SYNOPSYS 光学设计软件课程十九：DOE在现代镜头设计中的应用

^YenS6`F
在本课中，我们将重新设计一个5片镜片的镜头，然后在某处添加衍射光学元件（DOE），查看是否可以改善其性能。 `@?l{
通过MDS对话框中的定义选项将创建一个MACro，它将运行DSEARCH命令，并填充所有数据。

该设计将输入F / 3.5，半视场角为25度，孔径为12毫米。我们选择使用SPECIAL AANT代码来控制后焦，这样可以使后焦长度大于22毫米。我们还要求主光线角度不能过大。
当我们单击OK 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）和一个数量为6的网格（因为非球面和DOE会导致高阶孔径像差）。

p8Lb*7W
    CORE 16 :!g|0CF_
        DSEARCH 1  QUIET wC@4`h\U
        SYSTEM 7" Dw4}T
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY 2NIK0%6
        OBB 0 25 12 -Zocu<Rs
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 H'?Bx>X
y'2K7\>E
        UNITS MM |=N8X
        END e)!X9><J
        GOALS aJI>qk h?]
        ELEMENTS 5 s) V7$D
        FNUM 3.5 #3kR}Amow
        BACK 0 0 )bi*y`UM]
        TOTL 0 0 &>L\unS
        STOP MIDDLE Gp@Y=mU
        STOP FREE 7lR(6ka&/
        RSTART 50 100 200 400 sl |S9Ix
        RT 0.5 3"I1'+
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 mQVduG
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 ?o9l{4~g
        NPASS 100 &rcr])jg[
        DELAY 9999 <mrLld#_:C
        NGRID 6 9XobTi3+'
        ANNEAL 200 20 Q C(e!cOG
        COLORS 3 FE/&<g0,:
        SNAPSHOT 10 6st(s@>
        QUICK 40 100 ={={W
        END <(3Uu()
        SPECIAL PANT nHyWb6
"9kEqz4a
        END k(%RX_]C
        SPECIAL AANT ax>en]rNP
        ACA 60 .1 1 rAP+nh ans
        ADT 6 .1 1 OSfwA&
        M 0 .01 A P HH 1 1;.}u=8
        LLL 22 1 1 A BACK 97F$$d54T
        LUL 250 1 1 A TOTL P4R.~J ;8
    END 2kCJqyWy
    GO

我们要设计DOE曲面，需要选择五个视场进行校正。
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能将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返回的最好镜头，并不能满足我们的要求。

我们可以通过增加更多的镜片数来获得更好的结果 - 但是我们希望，通过将其中一个镜头，更改为DOE来改进我们的镜头。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。让我们来试试DOE。在顶部添加另一条MACro。（“ADA”表示自动DOE分配。）

Srol0D I
    ADA 5 QUIET FY#`]124*
(z^2LaM `8
    PANT 6kIq6rWF9
    VY 0 YP1 O}#*U+j
    VLIST RD ALL Gp32\^H|<
    VLIST TH ALL r)U9u 0
    VY   1 GLM w:z_EV!&
    VY   3 GLM "thfd"-
    VY   5 GLM pSV 8!
    VY   7 GLM kIXLB!L2b^
    VY   9 GLM r~t&;yRv
    END 3'1O}xO
    AANT P AEC Fo~C,@/Qt
    ACC Z!LzyCVl
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 `pII-dSC%
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 Kq-y1h]7H
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 F\,3z7s
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 v,g,c`BjK
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 $5il]D`
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 #i)h0ML/e
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 H~x0-q<8
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 s2w.V O
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 ;=B&t@
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 f"k/j?e*
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 |$bZO`^
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 ] +Gi~
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 @jwUH8g1
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 W]6Y buP:
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 Kpj0IfC,10
      ACA 60 .1 1 x`C;
      M 0 .01 A P HH 1 $Fd9iJ!k
      LLL 22 1 1 A BACK ckhW?T>l
      LUL 250 1 1 A TOTL LR9dQ=fHS
    END ;'=!Fv
    SNAP/DAMP 1 $XT&8%|*7
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

xwK<f6H!y
command ASY shows the data of this DOE. W&+UF'F2
v]_{oj_(-
SPECIAL SURFACE DATA )O2^?Q quS
______________________________________________________________________________ v,p/r)E
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) QdDdrR^&
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 \>,{)j q;
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 ,JVD ;u
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 E\RQm}Z09
DIFFRACTION ORDER:        -1 wXNFL9F8
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) C7qbofoV
XD 13  5.395981E-06 (R**6)  XD 14  6.889557E-06 (R**8)

