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解决方案

SYNOPSYS 光学设计软件课程二十六：融会贯通

在本课中，我们将进行一项高难度的镜头设计任务，该任务将包含您在之前课程中学到的许多强大功能。

这种镜头须在0.38到0.9微米的波长范围内工作。此外，我们希望镜头光圈数F / 0.714。以下是要求：

1. 光源在无穷远处，0.8度半视场，1.26毫米半孔径。 2. 光谱范围0.38至0.9微米。 3. F/number 0.714 4. 总长不超过45毫米。 5. 良好的畸变校正。 6. 像方远心。 7. 无薄边边缘，中心厚度不超过8毫米

这个任务可能需要10个镜片，但是我们想逐渐增加镜片。我们为DSEARCH设置了输入，要求提供8个镜片的透镜。这将为我们提供一些潜在的初始结构，一旦我们看到事情的进展，就可以根据需要增加复杂性。由于光谱范围很宽，我们选择指定五个波长而不是通常的三个波长，以避免中间波长的误差。

    CORE 14
    DSEARCH 3 QUIET

    SYSTEM
    ID EXAMPLE WIDE-SPECTRUM FAST LENS
    UNI MM
    OBB 0 0.8 1.26
    WA1 0.9 0.77 0.64 0.51 0.38
    CORDER 3 1 5
    END

    GOALS
    ELEMENTS 8
    FNUM 0.7143 100
    BACK 0 0
    TOTL 0 0
    STOP FREE
    COLORS M
    RSTART 10
    THSTART .25
    ASTART 0.1
    RT 0.7
    OPD
    QUICK 50 50
    ANNEAL 200 20 Q
    END

    SPECIAL PANT
    SLIMIT 100 0.1

    END

    SPECIAL AANT 	 ! SMALL ELEMENTS; CAN BE CLOSE TOGETHER小透镜; 可以一起关闭

    AEC .1 1 .05 	 	! edge monitor边缘探测器
    ACM .1 1 .05 	 	! minimum element TH 透镜最小厚度
    ACC 8 1 0.5  	! maximum TH最大透镜TH
    ACA 70 1 1  	 	! avoid critical-angle refraction避免临界角度折射
    LUL 45 1 1 A TOTL ! limit track length 限制总长
    A BACK
    M 0.5 1 A BACK 	 	! want image clearance of 0.5mm
    		想要0.5mm的图像间隙
    M 0 1 A P YA 1 S GIHT 	 	! control distortion控制畸变
    M 0 1 A P HH 1 END 	 	! and make telecentric 使其远离中心

    GO

运行这个文件，在不到一分钟的时间内获得一个不错的起点。 DSEARCH为我们创建了一个优化MACro，在运行它然后运行了几个周期后，我们得到了这个设计：

由于色差校正将是一个挑战，下一步是找到一些有可能制造“超消色差”的透镜。使用命令MGT打开玻璃库，选择Schott玻璃库，单击图形按钮，然后选择底部选项，以绘制P *与P **。需要三种玻璃在一条长线上。按住单击镜片P-SF68，它定义了线的底部，然后单击镜片N-PK52A，定义顶部。

看到玻璃N-F2吗?它在线的中心附近。这给了三种类型的玻璃，但是我们还不知道该给哪个透镜赋值。不要担心:GSEARCH可以告诉我们。

接下来创建两个文件。第一个是普通的优化文件。使用DSEARCH为我们很好地创建的MACro，删除GLM变量并请求40次运行。如果上述玻璃组合导致光线追迹失败，，须要求优化程序运行自动光线故障修复程序。

    PANT
    SLIM 100 0.1
    	VY 0 YP1  	! let the program find the best stop position 让程序找到最佳光阑位置
    VLIST RD ALL
    VLIST TH ALL
    END
    AANT P
    M   0.140000E+01  0.100000E+03 A CONST 1.0 / DIV FNUM
    GSR     0.500000     1.000000      4  M    0.000000
    GNR     0.500000     1.000000      4  M    0.500000
    GNR     0.500000     1.000000      4  M    1.000000
    AEC .1 1 .05
    ACM .1 1 .05
    ACC 8 1 0.5
    ACA 70 1
    LUL 45 1 1 A TOTL
    A BACK
    M 0.5 1 A BACK
    M 0 1 A P YA 1
    S GIHT
    M 0 1 A P HH 1
    END
    SNAP 10
    SYNOPSYS 40 0 FIX 30

我们保存文件并命名为GSOPT.MAC，因此会产生第二个宏去驱使GSEARCH运行我们想要的结果。(L26M3)

    GSEARCH 3 QUIET LOG
    SURF
    1 3 5 7 9 11 13 15
    END
    NAMES
    S N-PK52A
    S N-F2
    S P-SF68
    END
	USE 3  	 	! 仅允许使用所有三种玻璃类型的情况
    GO

然后我们运行这个文件。

我们得到的结果如下：

这已经接近要求 - 但让我们尝试其他的东西。超消色差的理论适用于薄透镜，并且这些薄透镜不是很薄。回到DSEARCH的结果，这一次要求GSEARCH从Schott目录中找到相应玻璃，与目前的玻璃相差不远。将GSEARCH MACro更改为

