DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

$IqubC>O
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。 [r1dgwh8
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）。

ji C2B
    CORE 16 B'I_i$g4w
        DSEARCH 1  QUIET J7HY(7Nx
        SYSTEM sB5@6[VDI
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY HWFLu
        OBB 0 25 12 Q <ulh s
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 A8g_BLj!e
[#(',~lN7
        UNITS MM "m`}J*s"
        END mqbCa6>_S
        GOALS Uy|Tu~
        ELEMENTS 5 ;I*N%a TK
        FNUM 3.5 BIEq(/-
        BACK 0 0 Vjd(Z
        TOTL 0 0 sR^b_/ElxT
        STOP MIDDLE {Ve3EYYm
        STOP FREE yqH9*&KH{
        RSTART 50 100 200 400 J%lrXm(l{
        RT 0.5 0\Tp/Ph
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 >7r%k,`
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 MnlD87x@X
        NPASS 100 fmD~f
        DELAY 9999 y t7>,
        NGRID 6 jO9!:L>b`
        ANNEAL 200 20 Q G#ELQ/Q
        COLORS 3 NkoyEa/^[
        SNAPSHOT 10 raZkH8
        QUICK 40 100 -hq^';,
        END uw/N`u
        SPECIAL PANT (b.4&P"0
N,UUM|?9_
        END eaDR-g"
        SPECIAL AANT gjx-tp 1.
        ACA 60 .1 1 hhz#IA6,
        ADT 6 .1 1 Bw~jqDZ}|
        M 0 .01 A P HH 1 L={\U3 __k
        LLL 22 1 1 A BACK Cm]\5}Py
        LUL 250 1 1 A TOTL my/KsB
    END i'.D=o
    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。）

*3]2vq
    ADA 5 QUIET ~0[(-4MA
zeq")A
    PANT "G,,:H9v
    VY 0 YP1 E;9J7Q 4
    VLIST RD ALL ~2nt33"
    VLIST TH ALL j5og}Pq:
    VY   1 GLM "ZPgl 8
    VY   3 GLM (5CgC<
    VY   5 GLM ]')y(_{
    VY   7 GLM 59p'U/|
    VY   9 GLM ;Qi!~VsP;
    END .R#-u/6g(
    AANT P AEC F'F6 &a+
    ACC `7'^y
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 KUq7Oa!
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 _CTg")0o
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 BsL+9lNue
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 "shX~zd5
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 d`C$vj
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 X|/RV4x@Cq
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 <6s@eare8
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 X @pm!c#
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 :>Bk^"
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 *B\ @L
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 ! 2knSS
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 4[&&E7]EX
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 pQ!lY
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 dA E85
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 uMpuS1
      ACA 60 .1 1 %Ofw"W
      M 0 .01 A P HH 1 7&/1K%x9;
      LLL 22 1 1 A BACK ?m+];SJk
      LUL 250 1 1 A TOTL 4P=1)t?tX
    END GmE`YW
    SNAP/DAMP 1 Ihr[44#
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

m@lUJY
command ASY shows the data of this DOE. <L11s%5-
B/qN1D]U.
SPECIAL SURFACE DATA = Ezg3$%-
______________________________________________________________________________ i(.V`G=
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) 2y|n!p T
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 ]~VuY:abH
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 xpCZlOld
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 r[T(R9k
DIFFRACTION ORDER:        -1 'h7x@[|
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) Yk)fBPHr
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。

UjLq[,_!
    VY 1 G 16 mPqKk
    VY 1 G 26 h-sO7M0E]
    VY 1 G 27 ?'|GGtvm
    VY 1 G 28 x7G)^
    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！）

\IYv9ScAx
    !ADA 5 QUIET tZm`(2S
CB,2BTtRE
    PANT I<,~>'cq.
    VY 0 YP1 I Z*)
    VLIST RD ALL &/2+'wCp5
    VLIST TH ALL Y~Vc|zM^(
    VY   1 GLM [u=yl0f
    VY   3 GLM iOCs%J
    VY   5 GLM +-SO}P
    VY   7 GLM zHg=K /
    VY   9 GLM <gGO
w1(5,~OB
    VY 1 G 16 2TQZu3$c
    VY 1 G 26 (3Xs
    VY 1 G 27 BzH0"xq^
    VY 1 G 28 M;'GnGFf
    VY 1 G 29 |,S]EHIy
    VY 1 G 30 W1Fhx`
    VY 1 G 31 w8jpOvj
    VY 1 G 32 ,)!%^~v
ePl+ M
    VY 9 G 16 :;hX$Qz
    VY 9 G 26 {oF;ZM'r
    VY 9 G 27 #H4<8B
    VY 9 G 28 T-GvPl9ZJw
    VY 9 G 29 2M\7j
    VY 9 G 30 *?C8,;=2r
    VY 9 G 31 trjeGSt&
    VY 9 G 32 ~;pP@DA
    END N?#L{Yt
    …

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。

<nV3`L&]
    RLE Wnp[8IEU
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 4AvIU!0w
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 J|o<;9dg1
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 OI:=>Bk
     APS               1  UNITS MM Uvi@HB HJ
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR 1rue+GL
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 *!Gb_!98
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 H15!QxD#
     CWAV        0.587600 t4~?m{
     HIN        1.517000       55.000000 $ntC{a>&
       RNORM    61.6138 ,,IK}
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 :x3DuQP
       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 JJM!pD\h
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 |pU>^
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR FOPmvlA\-<
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 2JeEmG9
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 V1G5Kph
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR 6"rS?>W/mO
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 ov\%*z2=
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 Sn.I{~
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR QZO<'q`L
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 L+lye Ir'
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 j *N^.2
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR %\B?X;(
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 g&ba]?[A
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 eSMno_Gt3
       9 USS  16 ]i `~J
     CWAV        0.587600 ~+RrL,t#
     HIN        1.517000       55.000000 (\%+id|/q@
       RNORM    17.8887 NX]6RZr-
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 s>>lf&7
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 }y*rO(cu7G
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 jt9@aN.mJN
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 #\z"k<{*
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR "68=dC
      10 CV      -0.00643491 1'k,P;s
      10 UMC     -0.14285714 (t,|FkVLV
      10 TH     127.09309610 Fy_~~nI0
    10    YMT      0.00000000 =_2(S6~
    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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