DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

ae@!M
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。 Dic|n@_Fy
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）。

IDos4nM27]
    CORE 16 T!41[vm(
        DSEARCH 1  QUIET -gt?5H h
        SYSTEM +%K~
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY #$2/<
        OBB 0 25 12 <,/7:n
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 ,~1k:>njY~
_Ds,91<muQ
        UNITS MM P*|=Z>%[0
        END cqs.[0 z#B
        GOALS ao.vB']T
        ELEMENTS 5 ZADMtsk
        FNUM 3.5 TKAs@X,t
        BACK 0 0 9xzow,mi
        TOTL 0 0 z9OpxW@Ou
        STOP MIDDLE eu_ZsseZ
        STOP FREE M,li\)J!&
        RSTART 50 100 200 400 M1#CB
        RT 0.5 UyV5A
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 0pEM0M
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 55$';gh,9
        NPASS 100 `]6<j<' ,
        DELAY 9999 kMnG1K
        NGRID 6 ^_P?EJ,)`
        ANNEAL 200 20 Q r`EjD}2d
        COLORS 3 n@;B_Bt7
        SNAPSHOT 10 PO6yEr
        QUICK 40 100 )b2O!p
        END ~a`xI
        SPECIAL PANT i(cKg&+ktd
|_8l9rB5ip
        END H6jt[
        SPECIAL AANT 2@2d |
        ACA 60 .1 1 em0Y'J
        ADT 6 .1 1 cYC^;,C &|
        M 0 .01 A P HH 1 ?vAhDD5
        LLL 22 1 1 A BACK uSQ#Y^V_
        LUL 250 1 1 A TOTL /w5*R5B{
    END ,i<cst)$u
    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+ S]Qoz
    ADA 5 QUIET {GnZ@Q:F
g9VY{[V
    PANT w"dKOdY
    VY 0 YP1 'plUs<A
    VLIST RD ALL URbB2 Bi
    VLIST TH ALL qA`@~\qh"
    VY   1 GLM p!uB8F
    VY   3 GLM aHpZhR|f$
    VY   5 GLM C5TV}Bq\
    VY   7 GLM Y.Z:H!P);$
    VY   9 GLM },JJ!3
    END ?jlz:Z4
    AANT P AEC 5toa@#Bc%
    ACC L{8_6s(:
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 sHk>ek]2I
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 kVKAG\F
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 $,, PF/N8c
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 &b5(Su
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 -XV+F@`Md
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 `kQosQV
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 T~Bj],k_
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 I%a-5f$0
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 v]F4o1ckk
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 1Pw1TO"Z
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 [*zg? ur
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 !R\FCAW[x
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 L98T!5)
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 r=Lgh#9S
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 N\|z{vn
      ACA 60 .1 1 H2Wlgt
      M 0 .01 A P HH 1 \-;f<%+
      LLL 22 1 1 A BACK At=d//5FFP
      LUL 250 1 1 A TOTL EXVZ?NG
    END h L [eA
    SNAP/DAMP 1 b=:ud[h
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

AK&>3D
command ASY shows the data of this DOE. Hh=fv~X
x$BNFb%I1
SPECIAL SURFACE DATA Yn="vpM1
______________________________________________________________________________ MU a[}?
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) Nv36#^Z
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 Gg9MAK\C9
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 Y 2ANt w@
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 lNg){3
DIFFRACTION ORDER:        -1 ,/b!Xm:
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) fy"}# 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。

;Hk3y+&]a
    VY 1 G 16 a,RCK~GR
    VY 1 G 26 <nbklo
    VY 1 G 27 V2T%tn;rp
    VY 1 G 28 5<ruN11G
    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！）

P1LOj
    !ADA 5 QUIET 0x-g0]
Zhfg
    PANT iVZ}+Ct<"
    VY 0 YP1 \~,\|
    VLIST RD ALL !9/`PcNIpy
    VLIST TH ALL xo'!$a}I2
    VY   1 GLM #4$YQ
    VY   3 GLM BkXv4|UE
    VY   5 GLM '|ntwK*f
    VY   7 GLM ;Y*K!iFWH
    VY   9 GLM mk1R~4v
*GE6zGdN
    VY 1 G 16 tf6m.
    VY 1 G 26 {\1bWr8!U
    VY 1 G 27 ,R`CAf%*
    VY 1 G 28 ,6g{-r-2
    VY 1 G 29 bOr11?
    VY 1 G 30 %(eQ1ir+
    VY 1 G 31 [6mK<A,/
    VY 1 G 32 0@"'SKq
M+ %O-B
    VY 9 G 16 WkA47+DsV
    VY 9 G 26 ~+4lmslR
    VY 9 G 27 V[/9?5pM
    VY 9 G 28 NzQvciJ@"
    VY 9 G 29 kb2C9<
    VY 9 G 30 qK%N{ro[{?
    VY 9 G 31 Ln,<|,fZN
    VY 9 G 32 % E1r{`p
    END cDz@3So.b
    …

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。

,g7O
    RLE 3pWav 1"
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 )?[7}(4jI
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 YM_[
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 cwzkA,e@
     APS               1  UNITS MM ?`?Tg&W
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR 5\quh2Q_
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 vf3)T;X>
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 -"nkC
     CWAV        0.587600 X2Ak
     HIN        1.517000       55.000000 Gxe)5,G
       RNORM    61.6138 }kmAUaa,Z
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 L%v@|COQ3
       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 -nNKUt.I
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ?fy37m(M}
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR F(`|-E"E;
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 ?Sh]kJO
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 G>vK$W$f N
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR R&W%E%uj
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 5"nq h}5
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 akbB=:M,x
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR O.Pp*sQ^
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 RM_%u=jC
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 1r>]XhRFZ
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR q("XS
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 KU$,{Sn6@
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 8+w*,Ry`
       9 USS  16 9~~NxWY%x
     CWAV        0.587600 MS""-zn<
     HIN        1.517000       55.000000 `"CA$Se8
       RNORM    17.8887 o$L%t@
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 WZ?>F
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 kBk>1jn"
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 xwD`R*
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ZJs~,Q
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR pl r@
      10 CV      -0.00643491 "G>d8GbIh
      10 UMC     -0.14285714 I=&i &6v8G
      10 TH     127.09309610 AAa7)^R
    10    YMT      0.00000000 ((]i}s0S
    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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