DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

RzLeR%O
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。 q^@*k,HG
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）。

Dl}va
    CORE 16 q'biTn]2
        DSEARCH 1  QUIET Aj>
        SYSTEM IUh)g1u41O
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY +J}h
        OBB 0 25 12 XR#?gx.}
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 Zzr
gvP.\,U
        UNITS MM 3);Wgh6
        END *vzj(HGO
        GOALS b&pL}o?/k
        ELEMENTS 5 q }9n.
        FNUM 3.5 ]}_Ohe]X
        BACK 0 0 l~*d0E-$
        TOTL 0 0 uv7tbI"r
        STOP MIDDLE %9t=Iu*
        STOP FREE lstnxi%x
        RSTART 50 100 200 400 g8Zf("
        RT 0.5 GsE =5A8
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 (*!4O>]
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 ;AarpUw'
        NPASS 100 o1<Z;2#
        DELAY 9999 t;[?Q\
        NGRID 6 (i^<er q
        ANNEAL 200 20 Q &+pp;1ls
        COLORS 3 hXn@vK6
        SNAPSHOT 10 [>kzQYT[
        QUICK 40 100 YzAGhAyw
        END i$'#7U
        SPECIAL PANT `%0k\,}V
O'W[/\A56M
        END %TQ5#{Y
        SPECIAL AANT lMXLd91
        ACA 60 .1 1 7!8R)m^1[
        ADT 6 .1 1 TJ(vq]|&
        M 0 .01 A P HH 1 +r__>V,
        LLL 22 1 1 A BACK ,V=]QHcg
        LUL 250 1 1 A TOTL 0 aiE0b9c
    END *3!ixDX[r
    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。）

AaJnRtBS~
    ADA 5 QUIET (0bXsfe
]4-t*Em
    PANT 0Y ld!L
    VY 0 YP1 +WFa4NZ
    VLIST RD ALL Tn\59 (
    VLIST TH ALL DUu~s,A
    VY   1 GLM tumYZ)nW
    VY   3 GLM 7 [?]DyOf
    VY   5 GLM I-|1eR+3
    VY   7 GLM a/p /<
    VY   9 GLM w<=-n;2
    END j2,w1f}T
    AANT P AEC *Y9'tHI
    ACC UNKXfe(X9
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 JAcNjzL
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 W q>qso
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 Je;HAhL
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 ?O#,|\v?]
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 C2Af$7c
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 E@^mlUf
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 a6.0$'
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 '9q:gFO
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 yM*<BV
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 \dc*!Es
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 AoN|&o
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 ]5i]2r1
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 B"fKv0
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 T6p2=o&p
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 7 `& NB]
      ACA 60 .1 1 )qV&sru.$
      M 0 .01 A P HH 1 8qQrJFm|3*
      LLL 22 1 1 A BACK S.A|(?x
      LUL 250 1 1 A TOTL %W]"JwRu
    END QDJ:LJz\
    SNAP/DAMP 1 [i)G:8U
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

1q;r4$n
command ASY shows the data of this DOE. K yFR;.F-
Y]Y]"y$1
SPECIAL SURFACE DATA ~'L`RJR
______________________________________________________________________________ :\8&Th}Se
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) B(|dT66K
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 8ORr
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 2w? 5vSv
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 \Zms
DIFFRACTION ORDER:        -1 ~`Xu6+1o
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) 2k3yf_N
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。

0vm}[a4+i;
    VY 1 G 16 >On"BP# U
    VY 1 G 26 QHuh=7u)
    VY 1 G 27 f$^+;j
    VY 1 G 28 9,zM.g9Qv
    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！）

bkfk9P
    !ADA 5 QUIET SR\F2@u
!4l\*L
    PANT #[{xEVf
    VY 0 YP1 vs~lyM/
    VLIST RD ALL ,HM~Zs
    VLIST TH ALL 6C|]Fm
    VY   1 GLM *=ymK*
    VY   3 GLM %/x%hs;d
    VY   5 GLM Bpw<{U
    VY   7 GLM "G`8>1tO_
    VY   9 GLM +B0G[k7
edy6WzxBcm
    VY 1 G 16 CAD:ifV
    VY 1 G 26 qxe%RYdA'j
    VY 1 G 27 +w pe<T
    VY 1 G 28 kbkq.fYr
    VY 1 G 29 b_JW3l
    VY 1 G 30 .wfN.Z
    VY 1 G 31 c_r&)8
    VY 1 G 32 +2+wNFU
NJglONO
    VY 9 G 16 |ozlaj
    VY 9 G 26 Z/ypWoV(
    VY 9 G 27 ].eY]o}=
    VY 9 G 28 Xqac$%[3
    VY 9 G 29 `b{.K,
    VY 9 G 30 uF=xo`=|
    VY 9 G 31 ]'/ZSy,
    VY 9 G 32 %g>{m2o
    END nBVknyMFNF
    …

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。

Ay Obaa5
    RLE ^{W#ut>IN
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 /j1p^=ARV
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 Uieg4Iro
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 Mwdw7MZ"S
     APS               1  UNITS MM [n_H9$
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR Tcglt>tj"
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 ?Ze3t5Ll
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 DjT ekn
     CWAV        0.587600 CKTD27})
     HIN        1.517000       55.000000 H5N(MihT
       RNORM    61.6138 B43o_H|s
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 DvuL1MeKo
       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 >)N}V'9
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 .F~EQ %
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR W`PK9juu
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 6L6Lk
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 ^w<:UE2a!
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR T'*.LpNP,
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 sv^;nOAc
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 3\,TI`^C
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR H\kqmPl&
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 X |f'e@
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 "*@iXJxv5
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR *4zVK/FJ
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 _OF8D
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 R$cO`L*s
       9 USS  16 V,uhBMT#
     CWAV        0.587600 9tS&$-
     HIN        1.517000       55.000000 ;e0>.7m
       RNORM    17.8887 MjI}fs<
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 qR_"aQ7s2
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 `.dTkL
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 !qH=l-7A
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 rr4yJ;qpeP
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR U[S;5xeF.j
      10 CV      -0.00643491 ftq~AF
      10 UMC     -0.14285714 1ezQzc2-R
      10 TH     127.09309610 ?<w +{
    10    YMT      0.00000000 U gB
    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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