角：90 度。
出瞳距:15 毫米或以上
望远镜目标的 F 数: F/8。
可见光谱: C、d、F 夫琅和费谱线。
0.58756 微米的光程差校正在 d 光的 ¼ 波长内或更好
C(0.6563微米)和 F(0.4876 um) 光程差校正在½波长内或更好用
眼点处的光瞳像差不大于 1/2 mm。
一个内部视场光阑，其中子午像差必须不大于在局部F /number光束中艾里斑的两倍。
到望远镜物镜的距离 2000 mm。
目镜必须不超过 10 个元件。目镜总长度不超过200毫米。

在这里我们将使用计算机来完成它的工作，设计师协助指导。

我们从零开始，使用 DSEARCH 让计算机自行设计一个初始结构。这个程序的输入如下所示。读者可参阅 SYNOPSYS 用户手册以了解有关格式的描述。

LOG

TIME

CORE 14

DSEARCH 5 QUIET

SYSTEM

ID EYEPIECE EXAMPLE

OBD 1.0E9 45 1.27

UNI MM

WAVL CDF

WAP 1

END


GOALS

ELEMENTS 9

TOTL 200 .01

BACK 0 0

FNUM 8.0 10

ASTART 10

THSTART 10

RSTART 400

RT 0.0

NPASS 80

DELAY OFF

ANNEAL 100 25 Q

SNAP 10

TOPD

STOP FIRST             

STOP FREE

QUICK 50 100

FOV 0 .3 .6 .75 .9 1.     ! 校正6个视场点

FWT 3 1 1 1 1 1

END


SPECIAL AANT

ACA 50 1 1

ADT 10 .1 1

M 15 1 A P YA 1 0 0 0 1    ! 控制眼距

M -.008 4 A P HH 1         ! 将光瞄准物的右侧

M -.004 4 A P HH .5        ! 控制光瞳像差

M -.0064 4 A P HH .8

M 0 1 A P YA 1            

S GIHT

END

GO

TIME

运行此命令，当搜索完成时，程序将显示它找到的 10 个最佳配置的结构。在 DSEARCH 上对该镜头进行优化 MACro 并模拟退火后，镜头非常好，如下图所示。

DSEARCH 返回的最佳设计，优化和退火

该图显示了波前差，均小于 1/4 波长。到现在为止还挺好。但是，还必须观察并纠正这些广角目镜中的光瞳像差。如果这些像差太大，当用户扫描视场时，视场的一部分会变黑。我们必须进行检查。

准备一个新的 MACro 如下:

STO 9
CHG
NOP
18        TH 2000
19        YMT
20
END
STEPS = 100
PLOT YA ON 19 FOR HBAR =0 TO 1 GET 9

并运行它。这将进行下列工作:

1.去除表面18的YMT求解 (通过NOP，去除所有的求解)。

2.将表面19放置在距离为2000毫米的位置。这将模拟在该距离处的望远镜物镜。

3.将YMT求解分配到表面19，然后聚焦于表面20。

4.声明表面20。

5.绘制一幅在表面19上的主光线截距图。如果光线都落在表面19的中心附近，像差就会得到控制。

运行此 MACro，您会看到物体处的光瞳像差，如下所示。F / 8，在 2000mm 的距离处，物镜的直径将为 250mm。因此，6 毫米的主光线误差仅为物镜尺寸的 2.4％左右，我们允许在 2.54 毫米的入瞳上存在约1/2毫米像差，或约 20％的像差，因此我们判断这种修正程度令人满意。然而，这并不是没有代价的; SPECIAL AANT 部分的 HH 目标对任何表现出大的光瞳像差的解进行了控制。您可以随意调整这些目标的权重，根据您的喜好平衡所有误差。
在命令窗口中输入 PLOT YA ON 19 FOR HBAR = 0 TO 1