我们尝试增加第二个DOE。将变量添加到DOE项的PANT文件中，

/i^b;?/1
    VY 1 G 16 '1.T-.4>&
    VY 1 G 26 ?CmW{9O
    VY 1 G 27 V=E9*$b]
    VY 1 G 28 W0gaOew(^
    VY 1 G 29

然后再次运行MACro。这次它需要表面9面型变成DOE。

评价函数会有很大改进。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。（我们注销ADA命令，所以没有得到第三个DOE！）

vK2L"e
    !ADA 5 QUIET ]u2!)vZh'
] J:^$]
    PANT B8B^@
    VY 0 YP1 D%Pq*=W
    VLIST RD ALL m_(+-G
    VLIST TH ALL DSET!F;PG
    VY   1 GLM ,|T
    VY   3 GLM EJZl'CR
    VY   5 GLM Y Xn)?
    VY   7 GLM 3G5i+9Nt.L
    VY   9 GLM (*"R"Y
+J+]P\:
    VY 1 G 16 F=d#$-yg
    VY 1 G 26 YSv\T '3
    VY 1 G 27 ?~u"w OH'
    VY 1 G 28 =@{H7z(p&
    VY 1 G 29 *qKwu?]?>
    VY 1 G 30 H#wn3O
    VY 1 G 31 PTL52+}/
    VY 1 G 32 WR~uy|mX
Pi)`[\{
    VY 9 G 16 rD<@$KpP
    VY 9 G 26 "R):B~8|H{
    VY 9 G 27 e2/&X;2
    VY 9 G 28 ::adT=
    VY 9 G 29 &\c$s
    VY 9 G 30 JUwP<C[
    VY 9 G 31 JJ7-$h'0q
    VY 9 G 32 ~Bj-n6QDE
    END 8(uxz84ce
    …

现在我们再次运行它，然后模拟退火。

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）思考我们需要多少球面元件来获得这种质量，您可以自己尝试练习。

sV3/8W13
    RLE u5T\_0
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 jC;XY!d6
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 #lV&U
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 O6boTB_2
     APS               1  UNITS MM ^B]M- XG
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR gKS^-X{x
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 zPhNV8k-
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 /mqEc9sq,
     CWAV        0.587600 c#Ux{^ZE
     HIN        1.517000       55.000000 c;(}Ih(#
       RNORM    61.6138 mN~;MR;
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ^#gGA_H
       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 b/ ~&M+)
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 KDHR}`
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR !~>u\h
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 (K0FWTmm
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 6=|Q>[K
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR 64>Zr
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 (lt/ t
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 Q.vtU%T
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR ^"*r'
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 Qv']*C[!z
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 -+O8v;aC'
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR ! =|{
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 7!L"ef62o
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 6;5}% B:#h
       9 USS  16 #[Ns\%Ri0
     CWAV        0.587600 #l{qb]n]
     HIN        1.517000       55.000000 ]FsPlxk6
       RNORM    17.8887 2b3x|9o8
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 Eepy%-\
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 FDpNM\SR1l
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 ]6}|X#_
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 b\6w[52m
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR )UN@|IX
      10 CV      -0.00643491 OG}0{?
      10 UMC     -0.14285714 //|9J(B]
      10 TH     127.09309610 ~Dgui/r9J
    10    YMT      0.00000000 `YIpZ rB
    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

第二个可能对加工厂是一项挑战。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。正如您所见，SYNOPSYS™的ADA功能处于领先地位。

asdoptics	2019-03-03 21:56
优秀文章，支持！

xyk1	2021-08-09 17:56
感觉很棒，谢谢分享

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