DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

H_r'q9@<>
在本课中，我们将从头开始，设计一个5片透镜镜头，然后看看在某处添加衍射光学元件（DOE）是否可以改善其性能。 8@*|T?r
这是个问题，由MDS对话框中的条目定义。这将创建一个MACro，它将运行DSEARCH命令，并填写所有数据。

该设计将输入F / 3.5，半场角为25度，孔径为12毫米。我们选择使用SPECIAL AANT代码来控制后焦距，这样可以后焦长度增大但不会让它小于22毫米。我们还要求主光线角度切线较小，权重较轻，符合ACA要求，因此我们不能在图像上获得具有大视场角的解决方案，并避免陡峭的光线折射。
当我们单击“确定”按钮时，程序会加载我们的MACRO。我们在顶部添加了CORE 16指令，以加快我们的8核超线程PC的速度，并指定一个长延迟（因此它不会要求中止其他内核，这可能需要更长时间）和一个网格数量为6（因为非球面和DOE会导致高阶孔径像差）。

$}c@S0%P"
    CORE 16 \36;csu
        DSEARCH 1  QUIET T7_ SO,X
        SYSTEM $Lbe5d?\
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY u! FSXX<
        OBB 0 25 12 $%"}N_M
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 Y>m=cqR
[<I `slK
        UNITS MM 2%yJo7f$[
        END %H~gN9Vn#@
        GOALS \@t5S
        ELEMENTS 5 <;Z3 5{
        FNUM 3.5 2cL)sP}
        BACK 0 0 DyTk<L
        TOTL 0 0 ~F6gF7]z
        STOP MIDDLE ?B!ZqJ#
        STOP FREE "4AQpD
        RSTART 50 100 200 400 \uPTk)oaB
        RT 0.5 D}U<7=\3H
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 j7 3@Yi%
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 oVsazYJ|?
        NPASS 100 =8D4:Ds
        DELAY 9999 <vuX " 8
        NGRID 6 RUtS_Z&
        ANNEAL 200 20 Q ~,1q :Kue
        COLORS 3 m =F@CA~C
        SNAPSHOT 10 ?7ZlX?D[
        QUICK 40 100 |;-r};
        END ng*E9Puu[
        SPECIAL PANT <~*Ol+/
j]D =\
        END !QspmCo+
        SPECIAL AANT 5hK\YTU
        ACA 60 .1 1 lM%fgyX
        ADT 6 .1 1 291|KG
        M 0 .01 A P HH 1 v('d H"Y
        LLL 22 1 1 A BACK rB?cm]G=
        LUL 250 1 1 A TOTL K! j*:{
    END {f3fc8(p
    GO

由于我们要实施DOE曲面，我们选择指定五个视场进行校正。当使用任何类型的非球面时，这是一个好习惯，因为否则可能会在指定的位置进行较好的校正，在其它未定义的视场进行较差的校正。
我们还为每种情况的曲率半径指定了四个不同的起始值，依次进行研究。请记住，即使对初始条件进行少量更改也可以将DSEARCH发送到镜头设计树的不同分支，这将使搜索的案例数量增加四倍。
我们运行这个MACro并且看到从DSEARCH回来的最好的镜头不是太好 - 但是你确定，只使用五个透镜，就能满足这些视场和速度的要求么？

我们可以通过请求更多的元件来获得更好的结果 - 但是我们希望通过将其中一个镜头更改为DOE来看看我们可以获得多少改进。该程序为我们创建了一个优化MACro，使得继续优化和模拟退火非常容易。我们来试试DOE。我们在顶部添加另一条MACro。（“ADA”表示自动DOE分配。）

wO%:WL$5
    ADA 5 QUIET p00AcUTq
`{_PSzM
    PANT (W!$6+GT
    VY 0 YP1 &/?jMyD@
    VLIST RD ALL 0Wm-`ZA
    VLIST TH ALL tY=TY{RY
    VY   1 GLM O3Mv"Py%
    VY   3 GLM w5jZI|
    VY   5 GLM j!)p NZW.<
    VY   7 GLM -=IM8Dny
    VY   9 GLM uJ\Nga<?
    END *)I1gR~
    AANT P AEC LL [>Uu?Y
    ACC VC7F#a*V
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 $'*BS
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 +cH(nZ*f
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 ii9/ UtIQ
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 FM[To
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 s+- aHn
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 $SR]7GZ
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 V+z)B+
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 I!D*(>
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 a6P.Zf7
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 3kY4V*9@-
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 -~f.>@Wb
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 Ghc0{M<
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 R2W_/fsG
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 p>S/6 [X
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 ,eCXT=6
      ACA 60 .1 1 e`F|sz]k"H
      M 0 .01 A P HH 1 FG:BRS<m~
      LLL 22 1 1 A BACK W<o0Z OO
      LUL 250 1 1 A TOTL m)}MkC-
    END *rT(dp!Y
    SNAP/DAMP 1 Bnq\Gg
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

xS1|Z|&
command ASY shows the data of this DOE. ze)K-6SKH
Al}PJz\
SPECIAL SURFACE DATA F9w&!yW:
______________________________________________________________________________ t@M] ec
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) uD5yw#`
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 [{$0E=&0
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 :`1g{8.+
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 k1zt|
DIFFRACTION ORDER:        -1 [bJnl>A
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) MDt?7c
XD 13  5.395981E-06 (R**6)  XD 14  6.889557E-06 (R**8)