    GSEARCH 3 QUIET LOG
    SURF
    1 3 5 7 9 11 13 15
    END
    NEAREST 3 P
    S
    END

    GO

然后再次运行它。结果更好，如下所示。

我们是否可以用更少的透镜来达到我们的目的?使用自动透镜删除功能很容易找到。在优化MACro的顶部添加一个新的命令行：

    AED 3 QUIET 1 16

并再次运行它。程序检测到您可以删除透镜5。点击OK（删除该透镜），从MACro中删除AED行，然后重新优化并模拟退火。现在你得到了这个：

只需要七个镜片！让我们来看看MTF效果。

    FCO 0
    MFF
    ICOL M
    HBAR 0 .5 .75 1
    GBAR 0
    PLOT

让我们看看后焦点位置与波长的函数。输入AI句子

我们完成了吗？让我们看看后焦点位置与波长的函数有多稳定。输入AI句子

    PLOT BACK FOR WAVL = .38 TO .9

在这个宽谱范围内，近轴焦点位置仅变化约0.6 uM。是的，这是一个很好的镜头！在你真正制作镜头之前，请将光阑移动到表面5 - 但这对于本课来说已经足够了。您可以看到SYNOPSYS如何轻松应对这一具有挑战性的问题。

如果七个镜片的结果不够好怎么办？那么，您可以尝试自动透镜插入功能，添加该命令行

    AEI 3 1 14 CONLY 100 1 10 50

到MACro的顶部。这将在所有当前镜头的每一侧依次添加胶合透镜，然后返回最佳效果的组合。使用这些工具，您可以选择其中一种方式如果您还想尝试空气间隔，请将CONLY更改为CEMENT。然后他们也将进行测试。

如果我们在P * -P **图上选择不同的行，会发生什么？这会给我们三种不同的玻璃尝试。在尝试之前，你永远不会知道还有什么可能比这更好。

当你拥有如此多的强大工具时，探索其他组合很有趣并且往往是有益的。

如果你想了解我们优秀镜头的属性，这里是RLE文件：

    RLE
    ID EXAMPLE WIDE-SPECTRUM FAST LENS       50760
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000001011101     93
     FNAME 'DSEARCH07.RLE                                     '
     MERIT   0.252142E-03
     LOG    50760
     WA1 .9000000 .7700000 .6400000 .5100000 .3800000
     CORDER   3   1   5   2   4
     WT1 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000 1.00000
     APS               1  UNITS MM
     OBB  0.000000      0.80000      1.26000     -0.14478      0.00000      0.00000      1.26000    0 AIR
       1 RAD    -12.3575888493127   TH      8.00349843
       1 N1 1.70683888 N2 1.71075605 N3 1.71661866 N4 1.72704962 N5 1.75095371
       1 CTE   0.568000E-05
    1	GTB S    'N-LAK10         '
    2	RAD      5.6036307276255   TH      0.42904026 AIR
    3	RAD      8.4130780171013   TH      6.59790611
       3 N1 1.73259261 N2 1.73873215 N3 1.74890937 N4 1.76882390 N5 1.82136771
       3 CTE   0.800000E-05
    3	GTB S    'SF4             '
    4	RAD     -9.1818032305934   TH      5.54967141 AIR
    5	RAD    -56.1367087651872   TH      8.00224863
       5 N1 1.87928012 N2 1.88604915 N3 1.89699697 N4 1.91801250 N5 1.97244514
    5	GTB S    'N-LASF46B       '
    6	RAD      4.8482482223468   TH      0.10000000 AIR
    7	RAD      4.3440291976542   TH      1.00000148
       7 N1 1.49128809 N2 1.49299454 N3 1.49554375 N4 1.50001997 N5 1.50986013
       7 CTE   0.130100E-04
    7	GTB S    'N-PK52A         '
    8	RAD     -5.7980974504808   TH      0.10000000 AIR
    9	RAD      3.1580916229850   TH      1.00865373
       9 N1 1.49128809 N2 1.49299454 N3 1.49554375 N4 1.50001997 N5 1.50986013    9 CTE   0.130100E-04
    9	GTB S    'N-PK52A         '
    10	RAD     -6.1466379437070   TH      0.12251679 AIR
    11	RAD     -5.2492188361156   TH      6.03606534
      11 N1 1.88762683 N2 1.89708892 N3 1.91293610 N4 1.94491007 N5 2.03856725
      11 CTE   0.590000E-05
    11	GTB S    'N-SF66          '
    12	RAD     -7.8896787646760   TH      0.10004337 AIR
    13	RAD      1.1618206771614   TH      1.00000000
    13	N1 1.87928012 N2 1.88604915 N3 1.89699697 N4 1.91801250 N5 1.97244514   13 GTB S    'N-LASF46B       '
    14	RAD      1.0699320226013   TH      0.49970566 AIR
      14 TH       0.49970566
    14	YMT      0.00000000
    15	CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR  END

你认为你可以通过不同的镜头设计程序快速找到这种设计吗？我们不这么认为。尝试一下，如果它成功的话，让我们知道它花了多长时间。