DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

l)}<#Ri
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。 ]a78tTi
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）。

\U==f&G?J
    CORE 16 xg(<oDn+\
        DSEARCH 1  QUIET B#J{F
        SYSTEM V78Mq:7d
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY .?A'6
        OBB 0 25 12 +nU',E
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 Us1@\|]
jjxIS
        UNITS MM jeY4yM
        END EJO.'vQ
        GOALS t$aVe"uM
        ELEMENTS 5 72`/d`
        FNUM 3.5 )8:n}w
        BACK 0 0 !$xzAX,
        TOTL 0 0 *^n^nnCwp
        STOP MIDDLE QxKAXq@)i
        STOP FREE X d!Cp
        RSTART 50 100 200 400 BeAk21xb
        RT 0.5 O ,l\e3;
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 3 Q@9S
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 sc<kiL
        NPASS 100 8^i[j\Y;6
        DELAY 9999 wbBE@RU>!
        NGRID 6 RvWFF^,.
        ANNEAL 200 20 Q L%f-L.9`u
        COLORS 3 [qSQ#Qzi2i
        SNAPSHOT 10 Pv#KmSA9
        QUICK 40 100 I`lDWL
        END Bhj:9%`
        SPECIAL PANT %j%%Rn
`Rrr>vj
        END A5+q^t}
        SPECIAL AANT OO$|9`a
        ACA 60 .1 1 DQcWq'yY^
        ADT 6 .1 1 ?%93b ,7
        M 0 .01 A P HH 1 @sN^BX`z
        LLL 22 1 1 A BACK gEE9/\>%-
        LUL 250 1 1 A TOTL se!g4XEWD
    END "X`Qe!zk4
    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。）

$kv@tzO
    ADA 5 QUIET Q Qi@>v|d
0Qt~K#mr/
    PANT bea|?lK
    VY 0 YP1 ^+EMZFjg(
    VLIST RD ALL 7$K}qsr<
    VLIST TH ALL $]Jf0_
    VY   1 GLM Ny]lvgu9X
    VY   3 GLM ~bWhth2*
    VY   5 GLM A3j"/eKi2
    VY   7 GLM k2pT1QZnt
    VY   9 GLM TFYw
    END SGQDro=l
    AANT P AEC # 9V'';:
    ACC ;e2Ij
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 uO"y`$C$_
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 <M=';h^w2
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 3\]~!;dI
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 hw*1gm
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 (N7O+3+G
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 *G\=i A
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 3Qa?\C&4
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 |g+!
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 URLk9PI
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 pG~'shD~Dn
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 G#|Hu;C6"
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 RU7!U mf
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 CGkI\E
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 eJW[ ]!
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 *l:&f_ngV
      ACA 60 .1 1 72u db^
      M 0 .01 A P HH 1 p+vh[+yp
      LLL 22 1 1 A BACK qZ&a76t
      LUL 250 1 1 A TOTL dt<~sOT3s
    END ~oo'ky*H!
    SNAP/DAMP 1 vn``0!FX
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

>2u y
command ASY shows the data of this DOE. r 3|4gG
k},>^qE
SPECIAL SURFACE DATA I ld7}R
______________________________________________________________________________ xFU5\Zuw
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) b#A(*a_gN
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 ?3Pazc]+|
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 &lq^dFP&Su
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 LfHzT<)|
DIFFRACTION ORDER:        -1 A*Rn<{U
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) EQ/^&
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。

_Ds@lVY
    VY 1 G 16 1TIlINlJ
    VY 1 G 26 JCNk\@0i*
    VY 1 G 27 "1K:/n
    VY 1 G 28 ;$z7[+M
    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！）

@UV{:]f~e
    !ADA 5 QUIET :PUK6,"5]O
0 7\02f
    PANT %Lyz_2q A
    VY 0 YP1 >J@egIKzP
    VLIST RD ALL DRp&IP<
    VLIST TH ALL ZL=N[XW4'
    VY   1 GLM yjFe'
    VY   3 GLM BJgDo
    VY   5 GLM <XvYa{t]{
    VY   7 GLM HitAc8
    VY   9 GLM rw]yKH
P:^=m*d
    VY 1 G 16 u1N1n;#
    VY 1 G 26 VKNp,Lf
    VY 1 G 27 Z}+yI,
    VY 1 G 28 [Y$V\h=V
    VY 1 G 29 1AT'S;`
    VY 1 G 30 <wa(xDBw
    VY 1 G 31 [IMQIX
    VY 1 G 32 sl^n6N
R1/q3x
    VY 9 G 16 Dkw*Je#6PX
    VY 9 G 26 jq[x DwPG
    VY 9 G 27 v8~YR'T0`V
    VY 9 G 28 `s%QeAde
    VY 9 G 29 &XtRLtgS
    VY 9 G 30 n/AW?'
    VY 9 G 31 5 q65nF
    VY 9 G 32 lJ&y&N<O
    END ]4o?BkL
    …

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。

V^2-_V]8
    RLE SM<d
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 :u-.T.zZl
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 r)8z#W>s
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 iadkH]w
     APS               1  UNITS MM akCIa'>t
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR ]u0Jd#@
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 r[!(?%>j
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 B9^R8|V
     CWAV        0.587600 mW +tV1XjG
     HIN        1.517000       55.000000 'evv,Q{87
       RNORM    61.6138 >A=\8`T^
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 />F.Nsujy
       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 nvH|Ngg Q
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 si?HkJv5
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR Onw24&
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 !+KhFC&Py
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 f'_M0x
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR >)3VbO
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 + Kk@Q
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 H;y}-=J+
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR Ia7D F'
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 RHI&j~
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 Q1T@oxV
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR #KE;=$(S
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 J*K<FFp3<
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 ?(D}5`Nfu
       9 USS  16 'Sa!5h
     CWAV        0.587600 TVeJ6
     HIN        1.517000       55.000000 9^\hmpP@D
       RNORM    17.8887 ,C:o`fQ\
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 l#xw.2bo
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 q~O>a0f0
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 v20~^gKo=m
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 l{Er+)a
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR -l[jEJS}
      10 CV      -0.00643491 iaRR5D-
      10 UMC     -0.14285714 M5O'=\+,F
      10 TH     127.09309610 |^iA6)Q
    10    YMT      0.00000000 _lT0Hu
    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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