SYNOPSYS 光学设计软件课程十九：DOE在现代镜头设计中的应用

rN'}IS@5
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。 ,%U\@*6=
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）。

}brBhe8a
    CORE 16 gSkY c{b
        DSEARCH 1  QUIET =z\/xzAwX
        SYSTEM &.JJhX
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY ;#=y5Q4
        OBB 0 25 12 _z>%h>L|g
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 'ql<R0g
W&7(
        UNITS MM Xt!wOW
        END <4TF ]5
        GOALS bSa]={}L(
        ELEMENTS 5 G)&!f)6
        FNUM 3.5 nI/kX^Pd
        BACK 0 0 Rg3g:TV9c
        TOTL 0 0 PoD/i@
        STOP MIDDLE 3|D.r-Q
        STOP FREE NG: f>R
        RSTART 50 100 200 400 omI"xx
        RT 0.5 h$p}/A
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 ON"p^o>/_?
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 L$^)QxH7
        NPASS 100 {FR+a**
        DELAY 9999 !\\OMAf7
        NGRID 6 S 9;FD3
        ANNEAL 200 20 Q Z9i~>k
        COLORS 3 : :928y
        SNAPSHOT 10 S$/SFB$)~W
        QUICK 40 100 [XkWPx`
        END \_7'f
        SPECIAL PANT ;A0ZcgF
-/_hO$|W
        END Yn>FSq^Wp-
        SPECIAL AANT |}@teN^J*U
        ACA 60 .1 1 ,nJCqX~/G
        ADT 6 .1 1 \W|ymV_Ki
        M 0 .01 A P HH 1 V-18~+F~"a
        LLL 22 1 1 A BACK E,QD6<?[
        LUL 250 1 1 A TOTL B/B`=%~5_^
    END -c#vWuLl
    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。）

SPnW8
    ADA 5 QUIET {x~r$")c?
qR kPl!5
    PANT ;X+cS,h
    VY 0 YP1 NKRm#
    VLIST RD ALL RY\0dv>
    VLIST TH ALL c/%GfB[w0
    VY   1 GLM DIgur}q)@
    VY   3 GLM ~|ha91
    VY   5 GLM k<RaC=
    VY   7 GLM tUGF8?& G
    VY   9 GLM fn8|@)J
    END pxCQ=0k
    AANT P AEC (W#^-*$R
    ACC XE#$|Z
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 #<es>~0!
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 3!8u
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 9ZDbZc
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 azG"Mt|7Z
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 *P?Rucg
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 M]xfH*
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 f67t.6Vw2+
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 W)L*zVj~
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 xrkR)~ E
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 #Vy:6O
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 fM"&=X
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 |g"K7XfM4
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 HIda%D
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 K*M1$@5
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 .u]d5z BR
      ACA 60 .1 1 Kp19dp}'b
      M 0 .01 A P HH 1 "YVr/u
      LLL 22 1 1 A BACK T>,[V:
      LUL 250 1 1 A TOTL !Oi':OQG
    END @0%[4
    SNAP/DAMP 1 H!|g?"C
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

spWo{
command ASY shows the data of this DOE. YR[I,j
|Z8Eu0RSb
SPECIAL SURFACE DATA c7nbHJi
______________________________________________________________________________ DXZZZ[#
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) [EK@f,iM
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 :Xu9`5
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 Cv;#8Wj}
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 yTf/]H]d
DIFFRACTION ORDER:        -1 YUTI)&y
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) CtZOIx.;|
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，

c GyBml1
    VY 1 G 16 R:[#OH.c
    VY 1 G 26 .UvDew/Y
    VY 1 G 27 Uy@:-NC)kn
    VY 1 G 28 #VxN [770
    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！）

9<o*aFgCa
    !ADA 5 QUIET #k,.xMJ~
iu2O/l#r
    PANT t ;fJ`.
    VY 0 YP1 COj^pdE3
    VLIST RD ALL h-U]?De5\
    VLIST TH ALL *;Za))
    VY   1 GLM PJ,G_+b!
    VY   3 GLM S|?P#.=GX
    VY   5 GLM m= %KaRI
    VY   7 GLM B7sBO6Z$J
    VY   9 GLM gUYTVp Vf
8t|?b
    VY 1 G 16 Pfd%[C/vdm
    VY 1 G 26 X]dN1/_
    VY 1 G 27 #}Bv/`t
    VY 1 G 28 gLlA'`!
    VY 1 G 29 L]l?_#*x
    VY 1 G 30 QHd|cg
    VY 1 G 31 '@5x=>
    VY 1 G 32 1B$8<NCQ=?
7/K'nA
    VY 9 G 16 EJNHZ<
    VY 9 G 26 U*XdFH}vV
    VY 9 G 27 N|8^S
    VY 9 G 28 r]Lj@0F>8
    VY 9 G 29 iH>b"H>
    VY 9 G 30 {c7@`AV]
    VY 9 G 31 - %?>1n
    VY 9 G 32 99n;%W>
    END }%<cFi &
    …

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。

<3Rq!w/
    RLE Z{2QDjAI;
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 /=QsZ,~xo
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 HUbXJsSP
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 3wQ\L=
     APS               1  UNITS MM !/1~
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR -CALUX
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 I<"UQ\)
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 WGo ryvEx
     CWAV        0.587600 JB!*{{
     HIN        1.517000       55.000000 nN>Uh T
       RNORM    61.6138 Z/:W.*u
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 (l/i#
       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 n.,ZgLx["
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 @P[%6 d
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR N9vNSmm
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 I/gfsyfA
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 m"o=R\C
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR ]SN5&S
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 `:2np{
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 mA#^Pv*
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR 5nK|0vv%2
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 )-1$y+s>
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 @[1,i~H
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR V1A7hRjxvG
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 S)"vyGv
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 $>Gf;k
       9 USS  16 Rli`]~!w
     CWAV        0.587600 [TT:^F(Y
     HIN        1.517000       55.000000 }}wSns
       RNORM    17.8887 X*e:MRw[
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 7e{w,.ny!
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 8:]5H}Hi
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 9~ifST\
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 FH;)5GGnv
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR k;.<DN
      10 CV      -0.00643491 _HAr0R8BY
      10 UMC     -0.14285714 GF0Utp:Zf;
      10 TH     127.09309610 z] |Y
    10    YMT      0.00000000 ^(:na6C
    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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