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SYNOPSYS 光学设计软件课程五: 改进另一个程序设计的透镜

在本课中，我们将应用一些最新的工具，来判定透镜的性能是否可以进一步提高。

这是初始结构，包含三个视场点的MTF曲线。（输入MMF，选择多色选项，然后单击执行。）（下图中开关85打开后，显示红色的红外波长。）

RLE
ID EXAMPLE LENS 53
 WAVL .7150000 .7100000 .7050000
 CORDER 1 3 2
 APS -11
 TEMPERATURE 30.00000
 WAP 3
 GTZ
 UNITS MM
 OBB 0.000000 15.20000 6.24500 -13.54114 0.00000 0.00000 6.24500
 0 AIR
 1 CV 0.0000000000000 TH 4.50000000
 1 N1 1.45505601 N2 1.45516542 N3 1.45527657
 1 DNDT 1.090E-05 9.960E-06 9.700E-06 3.65000E-01 5.46000E-01 6.44000E-01
 1 CTE 0.500000E-06
 1 GTB U 'FUSILICA'
 2 CV 0.0000000000000 TH 1.00000000 AIR
 3 RAD 31.3000000000000 TH 9.80000000
 3 N1 1.73585988 N2 1.73610163 N3 1.73634814
 3 CTE 0.806000E-05
 3 GTB S 'N-LAF2'
 4 RAD 111.9000000000000 TH 1.50000000 AIR
 5 RAD 28.2100000000000 TH 4.00000000
 5 N1 1.51269554 N2 1.51282313 N3 1.51295285
5 CTE	0.710000E-05
5 GTB S	'N-BK7'
6	RAD	14.2600000000000	TH	8.50000000	AIR
7	RAD	-46.1600000000000	TH	3.40000000
7 N1 1.51269554 N2 1.51282313 N3 1.51295285
7 CTE	0.710000E-05
7 GTB S	'N-BK7'
8 RAD	19.3000000000000	TH	3.00000000 AIR
9 RAD	28.1400000000000	TH	4.80000000
9 N1 1.51269554 N2 1.51282313 N3 1.51295285
9 CTE	0.710000E-05
9 GTB S	'N-BK7'
10 RAD	-47.0000000000000	TH	1.00000000 AIR
11 CAO	4.90993000	0.00000000	0.00000000
11 CV	0.0000000000000	TH	13.20000000 AIR
12 RAD	-24.2000000000000	TH	3.20000000
12 N1 1.83018573 N2 1.83066058 N3 1.83114590
12 CTE	0.846000E-05
12 GTB S	'N-SF57'
13	RAD	150.0000000000000	TH	1.20000000	AIR
14	RAD	269.0000000000000	TH	10.00000000
14	N1 1.51269554 N2 1.51282313 N3	1.51295285
14	CTE	0.710000E-05
14	GTB S	'N-BK7'
15	RAD	-22.6200000000000	TH	1.00000000	AIR
16	RAD	-1000.0000000000000	TH	6.70000000
16	N1 1.73585988 N2 1.73610163 N3	1.73634814
16	CTE	0.806000E-05
16	GTB S	'N-LAF2'
17	RAD	-48.1100000000000	TH	1.00000000	AIR
18	RAD	70.1900000000000	TH	6.20000000
18	N1 1.73585988 N2 1.73610163 N3	1.73634814
18	CTE	0.806000E-05
18	GTB S	'N-LAF2'
19	RAD	-725.0000000000000	TH	2.00000000	AIR
20	CV	0.0000000000000	TH	3.60000000
20	N1 1.51269554 N2 1.51282313 N3	1.51295285
20	CTE	0.710000E-05
20	GTB S	'N-BK7'
21	CV	0.0000000000000	TH	36.90500000 AIR
22	CV	0.0000000000000	TH	0.00000000 AIR
END

该透镜在近红外光工作，工作数 F / 3.5，且是远心的，具有低畸变，受衍射限制。初步评价，这种设计并不差，只有不到1/4波长的像差。

视场上的最大畸变刚刚超过½微米，远心距离的最大偏差约为0.01弧度。性能还不错- 但如果我们能够进一步提高它的性能，这将为我们提供更多的公差余地。

这是我们的优化MACro：

CHG
WAP 1	                        ! keep entering beam diameter constant over field
19 UMC -0.14286	                ! maintain F/number
CFREE	                        ! remove the clear aperture at the stop
END

PANT
VY 0 YP1	                    ! let the program find the best stop location
VLIST RAD ALL	                ! all radii will change except 19 and the flat windows
VLIST TH ALL EXCEPT 1 LB2	    ! and all thicknesses except 1 and 20
END

AANT
AEC	                            ! monitor feathered edges
ACC	                            ! and keep thicknesses less than 25.4 mm
M 89.6 1 A TOTL	                ! keep total lens length constant
M 0 50 A GIHT	                ! control distortion at full field
S P YA 1

M 0 50 A GIHT	                ! and at half field
DIV CONST 2

S P YA .5

M 0 20 A P HH .7	            ! control telecentricity at 0.7 field

GSO 0 0.1 5 M 0	                ! correct OPDs of ray grids at three fields
GNO 0 0.05 4 M .7
GNO 0 0.05 4 M 1 END

SNAP	                        ! get snapshot every iteration
SYNO 30	                        ! optimize for 30 cycles.

