DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

|SSSH
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。 lfgq=8d
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）。

& J'idYD
    CORE 16 ~,Ix0h+H+M
        DSEARCH 1  QUIET JPHL#sKyz
        SYSTEM >uRI'24
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY SKN`2[ahD
        OBB 0 25 12 adcE'fA<_
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 Gb6'n$g
&Z@o Q
        UNITS MM a58H9w"u)
        END uH^-R_tQ
        GOALS &r/Mi%
        ELEMENTS 5 eo?bL$A[s
        FNUM 3.5 t=iIY`Md%
        BACK 0 0 O0v}43J[
        TOTL 0 0 .~;\eW[
        STOP MIDDLE 9.-S(ZO
        STOP FREE 2]*OQb#O6e
        RSTART 50 100 200 400 !;A\.~-!G
        RT 0.5 `U_)98
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 Wn2NMXK
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 }($5k]]clP
        NPASS 100 q3!bky\
        DELAY 9999 B9z?mt'|r)
        NGRID 6 (?c"$|^J
        ANNEAL 200 20 Q kDioD
        COLORS 3 CAhXQ7w'Z
        SNAPSHOT 10 +O{*M9B
        QUICK 40 100 2/^3WY1U
        END 3nQ`]5.Q w
        SPECIAL PANT v\ )W?i*l
~36!?&eA8
        END cm+Es6;
        SPECIAL AANT {!L~@r
        ACA 60 .1 1 8GUX{K
        ADT 6 .1 1 %tGO?JMkd
        M 0 .01 A P HH 1 #;e:A8IQ
        LLL 22 1 1 A BACK oG\Vxg*
        LUL 250 1 1 A TOTL r,p%U!S<hV
    END S,UDezxg
    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。）

T0)@pt7>
    ADA 5 QUIET U5de@Y
/J;Kn]5e
    PANT /U9"wvg
    VY 0 YP1 f+!(k)GWd
    VLIST RD ALL y<Ot)fa$
    VLIST TH ALL 7!E,V:bt'
    VY   1 GLM (!WD1w
    VY   3 GLM Q;rX;p^W
    VY   5 GLM 8d'0N
    VY   7 GLM 5rik7a)Z]
    VY   9 GLM S,he6zS
    END b]KBgZ
    AANT P AEC 4V`G,W4^J
    ACC [4f{w%~^
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 b>ySv
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 ^1];S^nD
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 x.$FNt(9
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 s$j,9uRr
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 f@!.mDm]
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 lThB2/tV\
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 6'f;-2
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 Q$"D]!G
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 ;2QP7PrSY
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 %pCTN P
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 ;$g?T~v7
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 p`qgrI`
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 kAUymds;O
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 ECmW`#Otb)
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 >m\(6x8RE
      ACA 60 .1 1 p!%pP}I
      M 0 .01 A P HH 1 FS.L\MjV]U
      LLL 22 1 1 A BACK xAm6BB c
      LUL 250 1 1 A TOTL Q3?F(ER@
    END Nh+H9
    SNAP/DAMP 1 dM@1l1h/
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

{'H(g[k
command ASY shows the data of this DOE. om>KU$g
Y'X%Aw;`
SPECIAL SURFACE DATA e\/w'
______________________________________________________________________________ w0unS`\4
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) ^-'fW7[m
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 lyhiFkO iH
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 WNc0W>*NE1
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 a 1*p*dM#
DIFFRACTION ORDER:        -1 MolgwVd
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) xT2PyI_:
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。

A3*!"3nU
    VY 1 G 16 j'K/22
    VY 1 G 26 _)-o1`*-
    VY 1 G 27 5!9zI+S|=`
    VY 1 G 28 k9F=8q
    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！）

BJ(M2|VH
    !ADA 5 QUIET `M6)f?|$.
/qw.p#
    PANT \73ch
    VY 0 YP1 9N3eN
    VLIST RD ALL akQ7K
    VLIST TH ALL )`D:F>p*
    VY   1 GLM 8dhUBJ0_
    VY   3 GLM .N(p=9
    VY   5 GLM @KAI4LP
    VY   7 GLM a'IdYW0
    VY   9 GLM U/BR*Zn]*
T[j,UkgGo
    VY 1 G 16 k VQ\1!
    VY 1 G 26 :~^(g$Z
    VY 1 G 27 :Ux_qB
    VY 1 G 28 Xha..r
    VY 1 G 29 #LOwGJ$yVz
    VY 1 G 30 Du){rVY^d
    VY 1 G 31 lw5`p,`
    VY 1 G 32 1-QS~)+
g=o4Q< #^y
    VY 9 G 16 ,7b[!#?8
    VY 9 G 26 >F&47Yn
    VY 9 G 27 7VI*N)OZ8
    VY 9 G 28 S21,VpW\
    VY 9 G 29 X\F|Tk3_
    VY 9 G 30 ~e.L.,4QZ8
    VY 9 G 31 #R RRu2
    VY 9 G 32 ?G&ikxl
    END 8HdAFRw
    …

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。

>-{Hyx
    RLE \D&KC,i5f
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 B?o7e<l[
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 L&OwPd
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 4ss4kp_>
     APS               1  UNITS MM {kAc(
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR xAP+FWyV
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 2dgd~
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 gltBC${7wZ
     CWAV        0.587600 da~],MN
     HIN        1.517000       55.000000 c6/=Gq{.
       RNORM    61.6138 *HB-QIl
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 1g~R/*Jo
       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 FU<Jp3<%
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ?[>3QE
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR kz7(Z'pw
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 gKCX|cULY
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 G9@0@2aY8
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR w)jISu;RG
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 8sK9G` k
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 xi;`ecqS<
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR bK-N:8Z
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 i(+p0:< 0
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 ,3 u}x,
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR {2"zVt#h
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 `pZm?}K
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 ##4HYQ%E
       9 USS  16 ROZF)|l
     CWAV        0.587600 7i1q wRv
     HIN        1.517000       55.000000 t@+}8^M
       RNORM    17.8887 BJo*'US-Q
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 "G9xMffW
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ]:/Q]n^
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 ib791
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 $a ` G
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR iMRwp+$
      10 CV      -0.00643491 dN[\xVcj
      10 UMC     -0.14285714 Nu~lsWyRI5
      10 TH     127.09309610 U\!X,a*ts{
    10    YMT      0.00000000 =zs`#-^8
    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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