DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

,D6v4<jh
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。 zq5'i!s !0
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）。

aKF*FFX
    CORE 16 `nR%Cav,U
        DSEARCH 1  QUIET ?j7vZ}iRi
        SYSTEM 0%s|Zbo!>
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY RnfXN)+P
        OBB 0 25 12 y'ja< 1I>
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 2Ha5yaTL
!~<siy
        UNITS MM a=GM[{og
        END *0Gz)'
        GOALS NkxCs
        ELEMENTS 5 Y^"4?96
        FNUM 3.5 z41_oG7
        BACK 0 0 0JRD
        TOTL 0 0 F="z]C;u
        STOP MIDDLE P,gdnV ^
        STOP FREE >zY \Llv
        RSTART 50 100 200 400 ~$O1`IT
        RT 0.5 c.H?4j7ga
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 :&'{mJW*{t
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 %>Xr5<$:&
        NPASS 100 [_y@M ]
        DELAY 9999 &ntBU]<q
        NGRID 6 M/V(5IoP(
        ANNEAL 200 20 Q ~!%0Z9>ap
        COLORS 3 &A!KJ.
        SNAPSHOT 10 NnxM3*
        QUICK 40 100 SP 2 8
        END ;Hm'6TR!
        SPECIAL PANT KiLvI,9y
4lc)&
        END gvli%9n
        SPECIAL AANT c-XLI
        ACA 60 .1 1 Wf02$c0#K
        ADT 6 .1 1 AZFWuPJo
        M 0 .01 A P HH 1 ^>~dlS
        LLL 22 1 1 A BACK 1TqF6`;+
        LUL 250 1 1 A TOTL 0rMqWP
    END 6(56,i<#/
    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。）

'\p;y7N
    ADA 5 QUIET 9+CFRYC
YaFcz$GE_
    PANT .+#Lx;})
    VY 0 YP1 Wb=Jj 9;
    VLIST RD ALL :q2YBa
    VLIST TH ALL ui.'^F<
    VY   1 GLM cV$lobqO
    VY   3 GLM 3\!F\tqD \
    VY   5 GLM ;cSGlE |
    VY   7 GLM @vH2Vydu
    VY   9 GLM *d*oS7
    END M|CrBJv+F
    AANT P AEC `ENP=kL(+
    ACC ZL91m`r
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 HY;oy(
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 &zN@5m$k;
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 eYP=T+
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 *8!w&ME+.
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 'XfgBJF=
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 kJ8vKcc
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 NXgRNca
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 ko[TDh$T5
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 RebTg1vGu
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 me./o(!?
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 i>Iee^_(
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 ZH-5Qy_
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 N~g%wf@w
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 ^pcRW44K
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 ?vu|o'$T,
      ACA 60 .1 1 atnQC
      M 0 .01 A P HH 1 6+%-GgPf
      LLL 22 1 1 A BACK x}"Q8kD
      LUL 250 1 1 A TOTL #\b ;2>
    END Xu]h$%W
    SNAP/DAMP 1 +Jw{qQR/*
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

IxP^i{/1?
command ASY shows the data of this DOE. b7'F|h^
a;&}zcc*
SPECIAL SURFACE DATA #{>uC&jD
______________________________________________________________________________ [2H[5<tH
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) Ygx,t|?7
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 }N|\
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 $I(}r3r
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 N*1
DIFFRACTION ORDER:        -1 K`gc 4:A
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) p"KV*D9b
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。

c(:Oyba
    VY 1 G 16 ;Id"n7W
    VY 1 G 26 a 2Et,WA%
    VY 1 G 27 V2QW\2@$
    VY 1 G 28 86{ZFtv
    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！）

z`@z
    !ADA 5 QUIET D2?S,9+E_
]Da4.s*mW
    PANT >Qk97we'9
    VY 0 YP1 a|z1K
    VLIST RD ALL LT&/0
    VLIST TH ALL .pKN4
    VY   1 GLM H` Lu"EK
    VY   3 GLM ]gHLcr3
    VY   5 GLM }JGq1
    VY   7 GLM ?Hk.|5A}
    VY   9 GLM UhBz<>i;!
CwB] )QV?
    VY 1 G 16 P|v ?
    VY 1 G 26 'rh\CA/}D
    VY 1 G 27 ;3 dM@>5[
    VY 1 G 28 p`LL
    VY 1 G 29 sOC| B
    VY 1 G 30 I2W{tl
    VY 1 G 31 YZ{;%&rB
    VY 1 G 32 c*jr5 Y
_UaPwJ
    VY 9 G 16 LiF.w:}
    VY 9 G 26 !&6-(q9
    VY 9 G 27 65t[vi*C
    VY 9 G 28 JQr36U
    VY 9 G 29 $ JuLAqq
    VY 9 G 30 fW[_+r]
    VY 9 G 31 >LCjtm\
    VY 9 G 32 8W{ g
    END }Uq/kei^P
    …

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。

fA;x{0CAMX
    RLE np= J:v4
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 bf{Ep=-
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 )y5iH){!
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 J (=4
     APS               1  UNITS MM m/cx|b3hqv
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR `dP? 2-Z
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 J511AoQ{R
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 3!1&DII4
     CWAV        0.587600 &KLvr|
     HIN        1.517000       55.000000 `yy%<&
       RNORM    61.6138 QK,=5~IJ
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 t<8z08
       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 hgNY[,
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 $.=5e3
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR zCyR<as7
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 }D(DU5r
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 ^9n}-Cqeq
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR zv&ePq\#
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 #V,LNX)
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 01'y^`\xQ
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR "Fo
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 ]Pz|Oi+]
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 L)@`58Eil
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR $HP/cKu
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 (q0No26;(
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 |)~Ex 9%ev
       9 USS  16 ~D$#>'C#
     CWAV        0.587600 OA\vT${5
     HIN        1.517000       55.000000 j'#)~>b
       RNORM    17.8887 ?L`MFR
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 *1%e%G
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 X^u4%O['
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 J{aQ1)
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 x;<oaT$X
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR f6@^Mg
      10 CV      -0.00643491 IY-(- a8
      10 UMC     -0.14285714 2(@LRl>:
      10 TH     127.09309610 = E##},N"
    10    YMT      0.00000000 gNG0k$nP
    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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