解决方案

SYNOPSYS 光学设计软件课程十六:实用的相机镜头

全局搜索相机镜头设计

在第15课中设计的镜头非常好,但是它有点长。 实际上我们希望它总长更短,同时希望有着非常高的分辨率。 以下是本课的设计要求:

4 1.焦距90毫米
2.半视场角20度
3.半孔径25.4毫米
4.透镜元件长度约100毫米
5.后焦距50毫米或更大

在本课程中,将让DSEARCH找到一个初始结构。 在命令窗口中键入MDS,打开设计搜索菜单,如下所示。

输入箭头所示的数据,然后单击“确定”。 看到结果时,可以稍后修改此输入。 假设镜头需要七个透镜元件。 程序会要求您输入文件名,因此请键入LENS_7等名称。 这将打开一个编辑器窗口,其中包含运行该程序所需的输入。

    CORE 14
    TIME
    DSEARCH 1  QUIET
    SYSTEM
    ID DSEARCH SAMPLE
    OBB 0 20 12.7
    WAVL 0.6563 0.5876 0.4861

    UNITS MM
    END
    GOALS
    ELEMENTS 7
    FNUM 3.54
    BACK 0 0
    TOTL 100 0.1
    STOP MIDDLE
    STOP FREE
    RSTART 400
    THSTART 5
    ASTART 12
    RT 0.5
    FOV 0.0 0.75 1.0 0.0 0.0
    FWT 5.0 3.0 3.0
    NPASS 40 	   ! this gives the number of passes in the final MACro这给出了最终MACro中的传导次数
    ANNEAL 200 20 Q
    COLORS 3
    SNAPSHOT 10
    QUICK 30 30    ! this option runs much faster此选项运行得更快
    END
    SPECIAL PANT

    END
    SPECIAL AANT
    LLL 50 .1 1 A BACK
    END
    GO
    TIME

使用命令MDS打开DSEARCH对话框

不必在对话框中为后焦指定权重,而是选择将该要求放在SPECIAL部分。 LLL表示限制下限,这使得后焦大于50。

注意这个文件中的RT参数。这控制了单个光线如何在评价函数中进行加权。0值使给定网格中的所有光线具有相同的权重,而更高的值将使靠近光瞳中心的光线比靠近边缘的光线权重更高。这是一种提高透镜分辨率的有效方法;光扇图外视场可能会剧烈地飞离边缘,但如果中心部分非常平坦,分辨率将会很高。这是一个您经常要尝试的参数。

运行这个宏,你会得到有潜力的初始结构,如下图所示。

由DSEARCH Let's返回的10个镜头

仔细地检查这些镜片。 在CW中键入

    EM DSS

加载并运行DSEARCH已创建的DSS.MAC文件。 该macro将打开DSEARCH返回的每个镜头,在PAD上显示,然后按下键。 你会发现他们中的许多设计结果都有相似的性能。 当您看到自己喜欢的一个结构时,只需按键即可停止macro。 我们喜欢DSEARCH保存的名称为DSEARCH9.RLE的版本。 (结果中的名称可能不同,因为顺序取决于哪个核心在何时完成。)

来自SEARCH结果的好的结构

1. 运行DSEARCH在新窗口中创建的优化MACro DSEARCH_OPT; 然后运行模拟退火程序(55,2,50)。 镜头有所改变。 这个镜头性能? 打开MOP对话框并输入如下所示的数据。 单击MOF按钮,即可获得MTF曲线。 将此镜头称为第1版。

结果不太好 - 但我们学到了一些东西。 MTF可以随着视场快速变化,因此我们在DSEARCH输入中需要更多的视场点。 我们还决定,由于这个透镜离衍射极限不远,我们应该针对OPD而不是横向像差。 以下是我们对GOALS部分的修订输入:

    GOALS
    ELEMENTS 7
    FNUM 3.54
    BACK 0 0
    TOTL 100 0.1  STOP MIDDLE
    STOP FREE
    RSTART 400
    THSTART 5
    ASTART 12
    RT 0
    FOV 0.0 .5 .7 .9 1
    FWT 3 2 2 2 2
    OPD
    NPASS 40
    ANNEAL 200 20 Q  COLORS 3
    SNAPSHOT 10
    QUICK 50 50
    END

镜头优化和模拟退火,版本1

用于运行MOF的对话框,要求设置四个空间频率。

运行此DSEARCH文件,然后优化并模拟退火程序。 会得到一个不同的镜头和MTF曲线。 轴线越好,边缘越好。 我们应该做什么?

