SYNOPSYS 光学设计软件课程十九：DOE在现代镜头设计中的应用

^]K_k7`I
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。 Mp}U>+8
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）。

o^mW`g8[
    CORE 16 Hi#hf"V
        DSEARCH 1  QUIET !IcPO
        SYSTEM d-y8c
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY ta%yQd7
        OBB 0 25 12 #V@[<S2
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 ;tlvf?0!
05Ak[OOU>
        UNITS MM |Y4c+6@_
        END voiWf?X
        GOALS `@RTfBBg
        ELEMENTS 5 +JsMYv
        FNUM 3.5 ;O+= 6>W
        BACK 0 0 N:_.z~>%
        TOTL 0 0 !#3v<_]#d
        STOP MIDDLE |cs]98FEf
        STOP FREE EN^5Hppb
        RSTART 50 100 200 400 A{MMY{K3
        RT 0.5 ZwM(H[iqL
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 c~SR@ZU
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 MR}=tO
        NPASS 100 x.8fxogz
        DELAY 9999 5<YV`T{5Kl
        NGRID 6 T,r?% G{XE
        ANNEAL 200 20 Q 7_HFQT1.N
        COLORS 3 }20~5!
        SNAPSHOT 10 1 8%+ Hy=
        QUICK 40 100 l|v`B6(
        END WUrE1%u
        SPECIAL PANT a5caryZ"z
#x*\dL
        END $t0o*i{
        SPECIAL AANT XlLG/N
        ACA 60 .1 1 DaP,3>M
        ADT 6 .1 1 ,+~8R"
        M 0 .01 A P HH 1 {>g{+Eq
        LLL 22 1 1 A BACK 5:|9pe)
        LUL 250 1 1 A TOTL 2DUY4Ti
    END [n4nnmM
    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。）

9fm9xTL
    ADA 5 QUIET xpX<iT>5u
SSxp!E'
    PANT #/_{(P
    VY 0 YP1 > a;iX.K
    VLIST RD ALL X!_&%^L'
    VLIST TH ALL #N"m[$;QR
    VY   1 GLM JR8|!Of@B
    VY   3 GLM X$e*s\4
    VY   5 GLM 4_kY^"*#"
    VY   7 GLM ]~2iducB,
    VY   9 GLM EQN)y27poW
    END Qk? WX (`B
    AANT P AEC O uNPDq%
    ACC _3(rwD
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 fV@[S
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 s_ t/
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 BmKf%:l}
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 ~m_{&,CA.
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 f0vO(@I
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 :s6aFiz
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 Y?TS,
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 ]DKRug5
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 Mgr?D
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 6R,Y.srR
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 K[kK8i+(
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 P0yDL:X[
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 6@TU9AZS`
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 fX]`vjM{
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 $33E-^
      ACA 60 .1 1 n&Ckfo_D
      M 0 .01 A P HH 1 MA,*$BgZ
      LLL 22 1 1 A BACK & XmaGtt
      LUL 250 1 1 A TOTL hw,nA2w\
    END D%~tU70a
    SNAP/DAMP 1 w i[9RD@
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

eT+i&
command ASY shows the data of this DOE. y{/7z}d
Kf1J;*i|\
SPECIAL SURFACE DATA ("\{=XAQ
______________________________________________________________________________ Ym1vq=
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) <Xl#}6II
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 tPQ|znB|
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 w%.hALN5-C
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 +!0K]$VZs
DIFFRACTION ORDER:        -1 jB(+9?;1${
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) =B9-}]DDO
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，

0W(mx-[H/
    VY 1 G 16 3l%Qd<
    VY 1 G 26 y QClq{A
    VY 1 G 27 Iz1x|EQ
    VY 1 G 28 i+h*<){X
    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！）

wkM1tKhy/
    !ADA 5 QUIET >=[uLY[aK
pASX-rb
    PANT W}f)VC;D
    VY 0 YP1 r|EN5
    VLIST RD ALL qtExd~E
    VLIST TH ALL F%h3?"s
    VY   1 GLM ZU73UL
    VY   3 GLM Z#Mm4(KNh
    VY   5 GLM A#. %7S
    VY   7 GLM 1Z)Et,
    VY   9 GLM ?qNU*d
1Ng+mT
    VY 1 G 16 c,4~zN8Ou
    VY 1 G 26 Q,[G?vbj
    VY 1 G 27 ^O18\a
    VY 1 G 28 iM@$uD$_Q2
    VY 1 G 29 umIGI
    VY 1 G 30 i)?7+<X
    VY 1 G 31 C`hdj/!A
    VY 1 G 32 23wztEp{a
J?9jD:x
    VY 9 G 16 ~Q&J\'GQH
    VY 9 G 26 _#u\ar)
    VY 9 G 27 5MVa;m
    VY 9 G 28 inWLIXC,
    VY 9 G 29 p?i.<Z
    VY 9 G 30 _~z oMdT!
    VY 9 G 31 ( zWBrCX
    VY 9 G 32 uzBQK
    END C^L+R7
    …

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。

*%Rmdyn
    RLE !;eE7xn&
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 $ln8Cpbca
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 i"h\*B=
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 1,-C*T}nR
     APS               1  UNITS MM )2&3D"V
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR :C:6bDQ
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 dHy9 wU
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 l=E86"m
     CWAV        0.587600 ev4[4T-(@
     HIN        1.517000       55.000000 k =5k)}i
       RNORM    61.6138 fpR|+`k
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 =Hg!@5]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 P8eCaZg?(3
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 .nPOjwEx&Y
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR XQo\27Fo
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 \ %Mcvb.?
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 o{PG& }K
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR Anz{u$0M[
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 [d`E9&Hv3
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 IL*B@E8
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR #`VAw ) eV
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 ]SQ+r*a
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 ?()*"+N(ck
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR B[N]=V
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 y98FEG#S}
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 L/i'6(="
       9 USS  16 cYA:k
     CWAV        0.587600 Db|f"3rq?
     HIN        1.517000       55.000000 LCivZ0?|X
       RNORM    17.8887 0t7N yKU
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 c,a8#Og
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ;/Hr ZhOE
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 o%_-u +
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 LKM018H>
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR "V[j&B)P
      10 CV      -0.00643491 dla_uXtM6
      10 UMC     -0.14285714 C~&E7w
      10 TH     127.09309610 ~O}r<PQ
    10    YMT      0.00000000 xrf|c
    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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