DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

V^ fGRA
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。 Vgqvvq<S
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）。

:n+y/6*
    CORE 16 Pv7f _hw
        DSEARCH 1  QUIET I[g?Ju >
        SYSTEM P )t]bS
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY z^P* :
        OBB 0 25 12 *CH!<VB/
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 ^fE\S5P
0H OoKh
        UNITS MM k+WO &g*|
        END sd]54&3A
        GOALS v7o?GQ75
        ELEMENTS 5 L876$
        FNUM 3.5 6z9R1&~%
        BACK 0 0 VQy9Y
        TOTL 0 0 d,Cz-.'sOf
        STOP MIDDLE _[}G(<
        STOP FREE 4i_spF-3
        RSTART 50 100 200 400 ZL4l (&"
        RT 0.5 P9 {}&z%:
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 .)iO Du
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 <=;H[} e
        NPASS 100 o,S!RG&
        DELAY 9999 *F\T}k7
        NGRID 6 ]> nPqL
        ANNEAL 200 20 Q 6WA|'|}=
        COLORS 3 %^a]J"Ydi8
        SNAPSHOT 10 DC?21[60
        QUICK 40 100 "XGD:>Q.
        END tt+>8rxF:;
        SPECIAL PANT bK?1MiXb
)ZT6:)
        END 'ox0o:
        SPECIAL AANT |. J,8~x
        ACA 60 .1 1 zW%>"y
        ADT 6 .1 1 ?!bd!:(N
        M 0 .01 A P HH 1 FovE$Dj]
        LLL 22 1 1 A BACK 4=u+ozCG
        LUL 250 1 1 A TOTL M0cd-Dn
    END %*$5!;
    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。）

dv"as4~%
    ADA 5 QUIET gO+\O
O4m(Er@a
    PANT @)o0GHNP
    VY 0 YP1 gzVtxDh
    VLIST RD ALL )HEfU31IC
    VLIST TH ALL MVeFe\r
    VY   1 GLM Xl#Dw bx
    VY   3 GLM (V$Zc0
    VY   5 GLM K@q&HV"'.
    VY   7 GLM SXQ@;=]xV
    VY   9 GLM ?Fce!J
    END X6Un;UL
    AANT P AEC uc'p]WhQ
    ACC ID)^vwn
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 'z)hG#{I
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 ]53O}sH>
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 dw~[9oh
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 ( :
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 haCKv
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 \,2gTi,=
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 "\7v
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 o*X]b]
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 |z:Q(d06
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 >L8?=>>?\
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 $K})Q3FNi
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 `AR"!X
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 RL6Vkd?
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 Nu@5 kwH
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 }7.#Dj/r6
      ACA 60 .1 1 ;>DHD*3X
      M 0 .01 A P HH 1 cg,Ua!c
      LLL 22 1 1 A BACK jO=*:{#x
      LUL 250 1 1 A TOTL _mXs4
    END D z@1rc<B
    SNAP/DAMP 1 0E-pA3M6
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

fuMN"T 6%+
command ASY shows the data of this DOE. |=O1Hn
JT04vm4
SPECIAL SURFACE DATA bw9 nB{C<
______________________________________________________________________________ lkb2?2\+
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) Z ] '>
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 oCVku:.
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 {SJsA)9:#
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 sm
DIFFRACTION ORDER:        -1 gXt O*Rfqk
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) +Qs!Nhsq
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。

!{(ls<
    VY 1 G 16 tw<P)V\h
    VY 1 G 26 =2%VZE7Vm
    VY 1 G 27 L6+C]t}>6
    VY 1 G 28 lm$;:Roj*
    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！）

-w]/7cH
    !ADA 5 QUIET UW6VHA>
e[{mVhg4E
    PANT .*Vkua
    VY 0 YP1 =We2^W-{
    VLIST RD ALL FaY_0G;y
    VLIST TH ALL +AoP{x$Ia
    VY   1 GLM =u=Kw R
    VY   3 GLM J4>;[\%m
    VY   5 GLM "Zcu[2,
    VY   7 GLM $mpO?D J~
    VY   9 GLM ARF\fF|<2
]g,lRG
    VY 1 G 16 xQU"A2{}>
    VY 1 G 26 8eJE>g1J
    VY 1 G 27 Ie@Jb{x
    VY 1 G 28 Uw)=WImz[
    VY 1 G 29 YJ,*(A18
    VY 1 G 30 s8vKKvs`9
    VY 1 G 31 l5k?De_(x
    VY 1 G 32 NiA4JgM]v
I9&lO/c0
    VY 9 G 16 ?:igumeYX
    VY 9 G 26 M'2r@NR8
    VY 9 G 27 Y:psZ
    VY 9 G 28 W`M6J}oG
    VY 9 G 29 kRlA4h1u_$
    VY 9 G 30 ',)7GY/n~
    VY 9 G 31 (0L=AxH
    VY 9 G 32 OJ1tV% E
    END P!e=b-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。

m`}{V5;
    RLE #U ASH&
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 q3h'l,
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 (3;@^S4&w
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 BStk&b
     APS               1  UNITS MM "9XfQ"P
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR }x:f%Z5h
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 ~L{l+jK$p
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 YGk9b+`
     CWAV        0.587600 V.=lGhi
     HIN        1.517000       55.000000 #;Tz[0
       RNORM    61.6138 6F|j(LB
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 JOD/Raq.1k
       1 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00    1 XDD  3   1.6576954E+01 -1.5772577E+02  5.5355850E+02 -1.2824350E+03  2.0288263E+03 tR)H~l7q
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 I7(?;MpI
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR 38IMxd9v
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 J7+w4q~cB`
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 F)Oe9x\/
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR :O-1rD
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 F9flSeN
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 :a0zT#u
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR qCPmbg
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 fex,z%}p
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 9P WY52!
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR 1m@^E:w
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 +TJEG?o
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 ynwG\V
       9 USS  16 ,S&z<S_
     CWAV        0.587600 KbW9s,:p
     HIN        1.517000       55.000000 W?Ww2Lo%Y
       RNORM    17.8887 #FH[hRo=6
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 w$fJ4+
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ,wAz^cK|
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 ",Cr,;]
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 n<7q`tM#
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR ytAWOt}`
      10 CV      -0.00643491 A1i!F?X
      10 UMC     -0.14285714 >m6&bfy\q
      10 TH     127.09309610 `{Tk@A_yd
    10    YMT      0.00000000 K8I$]M
    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。

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