版本2镜头,经过优化和模拟退火

版本2镜头的MTF

让我们尝试一下我们尚未使用过的工具。

在AANT文件中,删除所有GSO和GNO,并替换以下命令行

    GSHEAR .2 1 6 M 0 0 X
    GSHEAR .2 1 6 M 0.5 0 X
    GSHEAR .2 1 6 M 0.7 0 X
    GSHEAR .2 1 6 M 0.9 0 X
    GSHEAR .2 1 6 M 1 0 X
    GSHEAR .2 1 6 M 0 0 Y
    GSHEAR .2 1 6 M 0.5 0 Y
    GSHEAR .2 1 6 M 0.7 0 Y
    GSHEAR .2 1 6 M 0.9 0 Y
    GSHEAR .2 1 6 M 1 0 Y

要理解此输入,您必须了解如何计算MTF。一种常用的方法是卷积积分,该卷积积分基于组合光瞳,一个在X或Y中剪切的量随着要计算的频率而变化。如果给定点处的OPD误差与截止频率处的OPD误差相同,则MTF是完美的,就这些点而言。在整个光瞳上计算,得到镜头的MTF。上述请求告诉程序评估光瞳中的点网格与根据第一个参数截止频率的对应点之间的OPD差异,此处为0.2。因此,这将优化镜头,同时尝试以三种波长的五个视场中的每一个的空间频率(截止值的1/5)使MTF达到峰值。

3. 在版本2镜头上运行此优化并模拟退火程序。然后打开DSEARCH返回的其他10个镜头,并对它们进行相同操作。我们得到了一个很好的结果,镜头返回为DSEARCH08.RLE。将此版本称为3。

第3版镜头,根据GSHEAR要求进行了优化。

结果更好,但假设我们需要更高的分辨率。 该怎么办?

也许只有七个镜片才能做得更好。 在PANT命令之前添加一行,

    AEI 5 1 123 0 0 0 50 10

再次运行它。 然后注释掉AEI命令行,再次优化和模拟退火程序。 该程序在表面11添加了一个新镜片,MF从92.5降至71.8。 调用镜头版本4.这是一款出色的镜头。


版本4镜头,AEI插入元件7

版本4和5镜头的MTF。

最后一次运行,增加了一个探测器ADT 8 .1 1,镜头看起来很好。 这是第5版镜头,符合实际应用。

第5版镜头

有了这么多工具,人们自然想知道使用哪些工具。例如,如果你想要一个8片镜片的镜头,你应该使用DSEARCH 搜寻8个镜片的结构,或者搜寻6个镜片的结构,然后再使用AEI两次来获得8个镜片的结构?哪种方法更好。

只有经验才能说明。再次运行这个程序,向DSEARCH设定六个镜片,然后仅使用GSHEAR像差,运行AEI两次。以这种方式测试所有10个DSEARCH结果,发现其中7个返回的MF低于上面的版本4。这似乎是一个很好的策略。下图显示了该批次中最好的MTF曲线。

另一个实验:我们再次运行DSEARCH,仅使用FOV 0,并将所有GSHEAR请求放入SPECIAL AANT部分,并关闭QUICK模式。该输入使DSEARCH完全优化每个候选镜头,无需快速筛选,并从一开始就控制像差。它是如何做的?

已经有初步得解决方案。正是这样的实验将展示下一步的方向。我们使用这个新的工具,并不需要很多得设计经验。

通过向DSEARCH设置六个镜片的结构,然后运行AEI两次,通过优化找到最好的镜头。

镜头的MTF

本课程以图形方式说明,在镜头设计中,您正在处理具有大量解的机会。除非您已经有一个非常好的起始镜头,否则在您尝试使用DSEARCH的参数时,找到一个好镜头的几率会有所提高。

随着DSEARCH等新工具的出现,镜头设计的工作发生了重大变化。在以前,专家设计师将在一个设计上工作数天或数周,使用复杂的知识来指导过程,今天人们可以在几分钟内完成许多设计,然后选择最有希望的结构来进一步工作。其中一些设计往往优于专家在过去几天才能够提出的设计。

在实际情况中,接下来会在AANT文件中添加一个ADT监视器(直径/厚度比),因为有些元件太薄了。 (如果您在开始时不使用此控制,该程序通常会返回更好的镜头。 在你有一个好的设计后,厚度很容易修改,如果一开始时就控制这个比例会强烈影响程序寻找到一个好的设计 - 可能会错过一个好的设计。 尝试两种方式并选择最佳结果。)将确定最终的镜头,看看图像校正如何随共轭而变化(如果这是一个要求,并重新优化透镜如第19章所示,如果是这样的话,用ARGLASS插入实际玻璃类型,为最接近隐含光阑的表面指定一个实际光阑,可能会减小某些元件的厚度,重新优化,使用边缘向导定义边缘几何体,匹配使用TPM曲线到供应商的测试板列表,使用BTOL准备公差,使用ELD制作元件图纸,使用DWG制作系统图纸,等等。设计镜头时还有很多工作要做,这是一个实用的课程,展示了如何使用一些可用的工具。我们按照设计要求,在相当短的时间内设计出了一些相当不错的镜头。

请尝试上面的内容,并尝试改变DSEARCH的起始半径,厚度,空间间隔和其他参数的各种值。