为目镜计算的物镜上的光瞳像差

目镜已经处于衍射极限，但尚未完成，因为我们没有控制在视场光阑处的图像质量。

我们必须控制它 - 但是镜头还没有视场光阑。在 WorkSheet 中，单击“添加表面”按钮，如下所示

然后单击曲面 3 和 4 之间的轴。如图所示，添加表面

带有附加表面的镜头

现在在 WS 编辑窗格中输入 5 FLAG

并点击更新。现在您可以在 AANT 文件中使用该名称引用该表面。编辑 DSEARCH 为您生成的 MACro。

PANT
VY 0 YP1
VLIST RD ALL
VLIST TH ALL
VLIST GLM ALL
END
AANT P
AEC 3 1 1 
ACM 3 1 1
ACC
GTR 0 2 4 P 1 0 FLAG 
GTR 0 2 4 1 1 0 FLAG 
GTR 0 2 4 3 1 0 FLAG 
M 0 10 A 1 YA 1 0 0 0 FLAG 
S 3 YA 1 0 0 0 FLAG
M   0.125000E+00  0.100000E+02 A CONST 1.0 / DIV FNUM
GSR     0.000000     3.000000      4  M     0.000000
GNR     0.000000     1.000000      4  M     0.300000
GNR     0.000000     1.000000      4  M     0.600000
GNR     0.000000     1.000000      4  M     0.750000
GNR     0.000000     1.000000      4  M     0.900000
GNR     0.000000     1.000000      4  M     1.000000
GSO     0.000000     0.281753      4  M     0.000000
GNO     0.000000     0.093918      4  M     0.300000
GNO     0.000000     0.093918      4  M     0.600000
GNO     0.000000     0.093918      4  M     0.750000
GNO     0.000000     0.093918      4  M     0.900000
GNO     0.000000     0.093918      4  M     1.000000
M   0.200000E+03  0.100000E-01 A TOTLACA 50 1 1
M 15 1 A P YA 1 0 0 0 1        ! 控制眼距
M -.01 5 A P HH 1              
M -.005 5 A P HH .5            ! 控制光瞳像差
M -.008 5 A P HH .8
M 0 1 A P YA 1                 ! 控制畸变
S GIHT
END
SNAP/DAMP 1
SYNOPSYS   80

SYNOPSYS 光学设计软件课程三十七：自动查找和更改镜头结构的图5

镜头在增加一个透镜之前，优化视场光阑

是时候运行自动元件插入功能了。在 PANT 命令之前，添加如下命令行

AEI 6 1 123 0 0 1 0 0

再次运行 MACro。该程序在前端附近添加了一个火石玻璃元件，像更好了。注释掉 AEI 命令行，再次优化，然后模拟退火。评价函数降低了。

镜头通过添加新镜片后重新优化

你还必须注意像这样的广角设计中的中间视场点。运行 PAD 扫描，您会看到校正的像差仍然低于 1/4 波长。

创建一个检查点并输入 MRG 以打开 Real Glass 菜单。选择 Ohara 目录，玻璃库 6，安静，SORT，然后单击 OK。

SYNOPSYS 光学设计软件课程三十七：自动查找和更改镜头结构的图8

让我们来看看畸变。输入 GDIS 21 G. 基本没有畸变。

最终设计的畸变图

现在我们必须检查在视场光阑处图像的校正。制作一个检查点并输入

CHG
7 MXSF
END

这会截断表面 11 处的镜头（它是暂时的，因此我们可以在视场光阑处评估图像）。只有 TFAN 会影响目视光阑处的清晰度。

使用光谱向导模拟 10 个波长，可见光谱，强光。然后打开图像工具菜单（MIT），选择 0.1 mm 的参考尺寸，相干效果，HBAR = 1 的点光源，多波长，然后单击处理。

MIT 对话框，带有视场光阑边缘上的点的图像。看起来很清晰。

实际上，视场光阑处的弥散斑接近于 Y 方向上的衍射极限。恢复检查点，以便评估最终图像。

这个镜头似乎符合我们的每一个要求。要进行验证，请运行 Spectrum Wizard（MSW）以定义可见光谱间隔的 10 个波长，然后运行 OFPSPRD 功能以显示视场上的衍射图案。（使用 MPF 对话框;选择显示视觉外观, 放大 4）结果如下所示。

这个目镜将产生一个无畸变的像。对光瞳像差的检查显示，在视场中光瞳的偏离小于允许的 1/2 毫米。

DSEARCH 可以在几秒钟内探索设计树的数百个分支，使用不同的输入将探索其他分支。对于设计空间的研究，这是一个可以使用的工具。

这节课我们讲了好几次;有时结果并不像这个那么好，在一种情况下，我们只有9个元件的透镜几乎和这个 10 个元件的透镜一样好。DSEARCH 可以在几秒钟内探索设计树的数百个分支，使用稍微不同的输入将探索其他分支。对于设计空间的研究，这是一个好用的工具。

新用户可能想知道为什么本课要求物方类型 OBD 并激活 WAP 1 选项。对于一些光学器件，在设计这样的目镜时，就是所谓的“Ftheta”镜头。在普通的相机镜头中，人们希望像高与物高成比例;那么没有畸变。但是这在目镜中是行不通的，因为目镜需要物和像的角度成比例，而不是高度成比例。OBD 指定物体角度（此处为 45 度，从眼点追踪），然后视场参数 HBAR 也指归一化角度，也不是高度。当纠正畸变时，角度是成比例的，并且视场星点之间的明显角度间隔是恒定的，无论它们出现在视场中的哪个位置，正如人们所期望的那样。由于角度放大率在视场上是恒定的，根据拉格朗日定律，入射光束（在眼睛处）的直径也是恒定的。WAP 1 选项负责这一点。

我们从这节课中学到了什么？很明显，数值方法是有效的。经典的设计师将在这样的设计上工作很多天，如果他们成功，他们会为结果感到自豪。他们将对哪些元件纠正哪些像差等有所了解。另一方面，本课中使用的数值工具将在很短的时间内产生出色的设计。如果你的目标是以最低的成本获得产品，不管它是如何工作的，那么数值方法显然是最有效的。如果您想知道它是如何工作的，请查看第三个 CPLOT 功能。