这只是一个非常小的改进。我们很好奇如果我们增加第二个DOE将会发生什么。这很容易测试。将变量添加到我们刚刚添加的DOE术语的PANT文件中。

)W|jt/
    VY 1 G 16 [)n}!5fE
    VY 1 G 26 oW6<7>1M7
    VY 1 G 27 " SqKS,J
    VY 1 G 28 Dj(7'jT
    VY 1 G 29

然后再次运行MACro。这次它需要表面9的DOE。

评价函数有很大改进。我们修改了PANT文件，因此它会改变两个DOE上的系数，并包括一些高阶项。系数G32是12次幂系数，而ADA的默认值仅为8次幂。（我们谨慎地注销ADA命令，所以我们没有得到第三个DOE！）

|LH*)GrD*t
    !ADA 5 QUIET Ct+%
Qe.kNdT+_
    PANT uiA:(2AQ
    VY 0 YP1 ',Pk>f]AB-
    VLIST RD ALL VTfaZ/e.
    VLIST TH ALL Q}]kw}b
    VY   1 GLM i]%"s_l
    VY   3 GLM {`CWzk?
    VY   5 GLM aZ`agsofk
    VY   7 GLM F6VIH(
    VY   9 GLM f`=T@nA
5V8C+k)
    VY 1 G 16 =XlIe{
    VY 1 G 26 Uy|=A7Ad c
    VY 1 G 27 -wMW@:M_
    VY 1 G 28 [{LnE:
    VY 1 G 29 #2ASzCe
    VY 1 G 30 [qMdOY%jx
    VY 1 G 31 z ]N~_9w
    VY 1 G 32 KXCmCn
9yw/-nA
    VY 9 G 16 dU3>h[q
    VY 9 G 26 X$Vz
    VY 9 G 27 }(EOQ2TI
    VY 9 G 28 dU^<7 K:S
    VY 9 G 29 Ab<Ok\e5
    VY 9 G 30 _x1[$A,GuB
    VY 9 G 31 N@a'd0oTd
    VY 9 G 32 BG0Mj2
    END }_l -'t
    …

现在我们再次运行它，然后模拟退火。

哇！当使用两个DOE进行优化时，DSEARCH返回的镜头的评价函数从0.944下降到0.061。（L19L1）看到我们需要多少球面元件来获得这种质量会很有趣，但我们会为学生留下这个练习。肯定会超过五个。

(H%d]
    RLE 3N0X?* (x|
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 &ntP~!w
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 C_ZD<UPA\
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 m{dyVE
     APS               1  UNITS MM h21(K}
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR I4f
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 5=h'!|iY
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 *u;">H*BW
     CWAV        0.587600 ]O=S2Q
     HIN        1.517000       55.000000 $"{3yLg
       RNORM    61.6138 %g@3S!lK
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 'qF3,Rw
       1 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00    1 XDD  3   1.6576954E+01 -1.5772577E+02  5.5355850E+02 -1.2824350E+03  2.0288263E+03 7r[%|:
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 PeUd
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR ^~<Rzq!
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 3kqV_Pjg
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 Etc?;Z[F#
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR \M"^Oe{Dy?
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 j[J@tM#
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 K[>@'P}y
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR '}pgUh_
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 P[GX}~_k
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 jw(>@SXz
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR (GcKaUg8*
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 ~{,vg4L
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 y(3c{y@~X
       9 USS  16 Xtu`5p_Qv
     CWAV        0.587600 Lr?4Y
     HIN        1.517000       55.000000 `KJYm|@i
       RNORM    17.8887 -wRyMY_D
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 y.*=Ww+
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 %6IlE.*,
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 Cs[7% j
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 [X">vaa
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR ')u5l
      10 CV      -0.00643491 ]O7.ss/2
      10 UMC     -0.14285714 sE%<"h\_0
      10 TH     127.09309610 gAr`hXO
    10    YMT      0.00000000 hLytKPgt
    11    CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR  END

本课程展示了如何将镜头表面转换为DOE可以显著提高图像质量 - 或者让您以更少的元件获得所需的质量。当然，这完全取决于镜头供应商是否可以制造DOE。这些可能不太容易。这是表面2处的DMASK配置文件：

这是表面9的轮廓

第二个可能是对加工厂的挑战。我们来看一下空间频率。使用MMA打开MAP对话框，选择HSFREQ over PUPIL，对象点0，Ray Pattern CREC 9，DIGITAL和Execute。最高频率在边缘处超过7 c / mm。这看起来很不错，但这当然取决于制作它们加工厂的能力和技术。

我们希望随着这项技术的改进，这里提出的设计将变得越来越实用。无论如何，最好是先于技术而不是跑到后面试图跟上。正如您所见，SYNOPSYS™的ADA功能处于领先地位。我们邀请具有DOE能力的镜头供应商对本课进行评论，并可能提供他们今天所理解的见解和设计权衡。

optics1210	2019-01-20 11:37
DOE设计，在SYNOPSYS中含多种DOE的设计功能。

查看本帖完整版本: [-- DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件 --] [-- top --]