SYNOPSYS 光学设计软件课程十九：DOE在现代镜头设计中的应用

;1y\!f3#V~
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。 _\1(7?0D
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）。

WAQv4&xGM
    CORE 16 1ri#hm0x\
        DSEARCH 1  QUIET jrW7AT)\
        SYSTEM Nd0Wt4=
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY bhgh ]{
        OBB 0 25 12 y"]> Rr
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 }cf-r>WaR
Z@*Z@]FC
        UNITS MM !7w-?1?D
        END P_Zo}.{
        GOALS s}A]lY
        ELEMENTS 5 HY42G#^
        FNUM 3.5 N7e^XUG
        BACK 0 0 y_nh~&
        TOTL 0 0 j^k{~]+_^]
        STOP MIDDLE d#W[<,
        STOP FREE %?g]{
        RSTART 50 100 200 400 BE U[M
        RT 0.5 FJD*A`a
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 zZy>XHR H
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 Tu"yoF
        NPASS 100 *R:nB)(6<
        DELAY 9999 H4pjtVBr
        NGRID 6 f]hW>-B(q
        ANNEAL 200 20 Q h0gT/x
        COLORS 3 c9& 8kq5
        SNAPSHOT 10 ]F_u
        QUICK 40 100 N Lo>"<Xb
        END S}|ea2
        SPECIAL PANT {<i!Pm
+I')>6
        END *zx;81X=
        SPECIAL AANT $51#xe
        ACA 60 .1 1 ~:0h o
        ADT 6 .1 1 k4|YaGhf
        M 0 .01 A P HH 1 oDRNM^gz
        LLL 22 1 1 A BACK fpqKa r
        LUL 250 1 1 A TOTL $L&*0$[]Q
    END M\GS&K$lq
    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。）

.d*vfE$
    ADA 5 QUIET uo%zfi?
2{%BQq>C
    PANT Q'rG' |
    VY 0 YP1 aH~il!K
    VLIST RD ALL =EG[_i{r
    VLIST TH ALL DS^Q0 f
    VY   1 GLM qzH97<M}T
    VY   3 GLM R{WG>c
    VY   5 GLM I7}[%(~Sf/
    VY   7 GLM 5=$D~>-#
    VY   9 GLM 4RK^efnp
    END 1,/oS&?E
    AANT P AEC m3,v&Z
    ACC [[)HPHSQ
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 %@IR7v~
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 'tdjPdw
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 `yf#(YP
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 d) > if<o
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 uXp0D$a
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 Ltu;sw
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 Z)ObFJMG5
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 @1kA%LLK
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 [#.QDe
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 d6Z;\f7[
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 .qHgQ_%
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 e06r5%|.%
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 U>{z*D
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 :0]KIybt
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 w+JDu_9+A]
      ACA 60 .1 1 jbG #__#_
      M 0 .01 A P HH 1 toP7b
      LLL 22 1 1 A BACK $V@IRBm
      LUL 250 1 1 A TOTL 7wZKK0;T
    END z,^baU
    SNAP/DAMP 1 -f'z_&KI
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

-ERDWY
command ASY shows the data of this DOE. >`t |a
yJ?4B?p(
SPECIAL SURFACE DATA x=9drKIw>
______________________________________________________________________________ R@ihN?k
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) D VC};
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 d^,u"Z9P
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 j{nL33T%
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 }PoB`H'K5
DIFFRACTION ORDER:        -1 ] @IzJz"R
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) Y>IEB,w
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，

XC~|{d
    VY 1 G 16 uN'e~X6
    VY 1 G 26 Z~v.!j0
    VY 1 G 27 g"F vD_
    VY 1 G 28 P0|V1,)
    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！）

!hEtUF
    !ADA 5 QUIET 6=iz@C7r
=r#of|`Q
    PANT %[5hTf
    VY 0 YP1 3g)pLW
    VLIST RD ALL j^>J*gLM}W
    VLIST TH ALL 6 fL=2a
    VY   1 GLM \&"gCv#
    VY   3 GLM yX/ 9jk
    VY   5 GLM 6"z:s-V
    VY   7 GLM K&\xbT
    VY   9 GLM ZI}7#K<9X
#T&''a
    VY 1 G 16 ' FF@I^O
    VY 1 G 26 zcy!YB
    VY 1 G 27 Qv|A^%Ub!
    VY 1 G 28 ;3 O0O
    VY 1 G 29 0M>+.}e+
    VY 1 G 30 %;~Vc{Xxt/
    VY 1 G 31 0p)#!$
    VY 1 G 32 9aHV~5
^cn%]X#.
    VY 9 G 16 ~ep-XO
    VY 9 G 26 C%vR!Az
    VY 9 G 27 a~>+I~^K5q
    VY 9 G 28 k+t?EZ6L
    VY 9 G 29 s#hIzt
    VY 9 G 30 (p>?0h9[
    VY 9 G 31 I<Wp,E9G#
    VY 9 G 32 jb|al[p\
    END N2#Wyt8MC
    …

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。

B<zoa=
    RLE m:SG1m_6
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 Jz<-B
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 NwP!.
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 UuPXo66F]
     APS               1  UNITS MM 6V-u<FJ
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR I&vD >a5#
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 ]{^'{z$i
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 /N'0@q
     CWAV        0.587600 _UI*W&*
     HIN        1.517000       55.000000 <NKmLAfX
       RNORM    61.6138 Td(eNe_4T
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 Gj!9#on$7R
       1 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00    1 XDD  3   1.6576954E+01 -1.5772577E+02  5.5355850E+02 -1.2824350E+03  2.0288263E+03 79`OB##
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 B>C+qj@
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR amvD5
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 P|j|0o,8p
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 =>3wI'I
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR \no6]xN;
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 .Q!_.LX
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 3u[m? Vw
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR ?TWve)U
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 O2{~Q{p
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 w.X MyHj
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR X(Z~oGyg
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 7XzhKA6
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 ![3 /!
       9 USS  16 -d>2&)5
     CWAV        0.587600 )+7|_7 !x
     HIN        1.517000       55.000000 aQ.QkMZ
       RNORM    17.8887 pKZRgA#kN
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 Y8v13"P6
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 =-bGH
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 I-Q@v`
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 aC90IJ8^
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR cV$an
      10 CV      -0.00643491 S@Iza9\|@
      10 UMC     -0.14285714 U_Jchi,!
      10 TH     127.09309610 X8 $Y2?<
    10    YMT      0.00000000 p~'iK4[&6
    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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