DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

1M-pr 8:6s
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。 $>gFf}#C
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）。

6zkaOA46V
    CORE 16 }G=M2V<L
        DSEARCH 1  QUIET e!`i3KYn"
        SYSTEM C~[,z.FvO
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY d-m7}2c
        OBB 0 25 12 @x1-! ~z#
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 c,22*.V/
+p^u^a
        UNITS MM <#.g=ay
        END J1kM\8%b\
        GOALS !wNO8;(
        ELEMENTS 5 -M2yw
        FNUM 3.5 DlT{`
        BACK 0 0 BY*Q_Et
        TOTL 0 0 >p/`;Kq@
        STOP MIDDLE !BI;C(,RL
        STOP FREE O f#:
        RSTART 50 100 200 400 x"(KBEK~
        RT 0.5 _m>b2I?
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 4YHY7J
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 zQA`/&=Y
        NPASS 100 Je@v8{][|
        DELAY 9999 07)yG:q*x
        NGRID 6 '|4!5)/K
        ANNEAL 200 20 Q 8Y3I0S
        COLORS 3 F/Pep?'
        SNAPSHOT 10 -&;TA0~;
        QUICK 40 100 eFAnFJ][L
        END fh{`Mz,o
        SPECIAL PANT C?Ucu]cW
H-%v3d>3
        END GL JMP^p
        SPECIAL AANT mTh]PPo
        ACA 60 .1 1 2%>FR4a
        ADT 6 .1 1 C7vxw-o|&p
        M 0 .01 A P HH 1 uMv1O{
        LLL 22 1 1 A BACK P$sxr
        LUL 250 1 1 A TOTL &R siVBA
    END [V!tVDs&'o
    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。）

CJ%I51F`X
    ADA 5 QUIET yBRC*0+Vy
7rPF$ \#
    PANT RL<c>PY
    VY 0 YP1 bxWa oWE0
    VLIST RD ALL <| &Npd'
    VLIST TH ALL d1kJRJ
    VY   1 GLM ap~^Ty<>
    VY   3 GLM 875od
    VY   5 GLM 1sCR4L:+
    VY   7 GLM {PmZ9
    VY   9 GLM &0f,~ /%Z
    END v3qA":(w+(
    AANT P AEC 80;(Gt@<"
    ACC =mGez )T5\
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 Wl Sm
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 ZB&6<uw
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 d %#b:(,
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 `lPfb[b
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 Ev P{p
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 j.kG};f
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 H|D.6^
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 X7wKy(g
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 d[35d J7F
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 ;6wA"
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 3,=6@U
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 ?s _5&j7
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 \4#W xZ
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 &=Wlaa/,&
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 Z<phcqEi8
      ACA 60 .1 1 l+R+&b^
      M 0 .01 A P HH 1 F>cv<l =6l
      LLL 22 1 1 A BACK 3Y~>qGQwh
      LUL 250 1 1 A TOTL iIogx8[
    END :c[L3rJl
    SNAP/DAMP 1 ;\l,5EG
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

L:8q8i
command ASY shows the data of this DOE. W];dD$Oqg
r4f~z$QK
SPECIAL SURFACE DATA x=jK:3BF
______________________________________________________________________________ kxRV)G
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) yA>nli=
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 -GgA&dh
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 (M ~e?s
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 9I/N4sou
DIFFRACTION ORDER:        -1 uH-)y,2&
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) ym6K!i]q4
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。

.}`Ix'.
    VY 1 G 16 n}77##+R&C
    VY 1 G 26 e,5C8Q`Z
    VY 1 G 27 QVE6We
    VY 1 G 28 6i*sm.SDw
    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！）

p[lA\@l[
    !ADA 5 QUIET fg{n(TE"8
S@ f9c
    PANT Zsh9>]ML
    VY 0 YP1 9<)NvU^-r
    VLIST RD ALL 27< Enq]
    VLIST TH ALL e NafpK
    VY   1 GLM s|B3~Q]
    VY   3 GLM .y,0[i V N
    VY   5 GLM qcGK2Qx
    VY   7 GLM 2,P^n4~A?w
    VY   9 GLM Zoc0!84<z
50C
    VY 1 G 16 UEVG0qF
    VY 1 G 26 -FlzEZ
    VY 1 G 27 "v4B5:bmqW
    VY 1 G 28 wsVV$I[2
    VY 1 G 29 mo#04;VF
    VY 1 G 30 HgkC~'
    VY 1 G 31 1~QPG\cdIX
    VY 1 G 32 @k/NY*+
$"&{aa
    VY 9 G 16 7 ^mL_SMj
    VY 9 G 26 P_p<`sC9
    VY 9 G 27 ?8Cq{
    VY 9 G 28 *C=>X193U
    VY 9 G 29 ApXy=?fc
    VY 9 G 30 Nl(3Xqov
    VY 9 G 31 !1Cy$}w
    VY 9 G 32 NS6:yX,/
    END qc~iQSI
    …

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。

?_"ik[w}
    RLE VEw"
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 ^UhBH@ti
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 k/gZ,
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 3fJc 9|
     APS               1  UNITS MM Z@@K[$
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR #3 pb(fbw
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 SrK<fAkx
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 .JiziFJ@mj
     CWAV        0.587600 g]yBA7/S"
     HIN        1.517000       55.000000 ^J8lBLqe
       RNORM    61.6138 n`&U~s8w
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 TSWM |#u':
       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 ;Nj7qt
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 /mu*-,aeX
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR Y6L~K?
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 <)-Sj,
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 5vZ^0yFQ
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR \1 &,|\E#
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 JOLaP@IPT
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 5K?IDt7A]
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR =j*$ |X3W
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 fG(SNNl+D
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 -FQ 'agf@&
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR aC.~&MxFC
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 K8.!_ c
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 *zL}&RUKM
       9 USS  16 qF-@V25P
     CWAV        0.587600 X;c'[q
     HIN        1.517000       55.000000 sCb=5uI
       RNORM    17.8887 xzZ38xIhV
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 vf%&4\ib
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 }\:NuTf
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 6@0OQb
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 Hi1JLW,
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR [>%xd)8.c
      10 CV      -0.00643491 }YNR"X9*)/
      10 UMC     -0.14285714 7.#F,Ue_0T
      10 TH     127.09309610 y)!5R3b
    10    YMT      0.00000000 i,4>0o?
    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。

查看本帖完整版本: [-- DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件 --] [-- top --]