SYNOPSYS 光学设计软件课程十九：DOE在现代镜头设计中的应用

#&8rcu;/
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。 {eT.SO
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）。

!0}\&<8/m
    CORE 16 \}"m'(\c
        DSEARCH 1  QUIET 3$/ 4wH^
        SYSTEM ULqoCd%bK
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY z\!K<d"Xv
        OBB 0 25 12 EL{vFP
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 9pSUIl9|j
$)Bg JDr
        UNITS MM 9Kv|>#zff
        END <V&5P3)d9
        GOALS zJN7<sv
        ELEMENTS 5 -ysn&d\rV
        FNUM 3.5 aUopNmN
        BACK 0 0 CNrIIsJ
        TOTL 0 0 `BXS)xj
        STOP MIDDLE dJk9@u
        STOP FREE 6,b"
        RSTART 50 100 200 400 <[~,uR7
        RT 0.5 83Ou9E!W
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 ,FSrn~-j9
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 !q"cpL'4
        NPASS 100 1NLg _UBOK
        DELAY 9999 {S.>BXX
        NGRID 6 R^&q-M=O[
        ANNEAL 200 20 Q \?fIt?
        COLORS 3 y/_XgPfWU
        SNAPSHOT 10 C(?blv-vM0
        QUICK 40 100 !nf-}ze{
        END \IM4Z|NN"
        SPECIAL PANT t67Cv/r~
['qnn|
        END J$ut_N):N
        SPECIAL AANT TLa]O1=Bf.
        ACA 60 .1 1 0Q9T3X
        ADT 6 .1 1 2t#L:vY
        M 0 .01 A P HH 1 I/J7rkf
        LLL 22 1 1 A BACK ssQ BSbx
        LUL 250 1 1 A TOTL 4@3[
    END Hf gz02Z$
    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。）

}:Z9Vc ZP`
    ADA 5 QUIET >]D4Q<TY
pW\'ZRj
    PANT ?}QH=&=^
    VY 0 YP1 F\JUx L@8
    VLIST RD ALL oMH.u^b]fT
    VLIST TH ALL cI0 ]}S
    VY   1 GLM j Ch=@<9
    VY   3 GLM Ukz;0q
    VY   5 GLM E2wz(,@
    VY   7 GLM HfNDD|Zz
    VY   9 GLM #\rwLpC1u
    END (=x"Y{%
    AANT P AEC o2H1N~e#c
    ACC 32)tJ|m
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 PXKJ^fa
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 q>!L6h5]t
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 .d<W`%[
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 ~l[ra
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 mB'3N;~
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 v-j3bB
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 :a[Ihqfg
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 _o3e]{
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 (t^n'V
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 n||A" @b\
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 |s+0~$O;
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 jyS=!ydn+
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 )=pD%$iq
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 E$s/]wnr[
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 M)-6T{[IT
      ACA 60 .1 1 alMYk
      M 0 .01 A P HH 1 Qq& W3
      LLL 22 1 1 A BACK w&h2y4
      LUL 250 1 1 A TOTL 9' 1B/{
    END \/`?
    SNAP/DAMP 1 Ol/\t
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

4Aes#{R3v
command ASY shows the data of this DOE. ^y.nDs%ZT7
IV16d
SPECIAL SURFACE DATA %hS|68pN6
______________________________________________________________________________ B0}~G(t(
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) -!M,75nU
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 G`h+l<
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 Z [Xa%~5>5
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 +YY8h>hj
DIFFRACTION ORDER:        -1 +Lm4kA+aE5
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) '1SG(0
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，

z$lF)r:Bc
    VY 1 G 16 _o6G6e,
    VY 1 G 26 nt1CTWKM8^
    VY 1 G 27 *O$CaAr\s
    VY 1 G 28 0>Z ;Ni
    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！）

jn%kG ~]'Q
    !ADA 5 QUIET q0mOG^
4'pS*v
    PANT W`rNBfG>
    VY 0 YP1 [dX`K`k
    VLIST RD ALL *4Fr&^M\
    VLIST TH ALL mABe'"8
    VY   1 GLM DC+wD Bp;
    VY   3 GLM 1nhtM
    VY   5 GLM X&m'.PA
    VY   7 GLM gYAF'?
    VY   9 GLM 2(!fg4#+
T$4P_*
    VY 1 G 16 )vB2!H/
    VY 1 G 26 vEe NW
    VY 1 G 27 h&@R| N
    VY 1 G 28 M[5[N{
    VY 1 G 29 R>@uY(>dJ
    VY 1 G 30 zzGYiF?
    VY 1 G 31 <3X7T6_:@
    VY 1 G 32 )u ?' ;
u'A#%}3
    VY 9 G 16 hPhZUL%
    VY 9 G 26 `em9T oJV
    VY 9 G 27 /(C~~XP)
    VY 9 G 28 4JIYbb-a'
    VY 9 G 29 7EhN u@5-
    VY 9 G 30 ^t"iX9
    VY 9 G 31 -|yb[~3
    VY 9 G 32 $3+PbYY
    END 7B9`<{!h
    …

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。

Ft JjY@#
    RLE 8 (jUe
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 ({}(qm
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 {4 >mc'dv
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 Eu<1Bse;
     APS               1  UNITS MM he3SR@\T
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR 9X<OJT;3J
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 2i#Sn'1
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 _#$9 y1bd
     CWAV        0.587600 2Nc>6
     HIN        1.517000       55.000000 1[nG}
       RNORM    61.6138 }}{!u0N},V
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 1{"llD
       1 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00    1 XDD  3   1.6576954E+01 -1.5772577E+02  5.5355850E+02 -1.2824350E+03  2.0288263E+03 '8FC<=+p[
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 w[Gh+L30=5
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR ']6VB,c`
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 %5Kq^]q;Y
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 SJ' % ^
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR 5__+_hO ;3
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 hm$X]H`uMX
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 ]ekk }0
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR 3M*Bwt;F_
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 jD,Baz<
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 TTNkr`
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR ^S)TO}e
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 *mG`_9
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 =(AtfW^H
       9 USS  16 De *7OC
     CWAV        0.587600 `RQ#.
     HIN        1.517000       55.000000 omZO+=8Q
       RNORM    17.8887 z T%U!jqI
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 d~tuk4F
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ;bu#8,
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 r~[vaQQ6L
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 }7<5hn E
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR :q3+AtF
      10 CV      -0.00643491 [}mA`5
      10 UMC     -0.14285714 "GT4s?6O
      10 TH     127.09309610 qf'm=efRyu
    10    YMT      0.00000000 :y]Omp
    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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