（创建这组光线网格像差的最简单方法是使用MACro编辑器中的Ready Made Raysets按钮。在这种情况下，我们选择了第8组，它创建了横向目标和OPD目标，然后选择删除横向目标并且在全视场增加OPD目标的权重.Bare-bones Rayset对话框也可以这样做，然后有更多选项。）

我们进行优化，然后运行模拟退火几个周期。透镜有所改善。

现在让我们使用一些强大的工具。首先，我们运行自动元件删除功能。这会找到可以移除的元件，而对评价函数的性能降低最小。为此，我们只需添加该行命令

AED 3 Q 3 19	! find which element to delete between surfaces 3 and 19.

将该命令加到PANT命令之前，然后重新优化。该程序显示可以移除表面14处的镜片。我们允许它删除该元件，然后对其进行优化和模拟退火（在注释掉AED行之后，我们不会删除另一个元件或删除顶部的CHG文件）。

正如预期的那样，透镜性能有所下降，但仍然不错。现在我们将使用元件自动插入功能，以查看透镜是否会恢复到以前的镜片数，结果是否比起始透镜更好？

为此，我们将AED线更改为

AEI 3 3 17 0	! insert one element between surfaces 3 and 17.

并再次运行MACro。（如果您有多核电脑，则在MACro的顶部还应添加以下命令，其中nb是核心数。这将以更快的速度运行AEI。）

CORE nb

在MACro的顶部，其中nb是核心数。这将以更快的速度运行AEI。）

程序在表面12之前插入了一个元件。我们添加一个新变量

VY 12 GLM

到PANT文件，所以新元件上的玻璃模型可以变化，注释掉AEI命令行，重新优化并模拟退火。

该程序已将透镜内的孔径位置移动到9.如果透镜有固定孔径，我们可以在该元件上切一个凹槽，并获得极好的性能 - 但如果没有，我们会为表面11分配一个真正的孔径，移除 YP1的变量，并再次重新优化。我们得到如下透镜：

RLE
ID EXAMPLE LENS	                            141
WAVL .7150000 .7100000 .7050000

CORDER	1	3	2
APS		        -11
TEMPERATURE		30.00000
WAP                 1
GTZ
UNITS MM
OBB	0.000000	  15.20000    6.24500       -11.63722       0.00000     0.00000
6.24500
    0	AIR
    1	CV	0.0000000000000	TH	4.50000000
    1	N1 1.45505601 N2 1.45516542 N3 1.45527657
    1	DNDT	1.090E-05	9.960E-06	9.700E-06 3.65000E-01
    1	CTE	0.500000E-06
    1	GTB U	'FUSILICA	'
    2	CV	0.0000000000000	TH	1.00000000 AIR
    3	RAD	31.7420365099046	TH	4.89311077
    3	N1 1.73585988 N2 1.73610163 N3 1.73634814
    3	CTE	0.806000E-05
    3	GTB S	'N-LAF2	'
    4	RAD	205.8474850968830	TH	6.35592001 AIR
    5	RAD	31.8551157618315	TH	1.39568729
    5	N1 1.51269554 N2 1.51282313 N3 1.51295285
    5	CTE	0.710000E-05
    5	GTB S	'N-BK7	'
    6	RAD	12.9057883346246	TH	7.19477052 AIR
    7	RAD	-23.8475364230033	TH	1.00000000
    7	N1 1.51269554 N2 1.51282313 N3 1.51295285
    7	CTE	0.710000E-05
    7	GTB S	'N-BK7	'
    8	RAD	18.0286949741191	TH	1.24241640 AIR
    9	RAD	21.7606620988429	TH	11.21030691
    9 N1 1.51269554 N2 1.51282313 N3 1.51295285
    9 CTE	0.710000E-05
    9 GTB S	'N-BK7	'
    10	RAD	-27.0144706600627	TH	1.00000000 AIR
    11	CV	0.0000000000000	TH	15.36917292 AIR
    12	RAD	-221.0555600124851	TH	3.83402160
    12	GLM	1.73264979		52.69907560
    13	RAD	-18.9307423606996	TH	1.00000000 AIR
    14	RAD	-18.3189387535143	TH	1.00000790
    14	N1 1.83018573 N2 1.83066058 N3	1.83114590
    14	CTE	0.846000E-05
    14	GTB S	'N-SF57	'
    15	RAD	77.6676600402005	TH	8.59463594	AIR
    16	RAD	-98.5742040515266	TH	3.91807638
    16	N1 1.73585988 N2 1.73610163 N3	1.73634814
    16	CTE	0.806000E-05
    16	GTB S	'N-LAF2	'
    17	RAD	-31.6148606190401	TH	5.55657931	AIR
    18	RAD	90.9510179315515	TH	5.93527419
    18	N1 1.73585988 N2 1.73610163 N3	1.73634814
    18	CTE	0.806000E-05
    18	GTB S	'N-LAF2	'
    19	RAD	-60.9109375555036	TH	1.00003786	AIR
    19	CV	-0.01641741
    19	UMC	-0.14286000
    20	CV	0.0000000000000	TH	3.60000000
    20	N1 1.51269554 N2 1.51282313 N3	1.51295285
    20	CTE	0.710000E-05
    20	GTB S	'N-BK7	'
    21	RAD -1.1487695061324E+17	TH	43.52197472	AIR
    21	CV	-8.70496644E-18
    21	UMC	-0.14286000
    22	CV	0.0000000000000	TH	0.00000000 AIR
END

该程序在表面14处移除了原始透镜元件，并在12处更换了新镜片。最大畸变现在约为1/4微米（是原来的一半）。然后，我们在表面12处用玻璃模型替换了表面3上使用的玻璃，并重新优化，几乎没有性能损失。（当您自己学习这些课程时，由于退火阶段的随机性，您可能会得到略微不同的结果。）

SYNOPSYS 光学设计软件课程五: 改进另一个程序设计的透镜

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