SYNOPSYS 光学设计软件课程十九：DOE在现代镜头设计中的应用

s.U p<Rw
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。 ~[{| s')
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）。

ZJqmD
    CORE 16 nHX@
        DSEARCH 1  QUIET >4c 1VEi
        SYSTEM BeRn9[
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY 7RZ7q@@fgh
        OBB 0 25 12 ?w+T_EH
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 bYz:gbs]4|
Z,z^[Jz
        UNITS MM *,(`%b[
        END W*0KAC`m
        GOALS 711z-
        ELEMENTS 5 nz(OHh!}u
        FNUM 3.5 8{RiaF8
        BACK 0 0 udB}`<Q
        TOTL 0 0 F{[Q
        STOP MIDDLE )`)cB)s
        STOP FREE q^s$4q
        RSTART 50 100 200 400 B0:O]Ax6.^
        RT 0.5 $_y"P
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 :2?du
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 v{9eEk1
        NPASS 100 pd|s7
        DELAY 9999 `c icjA@~
        NGRID 6 C-(&zwj?!
        ANNEAL 200 20 Q ("{'],>
        COLORS 3 T|u)5ww%
        SNAPSHOT 10 }\@*A1*X2
        QUICK 40 100 6l4l74
        END $I.'7 &h;
        SPECIAL PANT qnOAIP:0
MKbW^:
        END YRK4l\_`
        SPECIAL AANT 0@ -LV:jU
        ACA 60 .1 1 o,29C7Ii
        ADT 6 .1 1 0P|WoCX
        M 0 .01 A P HH 1 milU,!7J
        LLL 22 1 1 A BACK .e6:/x~p*
        LUL 250 1 1 A TOTL ]'"$qm:
    END mGIS[_dcs
    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。）

Z@1rs#
    ADA 5 QUIET 9N9;EY-U
E]68IuP@'
    PANT ?g!)[p`v
    VY 0 YP1 !nTq"d%(W
    VLIST RD ALL +;vfn>^!b
    VLIST TH ALL o/Z?/alt4
    VY   1 GLM smSUo/
    VY   3 GLM hp)3@&T
    VY   5 GLM P?>p+dM
    VY   7 GLM u|+O%s TQ
    VY   9 GLM GSypdEBj+w
    END )s!x)< d;
    AANT P AEC n84*[d}t
    ACC f;QWlh"9
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 eOS#@6U=u
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 R#oXQaBJ
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 =l {>-`:
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 NO'-HKHj
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 BwbvZfV|
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 GR/ p%Y(
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 4/$]wK`
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 QH+Oi&xH
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 pZXva9bE
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 `/"TYR%
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 6%:N^B=%}
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 |Kb-oM&^#
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 xmbkn}@A
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 syMB~g
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 &ceZu=*
      ACA 60 .1 1 k kY*OA
      M 0 .01 A P HH 1 -V(5U!^B
      LLL 22 1 1 A BACK U)N;=gr\
      LUL 250 1 1 A TOTL ]GRPxh
    END wF}/7b54
    SNAP/DAMP 1 [9X1;bO#f
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

hV_0f_Og
command ASY shows the data of this DOE. wuI+$?
hmQD-E{Ab
SPECIAL SURFACE DATA 7R ;!
______________________________________________________________________________ >!?u8^C
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) ?NJ\l5'
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 "J$vt`
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 ^[!LU
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 jrG@ +" }
DIFFRACTION ORDER:        -1 flnoK%wi
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) FSC74N/
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，

Za5*HCo
    VY 1 G 16 ]hc.cj`\W&
    VY 1 G 26 }m(u oT~
    VY 1 G 27 (eFHMRMv~
    VY 1 G 28 *o`bBdZ
    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！）

u+kXJ
    !ADA 5 QUIET ',v -&1R
5'Y @c
    PANT ]&jXD=a"
    VY 0 YP1 `#E1FB2M
    VLIST RD ALL 5e6f)[}
    VLIST TH ALL ZU5hHah.t
    VY   1 GLM >XM-xK-=
    VY   3 GLM PH^AT<U:T
    VY   5 GLM i.C+{QH
    VY   7 GLM glm29hF
    VY   9 GLM QQj)"XJ29
Tm 6<^5t
    VY 1 G 16 "l"zbW WOH
    VY 1 G 26 $<OX\f%
    VY 1 G 27 $_onSYWr
    VY 1 G 28 W c{<DE?J
    VY 1 G 29 c=0S]_
    VY 1 G 30 l q~^&\_#
    VY 1 G 31 g:7S/L0]
    VY 1 G 32 .i) H1sD
kFg@|#0v9
    VY 9 G 16 N`h,2!(j
    VY 9 G 26 %4*-BCP
    VY 9 G 27 S-NKT(H)c
    VY 9 G 28 |#^wYZO1U
    VY 9 G 29 `A_CLVE
    VY 9 G 30 @G@,)`p4?
    VY 9 G 31 ^~'tQ}]!"
    VY 9 G 32 R?Vs8?
    END e$u=>=jV]
    …

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。

j^-E,YMC
    RLE q$L=G
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 &mXJL3iN
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 P:,'
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 S~X&^JvT
     APS               1  UNITS MM .fY1?$*6c
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR q~]S5
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 {]BPSj{B
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 VRV*\*~$
     CWAV        0.587600 jM]B\cvN
     HIN        1.517000       55.000000 4 ;ybQ
       RNORM    61.6138 W5z<+8R
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 `S$zwot
       1 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00    1 XDD  3   1.6576954E+01 -1.5772577E+02  5.5355850E+02 -1.2824350E+03  2.0288263E+03 W}{RJWr
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 -5B>2K F
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR LS;j]!CU
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 Xo[j*<=0
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 z=%&?V
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR R!{^qHb
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 6Y9FU
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 Lu?MRF f
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR ]z3!hgTj
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 *9Ta0e*
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 r&!Ebe-
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR u-qwG/$E
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 iXLODuI
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 b* (~8JxZ
       9 USS  16 wzX(]BG
     CWAV        0.587600 }9=X*'BO
     HIN        1.517000       55.000000 0>{&8:
       RNORM    17.8887 q9+`pj
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 W;L<zFFbU)
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 '^mCLfo0}
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 T<XGG_NOl
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ^V6cx2M
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR 5\!t!FL_
      10 CV      -0.00643491 W3Gg<!*Uo
      10 UMC     -0.14285714 3QSA|
      10 TH     127.09309610 @G'&7-(h*
    10    YMT      0.00000000 _UP=zW
    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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