DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

f wWI2"}
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。 3R1v0
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）。

cs `T7?>
    CORE 16 k_ 9gMO
        DSEARCH 1  QUIET l`G .lM(
        SYSTEM I,OEor6%R(
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY 9YS&RBJu
        OBB 0 25 12 p^_2]%,QeM
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 7dhip
BUqe~E|I
        UNITS MM $TyV< G
        END #]>Z4=]v
        GOALS y=_8ae}aD~
        ELEMENTS 5 |j($2.
        FNUM 3.5 U6;,<-bL
        BACK 0 0 I&^B?"Y
        TOTL 0 0 8Ux3,X=
        STOP MIDDLE O>9+tQ
        STOP FREE e~w-v"'
        RSTART 50 100 200 400 qN%i$mJTo
        RT 0.5 NI_.wB{
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 Ea#wtow|-
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 ys`"-o[*
        NPASS 100 6K501!70g6
        DELAY 9999 s4uZ;
        NGRID 6 't'~p#$,F
        ANNEAL 200 20 Q {XAm3's
        COLORS 3 FGY4u4y
        SNAPSHOT 10 xp<\7m_N
        QUICK 40 100 D=uU:7m
        END $Tci_(V=F
        SPECIAL PANT oKjQ? 4
SC/|o
        END y,e#e`
        SPECIAL AANT 5xKo(XNp
        ACA 60 .1 1 |zhVl
        ADT 6 .1 1 w9h`8pt
        M 0 .01 A P HH 1 `IL''eJug_
        LLL 22 1 1 A BACK :%-xiv
        LUL 250 1 1 A TOTL QS.t_5<U
    END Q'xZ\t
    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。）

,ND}T#yTR
    ADA 5 QUIET Tv2d?y
}Fy~DsQ
    PANT + q@kRQY;n
    VY 0 YP1 LA?h+)
    VLIST RD ALL (0Buo#I
    VLIST TH ALL rBR,lS$4
    VY   1 GLM /sHWJ?`&/,
    VY   3 GLM )w\E^
    VY   5 GLM kex4U6&OQB
    VY   7 GLM x`:zC#
    VY   9 GLM #J&45
    END Y)="of
    AANT P AEC ON"F h'?
    ACC 6%'bo`S#
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 ["]r=l
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 6XU1w
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 ]7W!
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 Wl!|+-
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 *htv:Sr
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 9[#9cv
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 Z:51Q
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 .C$4jR.KC
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 YMGzO
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 v8=7
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 a W1y0
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 :mOHR&2xR%
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 #Fp5>%*
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 w'uI~t4
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 c*iZ6j"iI
      ACA 60 .1 1 eAvOT$
      M 0 .01 A P HH 1 )8ub1,C
      LLL 22 1 1 A BACK H\W/;Nn
      LUL 250 1 1 A TOTL LRe2wT>I
    END Q#+y}pOLP
    SNAP/DAMP 1 0|mF /
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

T_T@0`7
command ASY shows the data of this DOE. 7Q_AZR4
rK^Sn7U
SPECIAL SURFACE DATA zB,Vi-)vH
______________________________________________________________________________ u7L!&/6On
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) 4rpx
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 ji'NR
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 Z+# =]Kw)
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 UvR F\x%
DIFFRACTION ORDER:        -1 POZ5W)F(
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) RZKdh}B?\
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。

AC`4n|,zJ;
    VY 1 G 16 u;-_%?
    VY 1 G 26 I.V?O}
    VY 1 G 27 QOb+6qy:3
    VY 1 G 28 SEf:u
    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！）

|s<IZ2z]}R
    !ADA 5 QUIET ED0Vlw+1
'*`25BiQ
    PANT D/& 8[Z/Cn
    VY 0 YP1 2.xA' \M
    VLIST RD ALL 960[.99
    VLIST TH ALL '{e9Vh<x
    VY   1 GLM G6l:El&
    VY   3 GLM &Nzq/~uqP
    VY   5 GLM U/9i'D[|{
    VY   7 GLM +0{$J\s
    VY   9 GLM % ~!A,
osBwX.G'l
    VY 1 G 16 Q~p)@[q
    VY 1 G 26 QL_vWG-
    VY 1 G 27 LIm{Y`XU
    VY 1 G 28 tBJCfM
    VY 1 G 29 ]j=Eof%Rc
    VY 1 G 30 H%`$@U>
    VY 1 G 31 @e`%'
    VY 1 G 32 A }(V2
!xqy6%p
    VY 9 G 16 %MA o<,ha
    VY 9 G 26 :TPT]q d@
    VY 9 G 27 *9XKkR<r
    VY 9 G 28 Z$a5vu*pg
    VY 9 G 29 B^;G3+}
    VY 9 G 30 #o>~@.S#:0
    VY 9 G 31 [9hslk
    VY 9 G 32 D90.z"N\i9
    END >g{w,
    …

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。

C[4{\3\Va
    RLE a/@F?\A
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 E}YJGFB7"
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 ~g#$'dS
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 :!'!V>#g
     APS               1  UNITS MM ZqONK^
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR 9a$\l2
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 ?QJS6i'k
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 J*!_kg)>J
     CWAV        0.587600 uPbGQ:%}
     HIN        1.517000       55.000000 ,$H[DX
       RNORM    61.6138 e$vvmbK.
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 Zk={3Y
       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 tz6N,4J?
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 \H^A@f
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR ?W27 h
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 XABB6J]
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 L `\>_
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR o0Z~9iF&
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 cZb5h 9
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 dcn/|"jr
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR @P'("qb~
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 7o99@K,
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 8@)4)+e
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR B$\,l.hE
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 Q>%{Dn\?
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 p;x3gc;0
       9 USS  16 Ic<J]+Xq
     CWAV        0.587600 :`Z'vRj
     HIN        1.517000       55.000000 G/)]aGr
       RNORM    17.8887 !gyEw1Re7
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 C"gH>G
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 R(1N]>
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 r@30y/C
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 Z=I+_p_G
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR .='hYe.
      10 CV      -0.00643491 K(: _52rt
      10 UMC     -0.14285714 o-}q|tD$<
      10 TH     127.09309610 ; *ZiH%q,
    10    YMT      0.00000000 =>0G
    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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