DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

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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。 s,lrw~17
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）。

yn`H}@`k
    CORE 16 bluhiiATd
        DSEARCH 1  QUIET ECQ>VeP
        SYSTEM Z^s&]
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY qm8[ ^jO&
        OBB 0 25 12 c:4i&|n
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 IhY[c/|i
^ WidA-
        UNITS MM 0oc5ahp
        END 1dHN<xy
        GOALS vz/.*u
        ELEMENTS 5 4IIe1 .{
        FNUM 3.5 /+iU1m'(
        BACK 0 0 XWH~o:0<2
        TOTL 0 0 \za 0?b
        STOP MIDDLE wxN'Lv=R
        STOP FREE [|E 93g
        RSTART 50 100 200 400 K+2<{qwh
        RT 0.5 c|IH|y
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 w%KU@$
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 4ZSc'9e9
        NPASS 100 L>Y%$|4
        DELAY 9999 5Ta<$t
        NGRID 6 7c5+8k3
        ANNEAL 200 20 Q R:fERj<s
        COLORS 3 #px74EeI\
        SNAPSHOT 10 vYcea
        QUICK 40 100 (V!:6
        END :I[nA?d[&
        SPECIAL PANT ZvM~]8m
M4~^tML>Ey
        END .}=gr+<bf
        SPECIAL AANT n&y'Mb PB
        ACA 60 .1 1 fX^<H_1$G
        ADT 6 .1 1 >;:235'(M
        M 0 .01 A P HH 1 e5W 8YNA
        LLL 22 1 1 A BACK xU6)~ae`JW
        LUL 250 1 1 A TOTL At3>
    END U["'>&B
    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。）

R6eKI,y\"
    ADA 5 QUIET mmRxs1 0$
Y=6569U2
    PANT }Vjg>"
    VY 0 YP1 <A@}C+
    VLIST RD ALL zZR_&z<
    VLIST TH ALL .z0NMmz0z
    VY   1 GLM UNY O P{
    VY   3 GLM wIeF(}VM
    VY   5 GLM }w&W\g+E$
    VY   7 GLM (qo ?e2K
    VY   9 GLM %dn!$[D@
    END s3<gq x-&r
    AANT P AEC GO4IAUA
    ACC vJI]ZnL{
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 #$n >+lc
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 q#D-}R_RN
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 (`'(`x#
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 _?~EWT
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 wB'GV1|jL
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 =^ZDP1h/}
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 HV21=W
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 aNUU' [
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 V) xwlvX
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 }ZqnsLu[)
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 f^Io:V\
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 +6~ut^YiM.
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 ~ p~
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 uSQlE=
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 Oz{FM6
      ACA 60 .1 1 TF_wT28AU2
      M 0 .01 A P HH 1 9u?[{h.`B
      LLL 22 1 1 A BACK Y' FB {
      LUL 250 1 1 A TOTL ^ruz-N^Y!
    END W79Sz}):
    SNAP/DAMP 1 MZd?cS
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

{q!GTO
command ASY shows the data of this DOE. \JLea$TM:
z&wJ"[nOC
SPECIAL SURFACE DATA RoFoEp
______________________________________________________________________________ E[NszM[P
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) mswAao<y&x
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 HkPdqNC&
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 0<FT=tKm
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 A<}nXHs-
DIFFRACTION ORDER:        -1 slnvrel
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) ]WYddiF
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。

7TtDI=f
    VY 1 G 16 ]y9u5H^
    VY 1 G 26 ##6u
    VY 1 G 27 oL U!x
    VY 1 G 28 1<G,0Lt
    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！）

6o.Dgt/f
    !ADA 5 QUIET ~K@p`CRbV
:z-?L0C=0
    PANT Hb3..o:
    VY 0 YP1 oH(a*i
    VLIST RD ALL oD3]2o/
    VLIST TH ALL cO8yu`4!e
    VY   1 GLM eGW h]%
    VY   3 GLM $9@3dM*E?Z
    VY   5 GLM 9K>~9Za
    VY   7 GLM Nd He::
    VY   9 GLM cTja<*W^xv
0nPg`@e.
    VY 1 G 16 weMufT
    VY 1 G 26 Mw`S.M. B
    VY 1 G 27 c?*x2Vk
    VY 1 G 28 ,&iEn}xG7i
    VY 1 G 29 mKJO?7tj
    VY 1 G 30 q*!Vyk
    VY 1 G 31 0.wNa~_G|
    VY 1 G 32 CG ,H
W'PW;.,
    VY 9 G 16 [:/mjO K
    VY 9 G 26 qN'%q+n
    VY 9 G 27 TB_OFbI2
    VY 9 G 28 )TcD-Jr
    VY 9 G 29 7O~hA*Z
    VY 9 G 30 A |P wm`
    VY 9 G 31 =)%~QK{Y
    VY 9 G 32 &hEkm
    END h ^Wm03w
    …

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。

MSb0J`
    RLE K_Kz8qV.?
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 To;r#h
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 /tJ%gF
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 o,qUf
     APS               1  UNITS MM U9XOs)^
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR &23{(]eO
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 +.a->SZ5"
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 `^)oVs
     CWAV        0.587600 ft$ 'UJ%j
     HIN        1.517000       55.000000 $e%m=@ga
       RNORM    61.6138 >&JS-jFg
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 L4<=,}KS
       1 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00    1 XDD  3   1.6576954E+01 -1.5772577E+02  5.5355850E+02 -1.2824350E+03  2.0288263E+03 =.IAd<C
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 BO>[\!=y
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR b~;M&Y
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 dW%;Z
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 L,3%}_
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR JD~]aoH
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 loD:4e1
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 QSvgbjdE
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR &g!yRvM!;Q
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 ,o\~d?4
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 7G%^8 ce{!
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR 8*sP
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 ej[Y `N
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 !Xzy:
       9 USS  16 X1="1{8H
     CWAV        0.587600 5r^u7k
     HIN        1.517000       55.000000 mW#p&{
       RNORM    17.8887 5Y5N
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 1ifPc5j}
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 |Gt]V`4
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 Px`z$~*B:
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 `llSHsIkXb
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR dLw,dg
      10 CV      -0.00643491 (Zu8WyT2
      10 UMC     -0.14285714 cC$E"m
      10 TH     127.09309610 F"a31`L>H
    10    YMT      0.00000000 Bz6Zy)&sAL
    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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