在開發一款現代手機鏡頭或針孔相機時，設計師們越來越多地使用非球面。它們通常是很小的塑料元件，盡管制作模具很昂貴，但鏡頭可以大量生產，成本很低。甚至可以用法蘭機直接模壓到元件上，使組裝更簡單，這種方法可以使某些元件尺寸保持在非常小的公差范圍內。

為幫助設計此類系統，DSEARCH? 可以對具有非球面的系統進行全局搜索。建議用戶閱讀 SYNOPSYS? 用戶手冊中關于這一強大功能的介紹。我們在此給出一個如何將DSEARCH 用于典型系統的示例。

PROJ                                !  開始項目的計時器
CCW                                 ! 清除命令窗口
CORE 16                             ! 使用16個核心以提高速度
DSEARCH 1 QUIET                    ! 啟動DSEARCH；將最好的鏡頭放在庫中的位置1。SYSTEM                            ! 定義系統規格
ID DSEARCH ASPHERIC CAMERA LENS     ! 識別ID
OBB 0 41.3 .285                    ! 無限遠的物體，半視場角41.3度，半直徑為0.285mm
UNI MM                             ! 鏡頭將以毫米為單位
WAVL CDF                       ! 使用C、D和F波長
END                             ! 系統部分結束
GOALS                             ! 在此確定目標
ELEMENTS 5                        ! 我們想要一個帶保護玻璃的四片式鏡頭
BACK 0.4 SET                       !  要求有0.4毫米的后焦距離
FNUM 2.7 10                        ! 要求提供F/2.7，權重為10
THSTART 1                        ! 全球搜索使用厚度為1毫米
RSTART 30                           ! 和起始半徑為30毫米
ASPH Q                              ! 在快速模式下也使用圓錐常數
ASPH 3                              ! 允許三個非球面項。非球面的CC、4、6次方
DELAY OFF                        !這些運行是快速的，所以不要要求在超時時繼續運行
ANNEAL 10 1 Q                 !退火，溫度為10度，冷卻速率1，包括快速模式
SNAP 5                            ! 每隔五次重繪PAD屏幕
STOP FIRST                            ! 光闌放在前面
STOP FIXED                           ! 固定光闌
QUICK 50 50                        ! 運行快速模式50次，然后運行真實模式50次
NGRID 6                             ! 6x6光線網格
NPASS 50                             !優化宏進行50次迭代
TOPD                              ! 糾正橫向像差和OPD
FOV 0.2.4.6.8 1                       ! 六個視場點
FWT 5 4 3 3 3 3                       ! 視場權重
COVER .3 1.51872 64                   ! 使用這種GLM，保護玻璃的厚度為0.3毫米。
PLASTIC 1 3 5 7                       ! 四個元件定義為塑料
END                              ! 目標部分結束
SPECIAL PANT                            !特殊變量的部分從這里開始
RDR .001                                !下限給出了導數增量的范圍，并利用增量來計算有限差分法的導數
TLIMIT 3 .1                             !對厚度的限制
SLIMIT 5 .1                             !對空氣的限制
END                                     !PANT部分結束


SPECIAL AANT                            !特殊評價函數部分的開始；
ACC 1.0                                 ! 中心厚度小于1.0毫米
ACM .2 .1 .2                            ! 中心厚度大于0.2 mm
ACA 60                                  ! 邊緣光線入射角最大值為60度AEC .2 .1 .2                            ! 邊緣厚度大于0.2毫米
M 1.35 10 A P YA 1                      ! 控制全視場像高在1.35mm
M .945 10 A P YA .7                     ! 控制0.7視場像高在0.945mm
M .54 10 A P YA .4
END                                     ! AANT部分結束GO                                      ! DSEARCH運行
PROJ                                    ! 當它完成后，看看運行了多長時間。

DSEARCH 在其優化 MACro 中的默認邊緣控制目標（1mm），這對于上面的鏡頭邊緣控制來說太厚了。所以我們用自己的 AEC 指令來控制它。此外，這些指令默認的最小空氣間隔和厚度為1毫米，這也太厚，讓我們用 0.2 毫米的 ACM 替換它。我們增加的 ACC 指令不會讓厚度增加到超過 1.0 毫米從而替換默認值 25.4mm。

這些指令控制的設置權重不會很高。這樣做是有目的的:如果你嚴格地控制這些項，DSEARCH 將傾向于那些不會違反它們的要求——但是我們希望這個程序能支持圖像誤差較小的設計，并且一開始并不太在意機械性能。當我們得到一個好的設計，我們可以很容易地修改這些控制量，增加其權重，使以后的設計更加實用。

