DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

=(<7o_gJ
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。 MqWM!v-M
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）。

/PBK:B
    CORE 16 b3=XWzK5
        DSEARCH 1  QUIET *z'Rl'j9[
        SYSTEM naY#`xig
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY X-"0Zc
        OBB 0 25 12 P6'0:M@5
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 `1 Tg8
)qWO}]F
        UNITS MM r_V^sX
        END ]#rmk!VT?
        GOALS ,y7X>M2
        ELEMENTS 5 {mHxlG)
        FNUM 3.5 h9%.tGx
        BACK 0 0 iqTmgE-
        TOTL 0 0 y0t-e
        STOP MIDDLE U`4t4CHA
        STOP FREE .6i +_B|
        RSTART 50 100 200 400 pAtxEaXh
        RT 0.5 u])MI6LF
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 J B !Q
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 KXo[;Db)k
        NPASS 100 Nu; 9
        DELAY 9999 {RH)&k&%
        NGRID 6 PiX(Ase
        ANNEAL 200 20 Q fqm6Pd{:(
        COLORS 3 ]"vpCL
        SNAPSHOT 10 Js,.$t
        QUICK 40 100 LC/%AbM
        END )]JQlm:H
        SPECIAL PANT 4=;`\-7!
qS[nf>"
        END V#-8[G6Ra
        SPECIAL AANT &Mh]s\
        ACA 60 .1 1 p:4oA<V
        ADT 6 .1 1 sGJZG
        M 0 .01 A P HH 1 .ffb*gZ4
        LLL 22 1 1 A BACK {,o 0N\(
        LUL 250 1 1 A TOTL O/f+B}W
    END 0~nub
    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。）

;[j)g,7{
    ADA 5 QUIET k Rp$[^ma
<3bFt[
    PANT :\G`}_db'
    VY 0 YP1 SfwNNX%
    VLIST RD ALL )L7h:%h#
    VLIST TH ALL HS 1zA
    VY   1 GLM O>2i)M-h9x
    VY   3 GLM ,y*|f0&"~
    VY   5 GLM glRHn?p
    VY   7 GLM Q2xzux~T
    VY   9 GLM ]KRw[}z
    END Sa$-Yf
    AANT P AEC vHx[:vuq:
    ACC ]hi5nA
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 FO xZkU\e=
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 XXPpj< c
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 a.s5>:Ct
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 A#Jx6T`a
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 kG3m1: :
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 rW0-XLbL5H
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 &qae+p?
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 GUqBnRA8j
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 r/mKuGa]
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 6^"Spf]
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 XlU`jv+
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 &X OFc.u
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 Ya-kMUW
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 S/7?6y~
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 <Is~DjIav
      ACA 60 .1 1 uBfSS\SX|
      M 0 .01 A P HH 1 '@,M 'H{
      LLL 22 1 1 A BACK 8iUj9r_
      LUL 250 1 1 A TOTL J`d;I#R%c
    END NN@'79x
    SNAP/DAMP 1 {:c5/ ,7c;
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

jkfc=O6^
command ASY shows the data of this DOE. !juh}q&}|
~~X-$rtU
SPECIAL SURFACE DATA &Z6s\r%
______________________________________________________________________________ 6~c:FsZ)
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) ='<789wT
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 6k*,Yei
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 vKmV<*K
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 F!&$Z .
DIFFRACTION ORDER:        -1 YGf<!
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) TnQ"c)ta
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。

8zzY;3^h;
    VY 1 G 16 .I nDyKt
    VY 1 G 26 z6;6 o!ej
    VY 1 G 27 ~l"]J'jF"H
    VY 1 G 28 Z=j6c"
    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！）

S>V+IKW;(
    !ADA 5 QUIET cZlDdr%
,v$Q:n|
    PANT \x;`8H
    VY 0 YP1 p;n"zr8U
    VLIST RD ALL xY>@GSO1
    VLIST TH ALL qPF`=#
    VY   1 GLM 5)iOG#8qJ
    VY   3 GLM omzG/)M:O
    VY   5 GLM 2R];Pv
    VY   7 GLM h1 pEC
    VY   9 GLM ;9$71E
~EtwX YkRZ
    VY 1 G 16 jIi:tO9G^,
    VY 1 G 26 _=-B%m
    VY 1 G 27 p(Ux]_s%
    VY 1 G 28 ???`BF[|
    VY 1 G 29 ,9Si3vn
    VY 1 G 30 a]nK!;>$
    VY 1 G 31 <NXJ&xs-+
    VY 1 G 32 Mqv[7.|
B-UsMO
    VY 9 G 16 }\0ei(%H
    VY 9 G 26 .bY R
    VY 9 G 27 a(uZ}yS$
    VY 9 G 28 5Deo}(3
    VY 9 G 29 f9D01R fo
    VY 9 G 30 c*.-mS~Z`
    VY 9 G 31 LS]0p#
    VY 9 G 32 %z~=Jz^
    END -}(2}~{e(
    …

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。

5Mz:$5Tm
    RLE !|Wf mU
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 v=d16
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 }Xvm( ;
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 gCq'#G\Z
     APS               1  UNITS MM i&YWutG
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR U0Uy C
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 Swr4De_5
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 -}_1f[b
     CWAV        0.587600 R*/s#*gmL
     HIN        1.517000       55.000000 rCUGaf~
       RNORM    61.6138 Wh)!Ha}
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 niqknqW<t
       1 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00    1 XDD  3   1.6576954E+01 -1.5772577E+02  5.5355850E+02 -1.2824350E+03  2.0288263E+03 9y&bKB2,
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 EF6h>"']/
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR )2a)$qx;
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 :gO5#HIm
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 &`oybm-p(
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR S5V:HRj{?
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 #a9O3C/MP
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 (x fN=Te,-
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR "T9UedZ
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 iX[g
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 2VzYP~Jg
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR m*jTvn
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 !Au#j^5K-o
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 .+,U9e:%
       9 USS  16 +Qf}&D_
     CWAV        0.587600 7[PEiAI
     HIN        1.517000       55.000000 K)U[xS;<
       RNORM    17.8887 \<ysJgqUG
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 |kP utB
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 L7hRFf-o
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 T+^c=[W
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 .G#li(NWH
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR ;tSAQ
      10 CV      -0.00643491 K`2(Q
      10 UMC     -0.14285714 )U=]HpuzI
      10 TH     127.09309610 ^qnmKA>"F
    10    YMT      0.00000000 z;!"i~fFK
    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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