?光學(xué)設(shè)計中最強最快優(yōu)化算法

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。它們通常是小的塑料元件，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，使某些尺寸保持在非常緊密的公差范圍內(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?用戶手冊中的這一強大功能。 我們在此給出一個如何將DSEARCH用于典型系統(tǒng)的示例。

我們應(yīng)該在這里提一些微妙的考慮因素。 首先，這些將是非常小的鏡頭，而DSEARCH在其優(yōu)化MACro中的默認(rèn)邊緣控制目標(biāo)（1 mm）太厚了。 所以我們用自己的AEC監(jiān)視器覆蓋它。 此外，默認(rèn)的最小空氣間隔和厚度監(jiān)視器1毫米，也太厚，被我們自己的0.2毫米ACM覆蓋。 我們增加的ACC顯示器不會讓厚度增加到超過1.0毫米，覆蓋默認(rèn)值25.4毫米。

這些顯示器輸入時很弱。這樣做是有目的的:如果你強烈地控制這些項目，DSEARCH將傾向于那些不會冒犯它們的設(shè)計——但是我們希望這個程序能支持圖像錯誤較小的設(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監(jiān)視器，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)的塑料替換模型玻璃，并且我們希望模型玻璃掉在塑料的區(qū)域。這是輸入文件中的塑料聲明的目的。任何指定的表面都被限制在下面的玻璃地圖上。

紅點是目前在不尋常的材料目錄(U)中的塑料。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(因為這個區(qū)域很小，所有的玻璃都是)會沿著邊界上下滑動。

好的，我們運行上面列出的DSEARCH MACro，大約八分鐘后，我們看到程序找到的最佳設(shè)計，如下所示。

這是驚人的。透鏡幾乎是衍射極限，直接來自DSEARCH。波前差都小于?波。然而，0.75視場的TFAN值得懷疑。我們必須關(guān)注視場的表現(xiàn)，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并退火。 MF出現(xiàn)在0.037，我們有一個很棒的設(shè)計！

現(xiàn)在是時候切換到真正的透鏡 - 但首先我們將表面9上的材料更改為客戶想要使用的真實玻璃：Hoya型BSC7。 為此，我們打開WorkSheet（WS）并鍵入編輯窗格

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）會自動僅選擇塑料，并且僅替換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，或者它可以對它們進(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)在到處都是真實的材料。 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。 我們就快實現(xiàn)了。 現(xiàn)在是時候嘗試更多的非球面術(shù)語了。 我們在PANT文件中添加了這些行：

? ?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開始向上邊緣光線飛去。

因此，我們在AANT文件中添加了一個新行，并進(jìn)行了更多優(yōu)化。 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。

再來一個

這是一個開始，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)計是在衍射極限，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，在邊緣處切向方向是6.2，在矢狀面是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。 除非你讓畸變變大，否則你無法得到它。 如果您計劃事后以電子方式進(jìn)行補償，這可能不是問題。 接下來做：

刪除（或注釋掉）SEARCH輸入的SPECIAL AANT部分中的那一行，這些行在三個視場點為主光線YA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

添加一些新要求。 這些將控制五個視場點的相對照度。

? ?M1 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

由于場的邊緣處的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
? ?MII0 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MF添加到線上

? ?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料后，這是鏡頭：

MTF非常好，如下所示。

并且用命令繪制的照度相當(dāng)均勻：

? ?ILLUM 500 P

該計劃確實引入了嚴(yán)重的畸變。 這是命令生成的圖：

? ?GDIS ?21 G

結(jié)尾

我們讓它看起來很簡單，如果你按照上面的步驟操作。 但是當(dāng)然，鏡頭設(shè)計在所有的步驟中可能會變糟，而且第一次事情并不總是完美無缺。 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非球面計數(shù)為3;將表達(dá)式R ** 6分配給曲面。如果您使用的約束少于或多于此，會發(fā)生什么？作為一項規(guī)則，最好從較小的數(shù)字開始，然后在盡可能優(yōu)化結(jié)果后添加更多數(shù)字，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)出焦散或大光線角度，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; 這比表面看起來更重要。 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，對于像這樣的快速鏡頭，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，我們沒有以圖像高度為目標(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，這樣解看起來就不會那么吸引人了。

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文件以將其驅(qū)動到所請求的值。這兩種方法都有效，但是當(dāng)您定位所選光線的YA以控制圖像高度時，最好自己設(shè)置該值。否則程序可能無法校正虛擬圖像，因為圖像高度必須在過程中改變。

4.請記住DSEARCH使用退火功能（如果您要求它，這幾乎總是一個好主意），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一些配置。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)你不想用四個透鏡鏡頭那么大的成本。你能用三個元透鏡設(shè)計出來么？試一試，找出來！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正在搜索一個非常濃密的設(shè)計樹，并且每次都無法檢查每個分支。如果您更改DSEARCH輸入中的幾乎任何內(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Ъ⒎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料。如果你想要一些元件由玻璃和其他塑料制成怎么辦？簡單。只需在DSEARCH輸入文件中聲明哪些元件是塑料的，程序會將它們限制在可以找到塑料的較小范圍內(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匹配塑料元素 - 并且不會與任何其他目錄匹配。確實很簡單。

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