由于我們允許使用非球面，我們必須小心提供高于默認網格數量為 4 的網格，并在六個視場進行校正。否則可能會有中間光瞳和鏡外視場區域失控。玻璃變量的界限也需要注意。當我們得到一個好的設計時，我們將用來自 U 目錄(不尋常的材料)的塑料材料替換模型玻璃，并且我們希望模型玻璃分布在塑料材料的區域。任何指定的表面都被限制在下面的玻璃庫中。

紅點是在塑料材料區內。該程序將在所示區域內保留玻璃模型變量。那些到達邊界的玻璃材料會沿著邊界上下滑動。

我們運行上面的 DSEARCH MACro，我們看到程序找到的最佳設計，如下所示。

透鏡幾乎達到衍射極限，波前差都小于 ? 波長。然而，0.75 視場的 TFAN 值得懷疑。我們必須關注視場的像質，看看哪里需要校正。我們打開幾何圖像菜單 (MGI) 在 RMS 部分的視場上選擇，多波長，然后單擊 RMS 按鈕。光斑尺寸在0.018 視場中最大。

該程序創建了一個優化宏，我們又向 AANT 文件添加了兩個命令行：

GNO     0.000000     0.094362      6  M     0.700000
GNO     0.000000     0.094362      6  M     0.900000

然后我們運行 MACro 并模擬退火。評價函數值為0.016，我們有了一個很棒的設計。

我們將表面9上的材料更改為客戶想要使用的真正的玻璃材料：Hoya 庫的 BSC7。為此，我們打開 WorkSheet（WS）并在編輯窗格中鍵入 9 GTB H BSC7

單擊“更新”，然后保存檢查點。該模型已被替換。現在我們打開真實玻璃菜單（ MRG）并選擇U目錄。該目錄沒有普通的光學玻璃 - 但它確實有塑料材料。當您指定 U 目錄時， ARGLASS 程序（從 MRG 對話框運行）會自動選擇塑料材料，并且替換 RLE 文件中指定為 PLASTIC 的 GLM。它有兩種模式; 它可以按數字順序替換鏡頭，或者可以對它們進行分類，以便它首先取代最遠離真實材料的鏡頭。第二個選項有時更好，因此我們在 MRG 對話框中選擇 Sort，選擇 Quiet 選項，然后選擇 OK。

 有時換成真正的玻璃材料會導致光線故障。程序調整曲率以保持元件光焦度，但如果存在非球面項，則某些光線仍然可能失效。如果發生這種情況，請在更改其他材料后再次運行ARGLASS，這通常有效。

現在都是真實的材料。為了確保我們有一個最佳設計，我們刪除 PANT 文件中的 GLM 變量（或將它們更改為單個 VLIST GLM ALL，這只會改變鏡頭中已有的 GLM），并進一步優化。現在是時候嘗試更多的非球面項了。我們在 PANT 文件中添加了如下命令

VY 1 G 10
VY 2 G 10
VY 3 G 10
VY 4 G 10

并再次優化。但是現在全視場的 OPD TFAN 開始向上邊緣光線偏離。

因此，我們在 AANT 文件中添加了一個新命令行，并進行了更多優化。結果好多了！

M 0 .5 A P OPD 1 0 1

 以下是此設計的 MTF 曲線。

現在你知道如何使用這個程序了，但是我們能做些什么不同的呢?這種設計達到衍射極限，但在全視場的 MTF 要比在軸上低得多。這是為什么呢?由于鏡頭前面有光闌，我們正在校正畸變。事實上，在 41.3 度的視場角，這意味著邊緣比中心暗32％。它如何做到這一點？通過改變有效 F /number！我們輸入命令 FN 0

FN 1

并且觀察到軸上 F/number 大約是2.7時，在邊緣處子午方向是 6.2，在弧矢方向是3.5。F/number 越高，艾里衍射斑的尺寸越大，在 Y 方向的截止頻率越低。這就是 MTF 曲線告訴我們的。

如果這種情況令人滿意，我們就完成了。但是我們假設你真的希望在視場上照度均勻分布。除非你讓畸變變大，否則你無法得到這樣的結果。如果您計劃設計完成以后以電子方式進行補償，這可能不是問題。接下來執行如下操作：

