DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

hQJo~'W=
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。 iDZrK%fl
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）。

qc3~cH.@
    CORE 16 QO@6VY@
        DSEARCH 1  QUIET S0F@#mSQ?
        SYSTEM Z+0?yQ=%
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY Gi*<~`Gr
        OBB 0 25 12 26M~<Ic
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 s,w YlVYf!
?gLAWz
        UNITS MM 9X3yp:>V
        END =:4?>2)
        GOALS h77IWo6%
        ELEMENTS 5 .?f:Nb.O
        FNUM 3.5 lDC}HC
        BACK 0 0 Hr6wgYPi
        TOTL 0 0 $R";
        STOP MIDDLE C,.-Q"juH
        STOP FREE xo(k?+P>.
        RSTART 50 100 200 400 A';n6ne%i
        RT 0.5 %bXsGPB
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 i *B:El1
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 X($6IL6m
        NPASS 100 rhIGOk1k
        DELAY 9999 LP,9<&"<
        NGRID 6 [%jxf\9jJ_
        ANNEAL 200 20 Q b~j~
        COLORS 3 kQ~ %=pn
        SNAPSHOT 10 z>|)ieL
        QUICK 40 100 Ra0=q4vdk
        END [^M|lf
        SPECIAL PANT gH'_ymT= 3
7G"7wYc>R
        END *0~M
        SPECIAL AANT x{Sd P$
        ACA 60 .1 1 2h<U
        ADT 6 .1 1 y:,9I`aW
        M 0 .01 A P HH 1 wLUF v(&C
        LLL 22 1 1 A BACK jN6b*-2
        LUL 250 1 1 A TOTL 5>P7]?U.]
    END {`F1u?l
    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。）

cOb4c*
    ADA 5 QUIET +]c}rWm
On&L#pf
    PANT (Y2mmd
    VY 0 YP1 jTfi@5aPY
    VLIST RD ALL LN^UC$[tk
    VLIST TH ALL |1l&@#j!2
    VY   1 GLM k" YHsn
    VY   3 GLM 4P%m>[
    VY   5 GLM VFSz-<L
    VY   7 GLM Sl>>SP
    VY   9 GLM 6/6Rah!
    END ] H&c'
    AANT P AEC -72j:nk
    ACC ],[)uTZc
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 *d>vR1
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 :Q-oV8t{
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 =VSkl;(O
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 HE;V zR
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 >zmzK{A=
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 ~;unpym'
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 `c(\i$1JY)
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 3wC R|ab}
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 xo Gb
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 [M:S`{SbY
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 XdsJwn F
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 ArzDI{1
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 y94kX:q
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 O?ktWHUx
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 \H4U8)l
      ACA 60 .1 1 Y)M8zi>b
      M 0 .01 A P HH 1 f^9&WT
      LLL 22 1 1 A BACK RUGv8"j
      LUL 250 1 1 A TOTL ~Ltr.ci
    END MEq"}zrh
    SNAP/DAMP 1 B4yh3cf
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

A#DR9Eq
command ASY shows the data of this DOE. >"("*3AO
"8(U\KaX
SPECIAL SURFACE DATA G{RTH_p
______________________________________________________________________________ V1utUGJV
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) _k2w(ew?
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 4D"4zp7
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 HY)ESU !
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 6sB$<#
DIFFRACTION ORDER:        -1 1R*=.i%W
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) AhxGj+
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。

&q>zR6jne
    VY 1 G 16 :a3xvN-l
    VY 1 G 26 k+1gQru{d
    VY 1 G 27 Gt~JA0+C)7
    VY 1 G 28 C_->u4-
    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！）

8&E}n(XE
    !ADA 5 QUIET V'StvU
z~Na-N
    PANT Q_O*oT(0
    VY 0 YP1 '*R%^RK
    VLIST RD ALL Ty+I8e]{
    VLIST TH ALL `w<J25
    VY   1 GLM >n$!<
    VY   3 GLM Gi7RMql6Q
    VY   5 GLM W3JF5*
    VY   7 GLM 0=![fjm
    VY   9 GLM 3&*'6D Tg
W`L!N&fB
    VY 1 G 16 \Tm}mAvK/o
    VY 1 G 26 d`%Mg&
    VY 1 G 27 "2hh-L7ql
    VY 1 G 28 1;wb(DN*c
    VY 1 G 29 '6S%9ahE
    VY 1 G 30 4JO@BV>t
    VY 1 G 31 3QCVgo i\
    VY 1 G 32 v?j!&d>
(3%t+aqq
    VY 9 G 16 MCYl{uH!
    VY 9 G 26 _T*AC.
    VY 9 G 27 (?Q|s,
    VY 9 G 28 oH-8r:{
    VY 9 G 29 fN[8N$1-
    VY 9 G 30 Yc#IFmC}
    VY 9 G 31 b^Cfhy^RTq
    VY 9 G 32 O@&+} D>
    END REA;x-u*
    …

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。

m5-9yQ=.
    RLE ];FtS>\x
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 Zb(t3I>n
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 Lj 8<'"U#
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 `W5-.Tv
     APS               1  UNITS MM :.nRN`e
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR jw>hk
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 E1*QdCV2
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 ?R'Y?b
     CWAV        0.587600 m 7LUrU
     HIN        1.517000       55.000000 +5X DF
       RNORM    61.6138 -Kxc$}
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 <nzN$"%
       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 `;%ZN
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 =G${[V\
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR GP,<`l&
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 .i/m
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 ~`cwG` 'N
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR -9+se
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 ai-n z-;
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 kiUk4&1
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR r>n" 51*
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 1FERmf? ?d
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 K+d2m9C=
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR ]<trA$ 0
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 JUt7En;XE
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 h @/;`E[
       9 USS  16 aMwB>bt
     CWAV        0.587600 7P**:b
     HIN        1.517000       55.000000 MXZ>"G
       RNORM    17.8887 j^SZnMQf
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 j8$Zv%Ca%
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 7"2b H
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 r4{<Z3*N
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 qx)?buAij
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR s"~5']8
      10 CV      -0.00643491 46x.i;b7
      10 UMC     -0.14285714 ~~qWI>.4
      10 TH     127.09309610 [r-}bp'Gp
    10    YMT      0.00000000 Q!'qC*Gyfn
    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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