[原創(chuàng)]SYNOPSYS 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件課程三十七：自動查找和更改鏡頭結(jié)構(gòu) [復(fù)制鏈接]

在本課程種，我們將展示一個具有挑戰(zhàn)性的問題，然后利用這些工具，在短時間內(nèi)，找到優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。 我們將使用DSEARCH來獲取初始結(jié)構(gòu)，然后使用其他功能來修改鏡頭結(jié)構(gòu)，提高其性能。

（在本課中，我們將使用模擬退火功能進(jìn)行搜索和優(yōu)化，因?yàn)樗�通常會返回最佳結(jié)果。但是，由于流程的隨機(jī)性，該功能并不總是返回相同的結(jié)果，因此如果運(yùn)行這個練習(xí)本身，結(jié)果可能會有所不同。但整體質(zhì)量通常大致相同。）

根據(jù)下面要求設(shè)計(jì)一個廣角目鏡。

視場角：90度。

出瞳距:15毫米或以上

望遠(yuǎn)鏡目標(biāo)的光束數(shù):F/8。

可見光譜:C、d、F夫瑯和費(fèi)譜線。

0.58756微米的光程差 校正在d¼波長內(nèi)或更好的

C(0.6563微米)和F(0.4876 um) 光程差校正½波長內(nèi)或更好用

眼點(diǎn)處的光瞳像差不大于1/2 mm。

一個內(nèi)部視場光闌，其中子午圖像誤差必須不大于在局部F /number光束中艾里斑的兩倍。

望遠(yuǎn)鏡物鏡距離2000mm。

目鏡必須不超過10個元件。 目鏡總長度不超過200毫米。

在這里我們將使用計(jì)算機(jī)來完成它的工作，設(shè)計(jì)師協(xié)助指導(dǎo)。

我們從零開始，使用DSEARCH讓計(jì)算機(jī)自行設(shè)計(jì)一個初始結(jié)構(gòu)。這個程序的輸入如下所示。讀者可參閱SYNOPSYS用戶手冊以了解有關(guān)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                   ! keep the stop at the eye point

    STOP FREE

    QUICK 50 100

    FOV 0 .3 .6 .75 .9 1.  ! correct over five field points

    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  ! control eye relief

    M -.008 4 A P HH 1      ! aim light at objective to right

    M -.004 4 A P HH .5     ! and control pupil aberrations

    M -.0064 4 A P HH .8

    M 0 1 A P YA 1               ! and distortion too

    S GIHT

    END

    GO

    TIME

運(yùn)行此命令，當(dāng)搜索完成時，程序?qū)�顯示它找到的10個最佳配置的結(jié)構(gòu)。 在DSEARCH上對該鏡頭進(jìn)行優(yōu)化MACro并模擬退火后，鏡頭非常好，如下圖所示。

DSEARCH返回的最佳設(shè)計(jì)，優(yōu)化和退火

該圖顯示了波前差，均小于1/4波長。 到現(xiàn)在為止還挺好。 但是，還必須觀察并糾正這些廣角目鏡中的光瞳像差。 如果這些像差太大，當(dāng)用戶掃描視場時，視場的一部分會變黑。我們必須進(jìn)行檢查。

準(zhǔn)備一個新的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

并運(yùn)行它。這將進(jìn)行下列工作:

1.去除表面18的YMT解 (通過NOP，去除所有的解)。

2.將表面19放置在距離為2000毫米的位置。 這將模擬在該距離處的望遠(yuǎn)鏡物鏡。

3.將YMT求解分配到曲面19，然后聚焦于表面20。

4.聲明表面20。

5.繪制一幅在表面19上的主光線截距圖。如果光線都落在表面19的中心附近，像差就會得到控制。

運(yùn)行此MACro，您會看到物體處的光瞳像差，如下所示。F / 8，在2000mm的距離處，物鏡的直徑將為250mm。 因此，6毫米的主光線誤差僅為物鏡尺寸的2.4％左右，我們允許在2.54毫米的入射光瞳上存在約1/2毫米像差，或約20％的像差，因此我們判斷這種修正程度令人滿意。 然而，這并不是沒有代價(jià)的; SPECIAL AANT部分的HH目標(biāo)對任何表現(xiàn)出大的光瞳像差的解進(jìn)行了控制。 您可以隨意調(diào)整這些目標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)您的喜好平衡所有誤差。

