DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

5mFi)0={y
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。 =r_ SMTu
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）。

Aga7X@fV(
    CORE 16 MiSFT5$v6
        DSEARCH 1  QUIET 9s7B1Pf
        SYSTEM \DQ;v
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY IsRsjhg8x
        OBB 0 25 12 H/L3w|2+
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 +6;OB@
IvO3*{k,
        UNITS MM ZDVaKDqZ_
        END `nizGg~1
        GOALS { j/w3
        ELEMENTS 5 =Wjm_Rvk9
        FNUM 3.5 V!Joh5=a
        BACK 0 0 "^trHh8=
        TOTL 0 0 HFDg@@
        STOP MIDDLE nB:Bw8U"Q
        STOP FREE b#y}VY)?
        RSTART 50 100 200 400 qh&K{r*T
        RT 0.5 5o72X k
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 'PO1{&M
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 | 'z)RFqj
        NPASS 100 8WyG49eic
        DELAY 9999 XG[%oL
        NGRID 6 A5/h*`Q\\
        ANNEAL 200 20 Q e1IuobT
        COLORS 3 *Z0}0< D@Z
        SNAPSHOT 10 5$#<z1M.&
        QUICK 40 100 UG!&n@R
        END LSfj7j`
        SPECIAL PANT $`5DGy?RU
au7BqV!uL
        END m0#hG x
        SPECIAL AANT *o>E{
        ACA 60 .1 1 2 43DdIG$
        ADT 6 .1 1 j=gbUXv/
        M 0 .01 A P HH 1 V*TG%V -
        LLL 22 1 1 A BACK 6S&#8l
        LUL 250 1 1 A TOTL +amvQ];?Q8
    END ;zOZu~Q|'
    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。）

|/s.PNP2
    ADA 5 QUIET "s*{0'jo
s R~&S))
    PANT B8nXWi
    VY 0 YP1 f>'7~69
    VLIST RD ALL "2h#inS
    VLIST TH ALL 6RF01z|~_
    VY   1 GLM L"Gi~:z
    VY   3 GLM tyDtwV|
    VY   5 GLM d-*9tit
    VY   7 GLM 'l}3Iua6qk
    VY   9 GLM .dygp"*
    END jmb\eOq+~V
    AANT P AEC @Yg7F>s
    ACC &l.^UQ
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 q[#\qT&QU
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 >hhd9
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 *K)v&}uw
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 jTqba:q@
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 xvkof 'Q)
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 b^xf,`D
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 OBZ|W**N"
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 GGBe/X
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 XXF9oy8
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 4 hj2rK'y
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 0L1P'*LRU
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 Cb13Qz
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 S ~_%
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 UqHOS{\Sz
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 JTI m`t"d=
      ACA 60 .1 1 :b>|U"ux
      M 0 .01 A P HH 1 !69^kIi$
      LLL 22 1 1 A BACK MJb = +L
      LUL 250 1 1 A TOTL =j{jylC
    END )&9=)G
    SNAP/DAMP 1 zm:=d>D..
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

MT5A%|He
command ASY shows the data of this DOE. 4"2/"D0
Lr^xp,_n
SPECIAL SURFACE DATA EzyIsp> _
______________________________________________________________________________ `SW " RLS3
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) w(U/(C7R
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 b[k 1)R"
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 q!TbM"
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 '2tEKVb
DIFFRACTION ORDER:        -1 3oKGeB;Ja
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) HLk"a-+'
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。

hq*JQb;Y}
    VY 1 G 16 C{Ug ?hVP
    VY 1 G 26 s,v#lJ]d0W
    VY 1 G 27 V[M#qZS
    VY 1 G 28 VB\6SG
    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！）

_pGviGR
    !ADA 5 QUIET FNM"!z
I3Lsj}69
    PANT >>cd3)b
    VY 0 YP1 UT~2}B9fc
    VLIST RD ALL ~K96y$ DTE
    VLIST TH ALL F"H!CJJu&
    VY   1 GLM Uq.~3V+u
    VY   3 GLM 5ecz'eA%
    VY   5 GLM zrO|L|F&P
    VY   7 GLM ;8T=uCi
    VY   9 GLM 1^#Q/J,
X@&uu0JJ
    VY 1 G 16 )JQQ4D
    VY 1 G 26 A4FDR#
    VY 1 G 27 grdyiBSVn
    VY 1 G 28 kA;Tr4EA6
    VY 1 G 29 /&:9VMMj
    VY 1 G 30 J_|}Xd)~t6
    VY 1 G 31 ls\E%d
    VY 1 G 32 xg^^@o
bMZn7c
    VY 9 G 16 d`<^+p)oy
    VY 9 G 26 eKz~viM'
    VY 9 G 27 "EYjY->
    VY 9 G 28 TQd FC\@f"
    VY 9 G 29 K!K"}%/_
    VY 9 G 30 &jZ|@K?
    VY 9 G 31 k3[h'.ps
    VY 9 G 32 J<#`IaV
    END }!]x|zU.=
    …

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。

OG+r|.N;
    RLE P&3/nL$9N
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 wv.Ulrpx.
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 6q[!X0u
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 ;3}EBcw)
     APS               1  UNITS MM ~1r*/@M[V
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR AJ` v
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 %Fg8l{H3
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 -0o6*?[Z
     CWAV        0.587600 zO5u{
     HIN        1.517000       55.000000 if[o?6U4t
       RNORM    61.6138 EY&C[=
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 <S8W~wC
       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 Y-3[KHD
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 $jed{N7Y
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR z2Y_L8u2
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 k\c &2T]W
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 -V u/TT0
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR +:]Aqyc\
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 Dyk[ug5
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 yEUNkZ5^
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR >6[ X }
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 q= yZx)
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 blfE9Oy
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR i$JG^6,O
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 R=amKLD?
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 !P~ PF:W~|
       9 USS  16 |aS~"lImh
     CWAV        0.587600 { 0%TMiVf
     HIN        1.517000       55.000000 j[/SXF\=
       RNORM    17.8887 w38c
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 XiRT|%j
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 .:Bwa
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 &V#zkW
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 gR;8ht(pd(
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR c{,y{2c]LT
      10 CV      -0.00643491 ,_Qe}qFU
      10 UMC     -0.14285714 c+8>EU AW
      10 TH     127.09309610 "y~muE:.
    10    YMT      0.00000000 NF/Ti5y
    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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