DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

#t+d iR
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。 =kuMWaD
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）。

/3{b%0Aa
    CORE 16 s)pbS}L
        DSEARCH 1  QUIET CvD"sHVq%
        SYSTEM ~sXcnxLz
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY }+sT4'Ah>
        OBB 0 25 12 O<V4HUW
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 R47\Y
L+q/){Dd(
        UNITS MM yNbjoFM.i
        END qo|WXwP2
        GOALS ~Rr~1I&mR,
        ELEMENTS 5 q7E~+p(>(
        FNUM 3.5 (I./ Uu%
        BACK 0 0 z5YWt*nm
        TOTL 0 0 HZ:6zH
        STOP MIDDLE %ALwz[~]
        STOP FREE H/37)&$E(
        RSTART 50 100 200 400 r! MWbFw|X
        RT 0.5 r%+V8o
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 .*)2SNH
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 9_5ow
        NPASS 100 \:UIc*S
        DELAY 9999 VFys.=
        NGRID 6 $A-J,_:T<
        ANNEAL 200 20 Q %B.yW`,X
        COLORS 3 J G{3EWXR
        SNAPSHOT 10 )'+8}T]xQ
        QUICK 40 100 k-^mIJo}
        END v p/yG
        SPECIAL PANT {Sj9%2'M)
*vwbgJG! *
        END e\:+uVzz
        SPECIAL AANT \}|o1Xh2
        ACA 60 .1 1 {fjdr
        ADT 6 .1 1 mmk=97
        M 0 .01 A P HH 1 4.5|2\[
        LLL 22 1 1 A BACK =D<PVGo9
        LUL 250 1 1 A TOTL P`cq H(
    END XcUwr
    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。）

.0`m\~L
    ADA 5 QUIET (bH`x]h#
S;286[oq@
    PANT R[hzMU}KB
    VY 0 YP1 YOmM=X+'H
    VLIST RD ALL \6Zr
    VLIST TH ALL 2OVRf0.R~
    VY   1 GLM =E#%'/ A;c
    VY   3 GLM %2{%Obp'
    VY   5 GLM hFy;ffs.
    VY   7 GLM #W.#Hjpp
    VY   9 GLM FwkuC09tI
    END =*c7i]@}
    AANT P AEC A#J`;5!Sc
    ACC GkTiDm?
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 os:A]
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 a C\MJ9
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 l:,'j@%
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 6"J? #
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 @v)p<r^M">
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 B][U4WJ)
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 \kMefU
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 &-Gqdnc
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 L>aLqQ3
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 j2StXq3
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 H2jgO?l;!
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 xRzFlay8
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 pm 9"4z
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 lvBx\e;7P
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 PGhY>$q>b
      ACA 60 .1 1 RL@VSHXc
      M 0 .01 A P HH 1 vZaZc}AyL
      LLL 22 1 1 A BACK \F/hMXDlJ
      LUL 250 1 1 A TOTL J\:R|KaP<p
    END Ez fN&8E
    SNAP/DAMP 1 7e|s wJ>4
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

i]YV {
command ASY shows the data of this DOE. @hiCI.?X
9=8iy w
SPECIAL SURFACE DATA IoQEtA
______________________________________________________________________________ 4U+xb>
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) /v1Q4mq
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 "4+&-ms
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 'MUv5Th
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 hIs4@0
DIFFRACTION ORDER:        -1 P2BWuhF
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) N`5,\TR2f
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。

bLij7K2H
    VY 1 G 16 )_syZ1j
    VY 1 G 26 Ui_8)z _
    VY 1 G 27 Ai=se2
    VY 1 G 28 r~jm`y
    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_};|B}
    !ADA 5 QUIET ZM!CaR
I7|Pi[e
    PANT 9ifDcYl
    VY 0 YP1 S;3R S;
    VLIST RD ALL \o}xF@sM5
    VLIST TH ALL p{amC ;cI$
    VY   1 GLM : UGZ+
    VY   3 GLM `#F{Waww'
    VY   5 GLM +Mo9kC
    VY   7 GLM 591>rh)
    VY   9 GLM DBW[{DE
:mh_G
    VY 1 G 16 E4`N-3
    VY 1 G 26 X@+{5%
    VY 1 G 27 &S{RGXj_
    VY 1 G 28 #%a;"w
    VY 1 G 29 u)X=Qm)
    VY 1 G 30 8ndYV>{f
    VY 1 G 31 _E&A{HkJ
    VY 1 G 32 Bn=by{i
\\PjKAsh
    VY 9 G 16 1n >X[! 8x
    VY 9 G 26 3GaQk-
    VY 9 G 27 a,@]8r-"
    VY 9 G 28 \8)U!9,$nn
    VY 9 G 29 8##-EN;ag
    VY 9 G 30 FOv=!'So
    VY 9 G 31 2#KJ asX
    VY 9 G 32 lGV0*Cji
    END J`peX0Stl
    …

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。

CY 4gSe?
    RLE s>B5l2Q4
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 nHnK)9\N
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 NO7J!k?
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 ]{)a,c NG
     APS               1  UNITS MM 35Ij ..z0
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR Sz%tJD..
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 bZnuNYty75
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 2KB\1&N
     CWAV        0.587600 ;+W#5<i
     HIN        1.517000       55.000000 ,V,`Jf
       RNORM    61.6138 4^p5&5F
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 b(*!$EB
       1 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00    1 XDD  3   1.6576954E+01 -1.5772577E+02  5.5355850E+02 -1.2824350E+03  2.0288263E+03 ;;_,~pI?k
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 3B1XZm
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR RJL2J]*S
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 0ZT5bg_M
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 G! ]k#.^A,
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR )#BMTKA^
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 c&r70L,
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 mPOGidxix
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR ]9YJ,d@J
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 w,.+IV$Kk
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 X^T:8npxt
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR =!kk|_0%E
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 <LmIK
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 2QD3&Q9
       9 USS  16 0C =3dnp6
     CWAV        0.587600 $*SW8'],`
     HIN        1.517000       55.000000 [=E
       RNORM    17.8887 [="e ziM{
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 b=g8eMm
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 dU6ou'pf
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 ta35 K"
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 H2&@shOOQJ
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR q+Lr"&'Q
      10 CV      -0.00643491 X>d"]GD
      10 UMC     -0.14285714 B:dB,3,`(
      10 TH     127.09309610 9*2[B"5
    10    YMT      0.00000000 VeGL)
    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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