在開發(fā)一款現(xiàn)代手機鏡頭或針孔間諜相機時，設(shè)計師們越來越多地使用非球面。它們通常是很小的塑膠元件，盡管制作模具很昂貴，但鏡頭可以大量生產(chǎn)，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(nèi)。
為幫助設(shè)計此類系統(tǒng)，DSEARCH™可以對具有非球面的系統(tǒng)進(jìn)行全局搜索。 建議用戶閱讀SYNOPSYS™用戶手冊中關(guān)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(tǒng)的示例。
PROJ ! start project timer
CCW ! clear command window
CORE 16 ! use 16 cores for speed
DSEARCH 1 QUIET ! start DSEARCH; put best lens in library location 1
SYSTEM ! define the system specs
ID DSEARCH ASPHERIC CAMERA LENS ! identification
OBB 0 41.3 .285 ! infinite object, semi field 41.3 degrees, semi ap. 0.285
UNI MM ! lens will be in millimeters
WAVL CDF ! use visual wavelengths at C, d, and F lines
END ! end of system section
GOALS ! define the goals here
ELEMENTS 5 ! we want a four-element lens with a cover glass
BACK 0.4 SET ! ask for 0.4 mm back focus distance
FNUM 2.7 10 ! ask for F/2.7, weight of 10
THSTART 1 ! global search use thicknesses 1 mm
RSTART 30 ! and starting radius of 30 mm
ASPH Q ! use conic constant even in quick mode
ASPH 3 ! allow three aspheric terms: CC, 4th, 6th power of aperture
DELAY OFF ! these runs are fast, so don’t ask to continue on timeout
ANNEAL 10 1 Q ! anneal each case, temp 10 degrees, cool 1, including quick
SNAP 5 ! redraw PAD screen every five passes
STOP FIRST ! put the stop in front
STOP FIXED ! and keep it there
QUICK 50 50 ! run quick mode 50 passes, then real mode 50
NGRID 6 ! 6x6 grid of rays in pupil
NPASS 50 ! 50 passes in the MACro when finished
TOPD ! correct both transverse aberrations and OPDs
FOV 0.2.4.6.8 1 ! correct six field points
FWT 5 4 3 3 3 3 ! with these weights
COVER .3 1.51872 64 ! the cover glass will be 0.3 mm thick with this GLM
PLASTIC 1 3 5 7 ! the four elements will be plastic
END ! end of goals section
SPECIAL AANT ! start of special AANT section; these go into the merit fn.
ACC 1.0 ! center thickness no more than 1.0 mm
ACM .2 .1 .2 ! and no thinner than 0.2 mm
ACA 60 ! avoid critical angle; 60 degrees from surface normal
AEC .2 .1 .2 ! keep edges over 0.2 mm
M 1.35 10 A P YA 1 ! target the chief ray at three field points
M .945 10 A P YA .7 ! to control distortion
M .54 10 A P YA .4
END ! end of AANT section
GO ! DSEARCH runs
PROJ ! when it is finished, see how long the run took.
DSEARCH在其優(yōu)化MACro中的默認(rèn)邊緣控制目標(biāo)（1 mm），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監(jiān)視器替換它。 此外，監(jiān)視器默認(rèn)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顯示器不會讓厚度增加到超過1.0毫米從而替換默認(rèn)值25.4毫米。
這些顯示器控制的設(shè)置權(quán)重不會很高。這樣做是有目的的:如果你嚴(yán)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(shè)計，并且一開始并不太在意機械性能。當(dāng)我們得到一個好的設(shè)計，我們可以很容易地修改這些控制量，增加其權(quán)重，使以后的設(shè)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(rèn)NGRID為4的網(wǎng)格，并在六個視場進(jìn)行校正。 否則可能會有中間光瞳和鏡外視場區(qū)域失控。玻璃變量的界限也需要注意。當(dāng)我們得到一個好的設(shè)計時，我們將用來自U目錄(不尋常的材料)的塑膠材料替換模型玻璃，并且我們希望模型玻璃分布在塑膠材料的區(qū)域。任何指定的表面都被限制在下面的玻璃庫中。
紅點是在塑膠材料區(qū)內(nèi)。該程序?qū)⒃谒緟^(qū)域內(nèi)保留玻璃模型變量。那些到達(dá)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(shè)計，如下所示。
透鏡幾乎達(dá)到衍射極限，波前差都小于½波長。然而，0.75視場的TFAN值得懷疑。我們必須關(guān)注視場的像質(zhì)，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，多色，然后單擊RMS按鈕。光斑尺寸在0.7和0.9視場中最大。
該程序創(chuàng)建了一個優(yōu)化MACro，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(shù)值為0.037，我們有一個很棒的設(shè)計！
9 GTB H BSC7