1. 刪除（或注釋掉）DSEARCH 輸入的 SPECIAL AANT 部分中的那一命令行，這些命令行在三個視場點為主光線的 YA 中提供目標。

SKIP
M 1.35 10 A P YA 1
M .945 10 A P YA .7
M .54 10 A P YA .4
EOS

2.添加一些新的要求。這些將控制五個視場點的相對照度。

M 1 1 A P ILLUM .2
M 1 1 A P ILLUM .4
M 1 1 A P ILLUM .6
M 1 1 A P ILLUM .8
M 1 1 A P ILLUM 1

3.由于視場的邊緣處的 F /number 現在將更小，這更難校正，我們將外部兩個視場的權重從 3.0 增加到 4.0。

MI
MII 0 1 A P OPD 1 0 -1

現在在 DSEARCH 上運行此版本，鏡頭結構非常不同。我們進行了一些優化，并注意到全視場的下邊緣射線正在快速消失，因此我們將命令行添加到評價函數上 M0 1 A P OPD 1 0 -1

并再次優化。鏡頭更好。

在優化并使用 MRG 對話框插入真正的塑料材料后，鏡頭如下：

MTF 非常好，如下所示。

用命令繪制的照度相當均勻,在命令窗口輸入 ILLUM 500 P

該操作確實引入了嚴重的畸變。這是命令生成的圖 GDIS  21 G

結尾

如果你按照上面的步驟操作，它看起來會很簡單。以下是您可能遇到的一些問題，以及如何處理它們：

1. 我們在這個例子中指定了3個高階項給非球面，將表達式的第六次項分配給曲面。作為一項規則，最好從較小的項開始，然后在盡可能優化結果后添加更多高次項。如上所述，一開始就有太多的約束可能將設計發送到一個尷尬的區域，這些區域的約束相互沖突并變得太大。此外，光線追蹤可以證明許多高階項的問題，因為光束可以表現出離焦或大光線角度，而您不需要它們。我們只用兩個約束開始，然后在優化結果時添加更多約束，從而獲得了出色的結果。

2.注意 DSEARCH 輸入文件中的 FNUM 請求指定權重為10。如果我們不考慮權重因子，程序將通過近軸求解精確地控制 F /number。如果得到的半徑太大，則可能導致光線失效。因此，對于像這樣的 F /number 鏡頭，我們通常會增加一個權重。然后程序向評價函數添加一個控制 F /number 的約束，半徑由 RSTART 值給出。在第二個例子中，我們沒有以像高為目標，如果我們分配了較低的權重，則 F / number可能會比目標值大。如果我們分配了更低的權重。這個程序將會做任何事情來減少評價函數，并且放棄一點代價可能會顯著降低其他的像差，從而在更高的 F/number 下產生一個完美的圖像。所以我們指定了一個 10 的權重，這樣的解是一個最終平衡的結果。

3.在本例中，我們選擇將后焦距設為固定值。如果我們在 BACK 命令行上輸入權重因子，程序會將 YMT 求解分配給最后一個表面，因此圖像將始終處于近軸焦點，然后將目標添加到 AANT 文件以將目標優化到設置的值。這兩種方法都有效，但是當您定位所選光線的 YA 以控制像高時，最好自己設置該值。否則程序可能無法校正虛擬圖像，因為像高在優化的過程中會發生改變。

4.請記住 DSEARCH 使用模擬退火功能，并且該功能會一次又一次地對鏡頭進行小的隨機更改。這極大地改善了每種情況的優化，但結果在運行期間不可重復。出于這個原因，通常不止一次運行 DSEARCH，并查看每次返回的其他結果。我們運行了幾次，上面顯示的結果是最好的。

5.這些設計很好地實現了我們的目標。但是假設你不想用四個鏡片的透鏡。你能用三個鏡片設計出來么？請嘗試一下，它可能不會那么好，但是，也許你的探測器不需要那么高的分辨率。

6.請記住，DSEARCH 搜索初始結構會進行非常大的計算，并且每次都無法檢查每個分支。如果您更改 DSEARCH 輸入中的任何內容，例如 RT 參數，視場權重，監視目標等等 - 程序將搜索不同的分支集并返回不同的結果。這種方法的強大之處在于它可以同時搜索大量的分支，并且大多數情況下我們可以發現并運行返回至少一個符合或接近我們要求的鏡頭。通過各種方式嘗試輸入并在庫中保持更好的結果，以便您可以查看它們。這是在此過程中返回的另一個鏡頭，經過畸變校正。它與我們的第一個設計有很大的不同，但具有相同的性能：

本課程所有鏡片都使用塑料材料。如果你想要一些元件由玻璃材料和其他塑料材料制成怎么辦？只需在 DSEARCH 輸入文件中聲明哪些元件是塑料的，程序會將它們限制在可以找到塑料材料范圍內。另一方面，玻璃元件仍然可以在玻璃目錄的通常范圍內自由移動。當設計令人滿意并運行 MRG 時，如果選擇“U”目錄，程序將僅匹配塑料材料元素，并且不會與任何其他目錄匹配。

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