SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭

2023年9月21日 14:49
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課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭

如何使用 DSEARCH 設計廣角鏡頭。 如果在 DSEARCH 文件的 SYSTEM 部分中輸入廣角的規格，則很可能沒有任何可以實現的初始結構，原因很簡單，光線無法通過。DSEARCH 可以糾正某些光線故障，但通常無法優化此類系統。

在這種情況下，有一個相當簡單的方法可以很好地實現：首先畫出一個前端，將光束轉換成一個角度較小的光束，然后從那里開始，用 USE CURRENT 聲明該部分。下面是一個例子：

我們想設計一個半視場角為 92.4 度的鏡頭，F 數為2.0。我們將使用塑膠制作非球面透鏡。首先，我們必須創建一個可追跡的前端。

我們從一個含兩個鏡片組的簡單系統開始，并指定用于廣角的物體類型 OBD，并在表面5上聲明一個近軸光闌。我們從一個中等角度開始，比如50度，然后，使用 WorkSheet? 滑塊，給元件一些負的光焦度，并將它們向右彎曲。當看起來效果很好時，增加 OBD 視場角，以這種方式繼續，直到我們達到所需的92.4度角。這是前端部分：

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭的圖1 

鏡頭文件：

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度進入并以合理的角度出射。現在創建 DSEARCH 輸入 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，我們使用 SET 指令指定 10 mm 的后焦距。DSEARCH 允許您以三種方式控制該距離：如果您只是給出一個距離，例如 BACK 10，程序會在末尾添加 YMT 求解并在 AANT 文件中包含一個目標來控制值。如果添加權重因子（例如 BACK 10 100），則將該權重應用于目標。第三種方法是請求精確值，在這種情況下使用 BACK 10 SET。現在，程序將簡單地將后焦距設置為輸入值，在這種情況下為 10，并且不會添加 YMT 求解。對于較復雜的設計，這通常是一個很好的選擇，特別是當其他選項返回帶有虛像的系統時。

要求最大元件厚度為 10 毫米，總長度小于 90 毫米，以保持合理。此外，我們將光線入射到透鏡表面的夾角限制在 70 度內。否則，對于像這樣的大角度，可以在全視場獲得掠入射光線，由于膜層問題，這是不切實際的。

請注意，在這種情況下我們不使用 QUICK 選項。

最后一點：我們在上面的輸入中給出了 FNUM 請求的權重。如果我們不這樣做，程序將通過 UMC 求解來控制F /number，并且得到的曲率可能非常大以至于沒有光線通過。同樣，對于這樣復雜的設計，我們必須引導一些事情。通過在 FNUM 上添加權重，程序將最后一個面的曲率視為變量，并控制 AANT 文件中的 F /number，而不是曲率求解。

好的，我們的輸入已準備就緒，因此我們運行此 DSEARCH 文件。大約兩分鐘后我們看到了結果：

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭的圖2 

DSEARCH 發現了 10 種最佳設計，其中大多數非常好。

現在需要進一步改進設計。運行 DSEARCH 產生的優化 MACro，鏡頭的性能變化很小。

現在必須檢查視場的像質。在 PAD 中，單擊 PAD 工具欄中的“掃描”按鈕SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭的圖3，然后觀察到靠近曲面9的光闌在所有視場中都沒有很好地填充。在這個廣泛的區域和近軸光瞳的系統中，我們必須控制它。

由于我們改變了 YP0 的數量，目前鏡頭只有一個不明顯的光瞳。這使我們接近光闌真正的結果，但是現在我們必須把它放在那里。在 WS 編輯窗格中，我們輸入

APS -9
CSTOP
WAP 2

來在表面 9 上放置一個真正的光闌。然后我們從 PANT 文件中刪除變量 VY 0 YP1，修改 DESEARCH_OPT 中厚度變量聲明為 VLIST TH ALL,優化并模擬退火。

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭的圖4    
  讓我們將玻璃模型替換成真實的材料。 打開 MRG 對話框，選擇 U 目錄（僅匹配塑膠材料），QUIET，SORT，然后單擊 OK。 鏡頭材料現在是真正的塑膠材料。

 

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭的圖5
是真正塑膠材料的鏡頭取代了最后五個透鏡的玻璃材料。

將繼續優化鏡頭，不希望的塑料材料被更換成其它的玻璃材料，因此我們從 PANT 文件中刪除所有 VY sn GLM 行并用 VLIST GLM ALL 替換它們。

這只會改變第一和第二個鏡片的當前玻璃模型的材料，再次優化和模擬退火。

再次運行 MRG，這次選擇 Ohara 目錄。該程序現在匹配前兩個元件，即玻璃，而不是塑膠。設計與以前一樣好。（L41L1）

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭的圖6  

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭的圖7 所有真實材料的鏡頭。

讓我們來看看視場上的衍射圖像。轉到 MPF 對話框，選擇“視覺外觀”，放大設置為 5，然后單擊“執行”。結果，可以看到，在整個視場上幾乎是完美的。

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭的圖8 

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭的圖9 

視場上的衍射 PSF

對于那些可能想要進一步評估此鏡頭的人，RLE 文件如下。您可以復制這些命令行并將其粘貼到EE編輯器中。

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


另一種廣角鏡頭：

在本章的第一部分中，我們觀察到，超過 90 度的輸入角需要一個定制的前端，其目的是將主射線的角度減小到一個更易于控制的值，以便光線能夠通過。但如果這個領域的角度小于 90 度，工作就簡單多了。

點擊打開 C45M2，我們使用 DSEARCH 本身，沒有添加前端，并指定廣角校正參數 (WAC)為 50 度，此鏡頭的最大視場角為 86 度而不是 92.4 度

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十一：設計一個超廣角的鏡頭的圖10 

本例中，搜索統計顯示，待分析的 128 例中，共有 59 例由于光線追跡失敗而跳過。如果在不帶 WAC 參數的情況下運行這個宏，程序將跳過 128 種情況中的 125 種。不要跳過用例總是一個好主意，因為有希望的配置可能會被錯過。當你用 DSEARCH 搜索最佳鏡頭設計時，WAC 參數是你可以嘗試的另一個參數。

鏡頭仍然需要額外的工作，正如之前所做的，但重點是，有了這個稍微減少的視場角，工作更簡單，不需要像我們上面做的那樣對前端元素進行初步的計算。

在本練習中我們沒有使用曲率或厚度求解，因為超廣角鏡頭的常見問題是試圖避免光線追跡失敗。雖然使用解在數學上具有完美的意義，但它們可能會導致這種鏡頭出現問題。此外，在設計基本完成之前，我們沒有使用真正的光瞳。真實光瞳搜索功能是強大的但不可靠，并且利用這種大角度光線和非球面系數，很容易沒有解。所有這些都可以通過使用無瞳設計來避免，直到設計形狀良好后再確定光瞳。

除了 DSEARCH 返回的最佳鏡頭之外，您還可以嘗試其他方案。

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