DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

I9B B<~4o
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。 ,v(G2`Z
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）。

m_oBV|v{
    CORE 16 MwXgaSV
        DSEARCH 1  QUIET )p(XY34]
        SYSTEM QTM+WD
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY U.d*E/OR5
        OBB 0 25 12 :N(L7&<
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 &:w{[H$-
G| ^tqI
        UNITS MM ,1QU
        END LTG/gif[u
        GOALS RDk{;VED{
        ELEMENTS 5 3)I v8mA
        FNUM 3.5 4{*K%pv\
        BACK 0 0 6$2)m;| XY
        TOTL 0 0 ykM(` 1`m
        STOP MIDDLE foaNB=,
        STOP FREE L<J%IlcfO
        RSTART 50 100 200 400 wN"irXG
        RT 0.5 O]i}r`E8,
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 BwrMRMq"
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 7vgz=- MZ#
        NPASS 100 DS-Kot(k(z
        DELAY 9999 "0nto+v
        NGRID 6 ^i#F+Q`1
        ANNEAL 200 20 Q XA>@0E>1r
        COLORS 3 oQFpIX;\m
        SNAPSHOT 10 ?\.P
        QUICK 40 100 ^P(HX
        END naW}[y*y;
        SPECIAL PANT *m2J$9q
z_CBOJl#C!
        END z&9vKF
        SPECIAL AANT TE^BfAw@
        ACA 60 .1 1 MvJEX8M
        ADT 6 .1 1 b[VP"KZ?
        M 0 .01 A P HH 1 99H&#!~bSS
        LLL 22 1 1 A BACK `fc2vaSH =
        LUL 250 1 1 A TOTL ,]1K^UeZ
    END qzsS"=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。）

Mryi6XT
    ADA 5 QUIET 8iR%?5 >K
p7Gs
    PANT =AGsW
    VY 0 YP1 |'b=xeH.^<
    VLIST RD ALL )#M*@e$k
    VLIST TH ALL YjoN:z`b
    VY   1 GLM #*1\h=bzmW
    VY   3 GLM )nTOIfP2
    VY   5 GLM ?UQE;0 B
    VY   7 GLM \P+lb-~\"
    VY   9 GLM Skq%S`1%Q
    END n<y!@p^X
    AANT P AEC rW&8#&
    ACC pkM_ @K
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 sGc4^Z%l?
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 gNo.&G [
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 C$-IDBXK
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 wYOSaGyZ0I
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 8lT.2H
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 lpj$\WI=
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 sn]8h2z
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 9#@dQ/*
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 )1Z*kY?f!
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 Cj31'
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 -_4U+Cfmtl
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 =VH, i/@
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 /F5g@ X&
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 WpWnwQY`#
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 1#&*xF"
      ACA 60 .1 1 I.euuzBgA
      M 0 .01 A P HH 1 oost}%WxN
      LLL 22 1 1 A BACK h7wm xa;
      LUL 250 1 1 A TOTL ]b-Z;Nce
    END ?sdVd
    SNAP/DAMP 1 BI3Q~ADV
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

hmHm;l
command ASY shows the data of this DOE. JD^(L~n]
%mAgE\y25
SPECIAL SURFACE DATA 0~<d<a -@
______________________________________________________________________________ S=n,unn#t
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) o=X6PoJN_
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 o2He}t2o
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 FQ*4?D,A
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 /0uZ(F|>I
DIFFRACTION ORDER:        -1 [kDjht|$>
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) Wt"fn&R}
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。

5P,{h
    VY 1 G 16 xVao3+r
    VY 1 G 26 c6:"5};_
    VY 1 G 27 7q<I7Wt
    VY 1 G 28 }:5AB93(
    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！）

(`>RwooE
    !ADA 5 QUIET yS_,lS
CLg;
    PANT `7zz&f9dDX
    VY 0 YP1 ^,]'Ut
    VLIST RD ALL \Azl6`Em
    VLIST TH ALL rZ/,^[T
    VY   1 GLM Z$ {I4a
    VY   3 GLM .cdm@_Ls
    VY   5 GLM oe}nrkmb
    VY   7 GLM K'+GK S7.
    VY   9 GLM qPK3"fzH
u.YPb@
    VY 1 G 16 8zP{Cmm
    VY 1 G 26 RLOB
    VY 1 G 27 UQgOtqL3
    VY 1 G 28 qba<$
    VY 1 G 29 3@kiUbq7Eu
    VY 1 G 30 Z"<aS&GH
    VY 1 G 31 ()6)|A<^U
    VY 1 G 32 aL$m
$`W.9
    VY 9 G 16 vE0Ty9OH"]
    VY 9 G 26 TMj(y{2
    VY 9 G 27 x48Y#"'
    VY 9 G 28 6?b9~xRW
    VY 9 G 29 2cY7sE068
    VY 9 G 30 ,'?%z>RZm
    VY 9 G 31 3/+9#
    VY 9 G 32 $=uyZTYF)}
    END )T/"QF}<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。

*Nloa/a&9
    RLE jFf2( AR
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 h~)oiT2v
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 n&Bolt(tO
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 OiH tobM
     APS               1  UNITS MM 3YVG|Bc~_
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR h4N!zj[
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 +e+hIMur
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 ; >Tko<
     CWAV        0.587600 t<mT=(zt*
     HIN        1.517000       55.000000 4:RL[;
       RNORM    61.6138 M/C7<?&
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 xq+$Q:f
       1 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00    1 XDD  3   1.6576954E+01 -1.5772577E+02  5.5355850E+02 -1.2824350E+03  2.0288263E+03 Y0fX\6=h
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 O3WhO@`6)
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR Ve#VGlI
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 +O>!x#)&"
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 o<ak&LX`9
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR -fIX6
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 RL7OFfMe
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 Z? u\
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR 7t=e"|^
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 .q$HL t
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 9r=@S
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR hn\<'|n
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 fYU/Jn#
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 j_Pt8{[
       9 USS  16 Se/VOzzg
     CWAV        0.587600 VZBT'N
     HIN        1.517000       55.000000 ^vmT=f;TM
       RNORM    17.8887 i lk\&J~I
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 &^$dHr6v
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 rlTCVmE8[
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 d~@&*1}
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 VcKufV'
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR X-&t!0O4}`
      10 CV      -0.00643491 |:Gz9u+
      10 UMC     -0.14285714 (]7&][
      10 TH     127.09309610 g]?&qF}
    10    YMT      0.00000000 3;(;'5|Z
    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 --]