為目鏡計(jì)算的物鏡上的光瞳像差

目鏡已經(jīng)處于衍射極限，但尚未完成，因?yàn)槲覀儧]有控制在視場光闌處的圖像質(zhì)量。

我們必須控制它 - 但是鏡頭還沒有視場光闌。 在WorkSheet中，單擊“Add Surface”按鈕，如下所示

選擇Add Surface 按鈕

然后單擊曲面3和4之間的軸。 如圖所示，添加表面

帶有附加表面的鏡頭

現(xiàn)在在WS編輯窗格中輸入，

    5 FLAG

并點(diǎn)擊Update�，F(xiàn)在您可以在AANT文件中使用該名稱引用該表面。編輯DSEARCH為您生成的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 TOTL

    ACA 50 1 1

    M 15 1 A P YA 1 0 0 0 1 ! CONTROL EYE RELIEF

    M -.01 5 A P HH 1  ! AIM LIGHT AT OBJECTIVE TO RIGHT M -.005 5 A P HH .5 ! AND CONTROL PUPIL ABERRATIONS

    M -.008 5 A P HH .8

    M 0 1 A P YA 1  ! AND DISTORTION TOO

    S GIHT

    END

    SNAP/DAMP 1

    SYNOPSYS   80

當(dāng)你運(yùn)行這個MACro時，圖像變得更糟！ 糾正視場光闌的彌散斑并不容易，程序必須進(jìn)行權(quán)衡。 有經(jīng)驗(yàn)的人會注意到，您無法在視場光闌處用只有兩個在左側(cè)的冕牌玻璃元件校正橫向色差。 你需要一個火石玻璃元件 - 但我們會讓程序來完成。

鏡頭在增加一個透鏡之前，優(yōu)化視場光闌

是時候運(yùn)行自動元件插入功能了。 在PANT命令之前，添加如下命令行

    AEI 6 1 123 0 0 1 0 0

再次運(yùn)行MACro。 該程序在前端附近添加了一個火石玻璃元件，圖像更好了。 注釋掉AEI命令行，再次優(yōu)化，然后模擬退火。 評價(jià)函數(shù)降低了。

鏡頭通過添加新鏡片后重新優(yōu)化

你還必須注意像這樣的廣角設(shè)計(jì)中的中間視場點(diǎn)。 運(yùn)行PAD掃描，您會看到校正的像差仍然低于1/4波長。

創(chuàng)建一個檢查點(diǎn)并輸入MRG以打開Real Glass菜單。 選擇Ohara目錄，Library 6，QUIET，SORT，然后單擊OK。