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型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(xiàn)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(xué)玻璃 - 但它確實有塑料材料。 當(dāng)您指定U目錄時，ARGLASS程序（從MRG對話框運行）會自動選擇塑膠材料，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(shù)字順序替換鏡頭，或者可以對它們進(jìn)行分類，以便它首先取代最遠(yuǎn)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(dǎo)致光線故障。 程序調(diào)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(fā)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(xiàn)在都是真實的材料。 為了確保我們有一個最佳設(shè)計，我們刪除PANT文件中的GLM變量（或?qū)⑺鼈兏臑閱蝹�VLIST GLM ALL，這只會改變鏡頭中已有的GLM），并進(jìn)一步優(yōu)化。 現(xiàn)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(yōu)化。但是現(xiàn)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(jìn)行了更多優(yōu)化。 結(jié)果好多了！
M 0 .5 A P OPD 1 0 1
以下是此設(shè)計的MTF曲線。 它接近完美。
現(xiàn)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(shè)計達(dá)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，因此圖像必然會顯示cos ** 4變暗。 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，Airy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(shè)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(jié)果。 如果您計劃設(shè)計完成以后以電子方式進(jìn)行補償，這可能不是問題。 接下來執(zhí)行如下操作：
1.刪除（或注釋掉）SEARCH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(biāo)。
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(xiàn)在將更小 - 這更難校正，我們將外部兩個視場的權(quán)重從3.0增加到4.0。
MI
MII 0 1 A P OPD 1 0 -1
現(xiàn)在在DSEARCH上運行此版本，鏡頭結(jié)構(gòu)非常不同。 我們進(jìn)行了一些優(yōu)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(shù)上
M0 1 A P OPD 1 0 -1
并再次優(yōu)化。 鏡頭更好。
在優(yōu)化并使用MRG對話框插入真正的塑膠材料后，鏡頭如下：
MTF非常好，如下所示。
用命令繪制的照度相當(dāng)均勻
ILLUM 500 P
該操作確實引入了嚴(yán)重的畸變。 這是命令生成的圖
GDIS 21 G
結(jié)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(dá)式R ** 6分配給曲面。作為一項規(guī)則，最好從較小的項開始，然后在盡可能優(yōu)化結(jié)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(shè)計發(fā)送到一個尷尬的區(qū)域，這些區(qū)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(xiàn)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(yōu)化結(jié)果時添加更多約束，從而獲得了出色的結(jié)果。
2.注意DSEARCH輸入文件中的FNUM請求指定權(quán)重為10。如果我們不考慮權(quán)重因子，程序?qū)⑼ㄟ^近軸求解精確地控制F /number - 如果得到的半徑太大，則可能導(dǎo)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(quán)重。 然后程序向評價函數(shù)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(biāo)，如果我們分配了較低的權(quán)重，則F / number可能會比目標(biāo)值大。如果我們分配了更低的權(quán)重。這個程序?qū)鋈魏问虑閬頊p少評價函數(shù)，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(chǎn)生一個完美的圖像。所以我們指定了一個10的權(quán)重，這樣的解是一個最終平衡的結(jié)果。
3.在本例中，我們選擇將后焦距設(shè)為固定值。如果我們在BACK命令行上輸入權(quán)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(biāo)添加到AANT文件以將目標(biāo)優(yōu)化到設(shè)置的值。這兩種方法都有效，但是當(dāng)您定位所選光線的YA以控制像高時，最好自己設(shè)置該值。否則程序可能無法校正虛擬圖像，因為像高在優(yōu)化的過程中會發(fā)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(jìn)行小的隨機更改。這極大地改善了每種情況的優(yōu)化，但結(jié)果在運行期間不可重復(fù)。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(jié)果。我們?yōu)楸菊n程運行了幾次，上面顯示的結(jié)果是最好的。
5.這些設(shè)計很好地實現(xiàn)了我們的目標(biāo)。但是假設(shè)你不想用四個鏡片的透鏡。你能用三個鏡片設(shè)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正在搜索一個數(shù)量非常大的設(shè)計樹，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(nèi)容，例如RT參數(shù)，視場權(quán)重，監(jiān)視目標(biāo)等等 - 程序?qū)⑺阉鞑煌姆种Ъ⒎祷夭煌慕Y(jié)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(shù)情況下我們可以發(fā)現(xiàn)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(jié)果，以便您可以在閑暇時檢查它們。這是在此過程中返回的另一個鏡頭，經(jīng)過畸變校正。它與我們的第一個設(shè)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膠材料。如果你想要一些元件由玻璃材料和其他塑膠材料制成怎么辦？只需在DSEARCH輸入文件中聲明哪些元件是塑膠的，程序會將它們限制在可以找到塑膠材料范圍內(nèi)。另一方面，玻璃元件仍然可以在玻璃目錄的通常范圍內(nèi)自由移動。當(dāng)設(shè)計令人滿意并運行ARG時，如果選擇“U”目錄，程序?qū)H匹配塑膠材料元素 - 并且不會與任何其他目錄匹配。
