DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

* C~
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。 ay'=M`uO_
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）。

[lQp4xgxi
    CORE 16 #'^p-Jdm
        DSEARCH 1  QUIET =1^Ru*G
        SYSTEM Fx0K.Q2Y0
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY q!""pr<n
        OBB 0 25 12 R/b)hP~
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 -d%bc?
.ymR%X_k
        UNITS MM ?;|$R
        END CTR|b}!
        GOALS 3oxQ[.o
        ELEMENTS 5 I\Y/*u
        FNUM 3.5 ~0|~Fg
        BACK 0 0 ZGzrh`j{-
        TOTL 0 0 gUL`)t\}*
        STOP MIDDLE gO4J[_
        STOP FREE 7u!R 'D
        RSTART 50 100 200 400 |vTirZP
        RT 0.5 [G[HQ)A
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 v=i[s
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 T {(6*^g<B
        NPASS 100 EZIMp8^
        DELAY 9999 zBB4lC{q
        NGRID 6 F]z xx
        ANNEAL 200 20 Q o,D>7|h
        COLORS 3 //Hn[wEOh
        SNAPSHOT 10 Y$Js5K@F
        QUICK 40 100 0l.+yr}PE
        END tV*g1)'zX
        SPECIAL PANT 6N~~:Gt
z6|P]u
        END Si6%6rAhj
        SPECIAL AANT !z(POK
        ACA 60 .1 1 YqR MVWcnk
        ADT 6 .1 1 &{x5 |$SD
        M 0 .01 A P HH 1 ',kYZay
        LLL 22 1 1 A BACK V{{b^y
        LUL 250 1 1 A TOTL I@+dE V`Lf
    END He)v:AH
    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。）

2ztP'
    ADA 5 QUIET GLnj& Ve
h+,zfVJu
    PANT JT[|l-\zo
    VY 0 YP1 yew9bn0a=
    VLIST RD ALL UR1U; k
    VLIST TH ALL tE3!;
    VY   1 GLM i)+@'!6
    VY   3 GLM _D$|lk-
    VY   5 GLM # T$^{/J
    VY   7 GLM mJ#u]tiL
    VY   9 GLM 8!b#ez
    END QI=",vmau
    AANT P AEC 35B0L.R
    ACC h[ba$S,T
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 Rzj5B\+Rk(
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 IObGmc
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 $MfHA~^
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 'F5&f9A
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 B3c rms['
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 c:>&Bg&,6T
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 Ad9'q!_en
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 #If}P$!
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 }/SbmW8(1
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 -%5*c61
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 ?\(E+6tpP
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 ou6yi; l%
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 XBF#ILJ
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 b5No>U) /
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 Gi6sl_"q
      ACA 60 .1 1 k9.@S
      M 0 .01 A P HH 1 9K@`n:Rw
      LLL 22 1 1 A BACK iNe;h|
      LUL 250 1 1 A TOTL g.SFl
    END (6^v`SZ
    SNAP/DAMP 1 (Z,v)TOXjV
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

4~P{H/]
command ASY shows the data of this DOE. W[AX?
aiF7\^aw$
SPECIAL SURFACE DATA qTj7mUk
______________________________________________________________________________ PL@hsZty~c
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) i'H{cN6
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 5qt]~v%y
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 )U`6` &F
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 E<:XHjm
DIFFRACTION ORDER:        -1 W.r0W2))(
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) $k,Z)2
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。

l<ag\ d
    VY 1 G 16 COH0aNp;
    VY 1 G 26 sG=D(n1
    VY 1 G 27 9s>q4_D
    VY 1 G 28 3%bCv_6B
    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！）

Ynl^Z
    !ADA 5 QUIET zflq|dW
!g #
    PANT {pH{SRM)B
    VY 0 YP1 (0/,R
    VLIST RD ALL 5Ev9u),D+v
    VLIST TH ALL ]i(tou-[i
    VY   1 GLM qjFz}6
    VY   3 GLM 5=WzKM
    VY   5 GLM ]P;uQ!
    VY   7 GLM eee77.@y-p
    VY   9 GLM {_&'tXL
Hbu8gqu
    VY 1 G 16 0x7F~%%2
    VY 1 G 26 x$Y44v'>
    VY 1 G 27 29("gB
    VY 1 G 28 tJ>%Xop
    VY 1 G 29 Uy2NZ%rnt
    VY 1 G 30 3=5K7F
    VY 1 G 31 5\gL+qM0
    VY 1 G 32 9>yLSM,!rS
$M{MOehZ
    VY 9 G 16 jd8`D6|Z
    VY 9 G 26 7?!A~Seo|
    VY 9 G 27 Aslh}'$}-
    VY 9 G 28 U_i%@{
    VY 9 G 29 'n4Ro|kA
    VY 9 G 30 eG&\b-%
    VY 9 G 31 d` %8qLIW
    VY 9 G 32 +Z> Y//
    END HK&Ul=^VN|
    …

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。

zx` %)r
    RLE yHhx- `
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 jr[(g:L
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 R= ,jqW<
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 kt`_n+G
     APS               1  UNITS MM ZByxC*Cz
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR R=&9M4
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 |osu4=s|
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 wpgO09
     CWAV        0.587600 sB!#`kh
     HIN        1.517000       55.000000 Dl=9<:6FW
       RNORM    61.6138 DrI"YX
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ffoL]u\
       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 er@"4R0
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 21NGsG
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR $HgBzZ7A2
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 O2i7w1t
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 N>ncv
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR r-^FM~Jp
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 { 0\Ez}
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 KLb"_1z
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR di.yh3N$
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 o>|&k]W/
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 a ?D]]0%
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR Lk%`hsv
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 \^o8qw'pt
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 h/oRWl0r
       9 USS  16 MB7UI8
     CWAV        0.587600 7Qdf#DG
     HIN        1.517000       55.000000 ')R+Z/hG.
       RNORM    17.8887 Cws;6i*=@
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 )6+Z99w
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 /80H.|8O
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 YnR8mVo5Q
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 7bV(eV
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR JJ:pA_uX
      10 CV      -0.00643491 :1*q}R
      10 UMC     -0.14285714 jY;T:C-T
      10 TH     127.09309610 Eep~3U
    10    YMT      0.00000000 1`hmD1d
    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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