     --- ARGLASS 6 QUIET

    Lens number     6 ID EYEPIECE EXAMPLE

    GLASS S-FSL5Y          HAS BEEN ASSIGNED TO SURFACE  18; MERIT =   0.567006E-01

    GLASS S-LAL14          HAS BEEN ASSIGNED TO SURFACE   1; MERIT =   0.559695E-01

    GLASS S-LAL8           HAS BEEN ASSIGNED TO SURFACE  10; MERIT =   0.606200E-01

    GLASS S-LAL8           HAS BEEN ASSIGNED TO SURFACE   8; MERIT =   0.586577E-01

    GLASS S-NPH4           HAS BEEN ASSIGNED TO SURFACE   3; MERIT =   0.463717E-01

    GLASS S-NPH4           HAS BEEN ASSIGNED TO SURFACE  14; MERIT =   0.561651E-01

    GLASS S-NPH4           HAS BEEN ASSIGNED TO SURFACE   5; MERIT =   0.511101E-01

    GLASS S-NPH4           HAS BEEN ASSIGNED TO SURFACE  16; MERIT =   0.551983E-01

    GLASS S-LAH92          HAS BEEN ASSIGNED TO SURFACE  20; MERIT =   0.485848E-01

    GLASS S-LAH89          HAS BEEN ASSIGNED TO SURFACE  12; MERIT =   0.507509E-01

讓我們來看看畸變。 輸入GDIS 21 G. 根本不會發(fā)現(xiàn)任何的畸變。

最終設(shè)計(jì)的畸變圖

現(xiàn)在我們必須檢查在視場光闌處圖像的校正。 制作一個檢查點(diǎn)并輸入

    CHG

    7 MXSF

    END

這會截?cái)啾砻?1處的鏡頭（它是暫時的，因此我們可以在視場光闌處評估圖像）。 只有TFAN會影響目視光闌處的清晰度。

使用光譜向?qū)�模擬10個波長，可見光譜，強(qiáng)光。 然后打開Image Tools Menu（MIT），選擇0.1 mm的參考尺寸，相干效果，HBAR = 1的點(diǎn)源，多色，然后單擊Process。

MIT對話框，帶有視場光闌邊緣上的點(diǎn)的圖像�？雌饋砗芮逦�。

實(shí)際上，視場光闌處的彌散斑接近于Y方向上的衍射極限。 恢復(fù)檢查點(diǎn)，以便評估最終圖像。

這個鏡頭似乎符合我們的每一個要求。 要進(jìn)行驗(yàn)證，請運(yùn)行Spectrum Wizard（MSW）以定義可見光譜間隔的10個波長，然后運(yùn)行OFPSPRD功能以顯示視場上的衍射圖案。 （使用MPF對話框;選擇Show visual appearance, Magnify 4）結(jié)果如下所示。

這個目鏡將產(chǎn)生一個無畸變的圖像。對光瞳像差的檢查顯示，在視場中光瞳的偏離小于允許的1/2毫米。

DSEARCH可以在幾秒鐘內(nèi)探索設(shè)計(jì)樹的數(shù)百個分支，使用不同的輸入將探索其他分支。對于設(shè)計(jì)空間的研究，這是一個可以使用的工具。

這節(jié)課我們講了好幾次;有時結(jié)果并不像這個那么好，在一種情況下，我們只有9個元件的透鏡幾乎和這個10個元件的透鏡一樣好。DSEARCH可以在幾秒鐘內(nèi)探索設(shè)計(jì)樹的數(shù)百個分支，使用稍微不同的輸入將探索其他分支。對于設(shè)計(jì)空間的研究，這是一個可以使用的工具。

新用戶可能想知道為什么本課要求對象類型OBD并激活WAP 1選項(xiàng)。這里有一些光學(xué)器件，理解它是個好主意。在設(shè)計(jì)這樣的目鏡時，就是所謂的“Ftheta”鏡頭。在普通的相機(jī)鏡頭中，人們希望圖像高度與物體高度成比例;那么沒有畸變。但是這在目鏡中是行不通的，因?yàn)槟跨R需要物體和圖像的角度成比例，而不是高度成比例。物體OBD指定物體角度（此處為45度，從眼點(diǎn)追蹤），然后視場參數(shù)HBAR也指分?jǐn)?shù)階角度，也不是高度。當(dāng)糾正畸變時，角度是成比例的，并且視場星點(diǎn)之間的明顯角度間隔是恒定的，無論它們出現(xiàn)在視場中的哪個位置，正如人們所期望的那樣。由于角度放大率在場上是恒定的，根據(jù)拉格朗日定律，入射光束（在眼睛處）的直徑也是恒定的。 WAP 1選項(xiàng)負(fù)責(zé)這一點(diǎn)。

我們從這節(jié)課中學(xué)到了什么？ 很明顯，數(shù)值方法是有效的。 經(jīng)典的設(shè)計(jì)師將在這樣的設(shè)計(jì)上工作很多天，如果他們成功，他們會為結(jié)果感到自豪。 他們將對哪些元素糾正哪些像差等有所了解。 另一方面，本課中使用的數(shù)值工具將在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生出色的設(shè)計(jì)。 如果你的目標(biāo)是以最低的成本獲得產(chǎn)品，不管它是如何工作的，那么數(shù)值方法顯然是最有效的。 如果您想知道它是如何工作的，請查看第三個CPLOT功能。