SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头

墨光科技 2023年9月21日浏览：1240

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 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。

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：

SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头的图1

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 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：

SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头的图2

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 SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头的图3 ，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。

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 -9
CSTOP
WAP 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。（L41L1）

SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头的图7 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。

SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头的图8

SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头的图9

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。

RLE

ID WIDE-ANGLE DESEARCH 4

ID1 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。

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

SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头的图10

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。

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。