SYNOPSYS 光学设计软件课程三十七：自动查找和更改镜头结构

如果您已阅读并理解本系列的前几课程，那么您已熟悉我们将在本课程中使用的工具 - 但您可能不知道将这些工具组合在一起时的结果有多么出色。在这里，我们将展示一个具有挑战性的问题，然后展示这些工具，如何在使用经典设计方法使人在一小部分所需时间内，找到优秀的设计。毕竟，时间就是金钱，这值得了解。我们将使用DSEARCH来获取初始结构，然后使用其他功能来修改镜头结构，始终提高其性能。没有其他镜头设计代码具有这种功能。

在第34课中，我们设计了一个非常好的90度目镜，其中重点是最后一个表面。在这里，我们将完成一项更具挑战性的任务，并将注意力放在曲面1之前。我们还必须确保场光阑的图像用眼看起来是清晰的。

（在本课中，我们将使用模拟退火功能进行搜索和优化，因为它通常会返回最佳结果。但是，由于流程的随机性，该功能并不总是返回相同的结果，因此如果运行这个练习本身，结果可能会有所不同。但整体质量通常大致相同。）

根据下面要求设计一个广角目镜。

视场角：90度。 
出瞳距 :15毫米或以上 
望远镜目标的光束数:F/8。 
可见光谱:C、d、F夫琅和费谱线。 
0.58756微米的光程差 校正在d¼波长内或更好的 
C(0.6563微米)和F(0.4876 um) 光程差校正½波长内或更好用 
眼点处的光瞳像差不大于1/2 mm。 
一个内部视场光阑,，其中切向图像误差必须不大于在局部F /number光束的艾里斑的两倍。 
望远镜物镜距离2000mm。 
目镜必须不超过10个元件。目镜总长度不超过200毫米。

这不是一个容易的问题 - 也不应该是。如果问题可以完全由计算机解决，结果将以几分钟的方式出现，而且课程不会很有趣。但是这些要求不能全部用一组命令输入到任何镜头设计代码中，所以在这里我们将使用计算机来完成它最擅长的工作，设计师利用技能在需要的地方指导,必要时直接进行程序设计

这项工作最困难的部分是选择一个有希望的初始结构。许多设计师使用他们公司的专利或镜头列表，而不是从头开始设计。在这里，我们从零开始，并要求计算机自行设计一个初始设计。为了实现这一点，我们使用DSEARCH，您在前面的课程中已经看到过。这个程序的输入如下所示。读者可参阅SYNOPSYS用户手册以了解有关格式的描述。大多数输入可以在MDS对话框中创建，MDS将为您创建一个宏。然后你可以随意编辑它;我们在这里展示了一个有用的例子。

运行此命令，当搜索完成时，程序将显示它找到的10个最佳配置的结构并加载最上面的配置。在DSEARCH上对该镜头进行优化MACro并进行退火后，镜头非常好，如下图所示。

DSEARCH返回的最佳设计，优化和退火

该图显示了波前误差，均小于1/4波。到现在为止还挺好。但是，还必须观察并纠正这些广角目镜中的光瞳像差。如果这些像差太大，当用户扫描视场时，视场的一部分会变黑。我们必须检查。

准备一个新的MACro 如下:

并运行它。这将进行下列工作:

1.去除18表面的YMT解决方案(通过NOP，去除所有的解决方案)。

2.将表面19放置在距离为2000毫米的位置。这将模拟在该距离处假设的望远镜物镜。

3.将YMT求解分配到曲面19，然后聚焦于20。

4.声明表面20，所以它存在。

5.绘制一幅在19面上的主光线截距图。如果光线都落在表面19的中心附近，像差就会得到控制。

运行此MACro，您会看到物体处的光瞳像差，如下所示。在F / 8处，在2000mm的距离处，物镜的直径将为250mm。因此，6毫米的主光线误差仅为物镜尺寸的2.4％左右，我们允许在2.54毫米的入射光瞳上约1/2毫米，或约20％，因此我们判断这种修正程度令人满意。然而，这并不是没有代价的; SPECIAL AANT部分的HH目标对任何表现出大的光瞳像差的解决方案进行了处罚。您可以随意调整这些目标的权重，以根据您的喜好平衡所有误差。

为目镜计算的物镜上的光瞳像差

目镜已经处于衍射极限，但尚未完成，因为我们没有控制在视场光阑处图像质量。我们必须控制它 - 但是镜头甚至还没有视场光阑。在工作表中，单击“Add Surface”按钮，如下所示

