DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

gb|Q%LS9R
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。 nw:-J1kWR
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）。

J9~i%hzr
    CORE 16 i]{1^pKq
        DSEARCH 1  QUIET !U%T&?E l
        SYSTEM @@G6p($
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY Q n)d2-<
        OBB 0 25 12 h&&6r\4/|
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 "_UdBG
>R,'5:Rw
        UNITS MM Cizvw'XDV
        END E>LkJSy=
        GOALS 0fXLcal
        ELEMENTS 5 CG\tQbum
        FNUM 3.5 :(|'S4z
        BACK 0 0 BimjQ;jtI
        TOTL 0 0 zdl%iop3e
        STOP MIDDLE EI~"L$?
        STOP FREE {]*x*aa\
        RSTART 50 100 200 400 aVs(EHF
        RT 0.5 ^[E'1$D
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 Dn9w@KO
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 uP3_FX: e
        NPASS 100 gU^$Sx7'
        DELAY 9999 b3-eR5U/
        NGRID 6 Y}*\[}l:&x
        ANNEAL 200 20 Q mMx;yZ
        COLORS 3 WF&[HKOy/
        SNAPSHOT 10 /I5X"x
        QUICK 40 100 kv,%(en]
        END ]r!>{
        SPECIAL PANT %=AxJp!a
9Ya<My
        END LTV{{Z+
        SPECIAL AANT m"\:o
        ACA 60 .1 1 1% F?B-k
        ADT 6 .1 1 OJN2z
        M 0 .01 A P HH 1 f %lD08Sl
        LLL 22 1 1 A BACK FsB^CxVg
        LUL 250 1 1 A TOTL M2x["
    END 4H5pr
    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。）

O1 .w,U
    ADA 5 QUIET zf4Ec-)
`b8v1Os^2
    PANT f\+fo
    VY 0 YP1 ~U(,TjJb
    VLIST RD ALL RjF'x
    VLIST TH ALL ONNpiK-
    VY   1 GLM Q$obOEr2(
    VY   3 GLM 4Wy<?O2
    VY   5 GLM 72sD0)?A
    VY   7 GLM PiV7*F4qI.
    VY   9 GLM E_F5(xSA
    END 2oa#0`{
    AANT P AEC H/M Au7
    ACC *`j-i
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 =NbI%
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 I -Xlx<
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 A*./,KT
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 O\K_q7iO6
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 BR'I+lQ
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 Wv__ wZ
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 jENr>$$
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 S[tE&[$(p
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 ] 2DH;
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 d!KsNkk
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 ,+qVu,
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 uE[(cko
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 bifS 2>c
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 vHAg-Avc
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 S$f6a'
      ACA 60 .1 1 J--m[X
      M 0 .01 A P HH 1 h8\ T
      LLL 22 1 1 A BACK [Q\GxX.
      LUL 250 1 1 A TOTL H$af/^
    END 5L:1A2Z?c
    SNAP/DAMP 1 $?,a[79
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

K"<PGOF
command ASY shows the data of this DOE. c}3W:}lW
;"O&X<BX-
SPECIAL SURFACE DATA fzjU<?}
______________________________________________________________________________ e*+FpW@
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) ,!V]jP)
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 p8s:g~ W
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 Z/^ u
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 s>0Nr
DIFFRACTION ORDER:        -1 5Z4-Z
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) )BfT7{WN
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。

+0),xu
    VY 1 G 16 H+ h07\? %
    VY 1 G 26 8Ld:"Y#
    VY 1 G 27 !v]b(z`Y
    VY 1 G 28 v/*Y#(X
    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！）

kE TT4U
    !ADA 5 QUIET `OymAyEYQ
v(OBXa9
    PANT l!#m&'16"
    VY 0 YP1 86f2'o+
    VLIST RD ALL #_mi `7!B#
    VLIST TH ALL X7L8h'(@
    VY   1 GLM UD~p'^.m_
    VY   3 GLM TpA\9N#$
    VY   5 GLM :';L/x>
    VY   7 GLM .qk]$LJF7
    VY   9 GLM s:00yQ
smG>sEp2
    VY 1 G 16 %+ZJhHT
    VY 1 G 26 Og;-B0,A
    VY 1 G 27 R:p62c;Tv0
    VY 1 G 28 yT{8d.Rh
    VY 1 G 29 %!ebO*8q
    VY 1 G 30 ~j#~\Ir
    VY 1 G 31 KYJjwXT28W
    VY 1 G 32 gPC*b+
bVmAtm[
    VY 9 G 16 GRy-+#,b"
    VY 9 G 26 oJKa"H-jL
    VY 9 G 27 ;Ut+yuy
    VY 9 G 28 P,ua<B}L
    VY 9 G 29 [P|[vWO
    VY 9 G 30 WWT",gio
    VY 9 G 31 c`x7u}C
    VY 9 G 32 5>6PH+Oq
    END &h*S y
    …

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。

]4+s$rG
    RLE CukC6ub
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 6io, uh!
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 W&h[p_0
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 +7Kyyu)y@
     APS               1  UNITS MM @v\*AYr'M
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR (]/9-\6(#
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 n6F/Ac:
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 C1T_9}L-A
     CWAV        0.587600 Oo?,fw
     HIN        1.517000       55.000000 ~f|Z%&l|
       RNORM    61.6138 "QoQ4r<|
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 FZB~|3eq{
       1 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00    1 XDD  3   1.6576954E+01 -1.5772577E+02  5.5355850E+02 -1.2824350E+03  2.0288263E+03 3Q/#T1@
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 {f9{8-W<u
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR > Oh?%%6
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 O7']
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 P7B:%HiAx
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR ,_!6U
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 cYNJhGY
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 -Xz?s
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR `SO|zz|'
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 \3Oij^l0
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 W;?(,xx
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR dQezd-y*
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 v+6@cC
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 uhN%Aj\iu(
       9 USS  16 (3\Xy
     CWAV        0.587600 Dj\e@?Y
     HIN        1.517000       55.000000 W{XkVKe1a
       RNORM    17.8887 \EoX8b}$b0
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 I[o*RKT'"
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 {Hr$wa~
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 gPS&^EdxA
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 `ir3YnT+
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR C@o%J.9"#
      10 CV      -0.00643491 HEK-L)S. *
      10 UMC     -0.14285714 P[t$\FS
      10 TH     127.09309610 _9:@Vl]Q@
    10    YMT      0.00000000 ^GN8V-X4y
    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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