选择“添加曲面”按钮

然后单击曲面3和4之间的轴（或中间图像在镜头中的任何位置）。如图所示，添加表面

带有附加表面的镜头

现在在WS编辑窗格中输入，

并点击更新。现在您可以在AANT文件中使用该名称引用该表面。编辑DSEARCH为您准备的MACro。

当你运行这个MACro时，图像变得更糟！ 纠正视场光阑的模糊并不容易，程序必须进行权衡。有经验的人会注意到，您无法在视场光阑处用只有两个在左侧的冕牌玻璃元件校正横向色差。你需要一个火石玻璃元件 - 但我们会让程序来完成。

镜头在增加一个透镜之前，优化视场光阑

是时候运行自动元件插入功能了。添加行

在PANT命令之前，再次运行MACro。该程序在前端附近添加了一个火石玻璃元件，图像更好了。注释掉AEI线，再次优化，然后退火。评价函数降低了。

镜头通过添加新镜片后重新优化

你还必须注意像这样的广角设计中的中间场点。运行PAD扫描，您会看到校正仍然低于1/4波。

创建一个检查点并输入MRG以打开Real Glass菜单。选择Ohara目录，Library 6，QUIET，SORT，然后单击OK。

镜头现在几乎是完美的。让我们来看看畸变。输入GDIS 21 G.眼睛根本不会发现任何变形。

最终设计的畸变图

现在我们必须检查在视场光阑处图像的校正。制作一个检查点并输入：

这会截断表面11处的镜头（暂时，因此我们可以在视场光阑处评估图像）。只有TFAN会影响眼睛视场光阑处的清晰度。

使用光谱向导模拟10个波长，可见光谱，强光。然后打开“图像工具”菜单（MIT），选择0.1 mm的参考尺寸，相干效果，HBAR = 1的点源，多色，然后单击处理。

MIT对话框，带有视场光阑边缘上的点的图像。眼睛看起来很清晰。

实际上，视场光阑处的弥散斑接近于Y方向上的衍射极限。恢复检查点，以便评估最终图像。

这个镜头似乎符合我们的每一个要求。要进行验证，请运行Spectrum Wizard（MSW）以定义在可见光谱间隔的10个波长，然后运行OFPSPRD功能以显示场上的衍射图案。（这最好使用MPF对话框;选择显示视觉外观，放大4.）没有比这更好的目镜了。结果如下所示。

对眼睛来说，这个目镜将产生一个本质上完美和无畸变的图像。对光瞳像差的检查显示，在视场中光瞳的偏离小于允许的1/2毫米。

既然这是一篇论文，我就到此为止。一个真正的设计需要更多的关注，可能会减少一些元件的厚度。但问题已经得到了解决。

这节课我们讲了好几次;有时结果并不像这个那么好，在一种情况下，我们只有9个元件的透镜几乎和这个10个元件的透镜一样好。DSEARCH可以在几秒钟内探索设计树的数百个分支，使用稍微不同的输入将探索其他分支。对于设计空间的研究，这是一个可以使用的工具。

新用户可能想知道为什么本课要求对象类型OBD并激活WAP 1选项。这里有一些光学器件，理解它是个好主意。在设计这样的目镜时，你就是所谓的“Ftheta”镜头。在普通的相机镜头中，人们希望图像高度与物体高度成比例;那么没有畸变。但是这在目镜中是行不通的，因为目镜需要物体和图像的角度成比例，而不是高度。物体OBD指定物体角度（此处为45度，从眼点追踪），然后场参数HBAR也指分数阶角度，也不是高度。当纠正畸变时，角度是成比例的，并且视场星点之间的明显角度间隔是恒定的，无论它们出现在视场中的哪个位置，正如人们所期望的那样。由于角度放大率在场上是恒定的，根据拉格朗日定律，入射光束（在眼睛处）的直径也是恒定的。WAP 1选项负责这一点。

我们从这节课中学到了什么？很明显，数值方法是有效的。经典的设计师将在这样的设计上工作很多天，如果他们成功，他们会为结果感到自豪。他们将对哪些元素纠正哪些像差等有所了解。另一方面，本课中使用的数值工具将在很短的时间内产生出色的设计。如果你的目标是以最低的成本获得产品，不管它是如何工作的，那么数值方法显然是优越的。如果您想知道它是如何工作的，请查看第三个CPLOT功能。一切都在那里，生动精彩的介绍。