SYNOPSYS 光学设计软件课程十九：DOE在现代镜头设计中的应用

1#'wR3[+
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。 vq{:=:5'P
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）。

%63<Iz"
    CORE 16 G/y< bPQ
        DSEARCH 1  QUIET sJ,zB[e8
        SYSTEM hi37p1t
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY rg`"m
        OBB 0 25 12 "0 v]O~s
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 ?0.+DB $
AOTI&v
        UNITS MM S4Rv6{r:
        END 8Vq,J:+
        GOALS ^}WeBU
        ELEMENTS 5 ?.T=(-
        FNUM 3.5 AIE)q]'Q
        BACK 0 0 A81kb
        TOTL 0 0 rO-Tr
        STOP MIDDLE ?Z;knX\?J
        STOP FREE Bp}<H<@
        RSTART 50 100 200 400 ZXco5,1
        RT 0.5 f[.]JC+,
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 _+UD>u{
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 4Ld0AApncy
        NPASS 100 mFvw s
        DELAY 9999 Abj`0\
        NGRID 6 40Du*5M
        ANNEAL 200 20 Q *bZV4}
        COLORS 3 Gm*i='f!?
        SNAPSHOT 10 j"c"sF\q
        QUICK 40 100 ~oOOCB
        END nGRF<2!
        SPECIAL PANT }C)
%N!Y}$y
        END Q<"zpwHR
        SPECIAL AANT \ Xuu|]
        ACA 60 .1 1 N^)L@6
        ADT 6 .1 1 t.]oLG22r
        M 0 .01 A P HH 1 #j@Su )+
        LLL 22 1 1 A BACK +('jqbV
        LUL 250 1 1 A TOTL {4#'`Eejj
    END 75{QBlf<
    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。）

Lx2.E1?@
    ADA 5 QUIET 3C.bzw^
xHI>CNC,
    PANT +HNQ2YZ
    VY 0 YP1 c,e 0+
    VLIST RD ALL $NqT={!
    VLIST TH ALL Dtelr=/s
    VY   1 GLM W<kJ%42^j
    VY   3 GLM "Sl";.
    VY   5 GLM JgEpqA12
    VY   7 GLM :eDwkzlHH
    VY   9 GLM ?(hdV?8)P
    END K47W7zR
    AANT P AEC Io| 72W}rg
    ACC l 4(-yWC$H
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 I lvjS^j
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 O7:JG[tR*
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 a&|aK+^8;
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 Q;SMwCB0M
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 wn5CaP(]8
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 )mJl-u[0+
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 p)d'yj
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 D@&0 P&
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 TDA+ rl
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 $Y7q2
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 9aYCU/3
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 <[kdF")
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 7>v1w:cC]
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 ^#p Su
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 W8R@Pf
      ACA 60 .1 1 sZ7{_}B
      M 0 .01 A P HH 1 79=w]y
      LLL 22 1 1 A BACK a";(C,:0
      LUL 250 1 1 A TOTL Il>!C\hU
    END mRFcZ.7
    SNAP/DAMP 1 1]m]b4]
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

b\F(.8
command ASY shows the data of this DOE. G)M9to
wSBDJvI
SPECIAL SURFACE DATA kuqf(
______________________________________________________________________________ ) j_g*<
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) bwS1YGb
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 CUaI66
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 k7W7S`H
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 2D,9$ 0k_]
DIFFRACTION ORDER:        -1 vn9_tL&
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) &AG,]#
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，

]]J2#mN:n
    VY 1 G 16 g,@0 ;uVq
    VY 1 G 26 $RfM}!7?
    VY 1 G 27 AbC/
    VY 1 G 28 ]2+7?QL,
    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！）

2xN1=ug
    !ADA 5 QUIET a=+qR:wT
l}A8
    PANT 6Xu8~%i
    VY 0 YP1 )4vZIU#
    VLIST RD ALL J]^)vxm3
    VLIST TH ALL $*tq$DZ4&
    VY   1 GLM xv4_q-r[
    VY   3 GLM l\vtz5L
    VY   5 GLM M}kt q)
    VY   7 GLM \cP\I5IW:s
    VY   9 GLM I9-vV>:z
&9g4/c-?$
    VY 1 G 16 uW3`gwwlU
    VY 1 G 26 C0|<+3uND=
    VY 1 G 27 tIR"y:U+
    VY 1 G 28 ],YIEOx6
    VY 1 G 29 jO)UK.H#
    VY 1 G 30 7{e0^V,\k
    VY 1 G 31 t."hAvRL
    VY 1 G 32 y w)q3zC
D<B/oSy
    VY 9 G 16 I0trHrX9
    VY 9 G 26 CZcnX8P'8
    VY 9 G 27 ua#sW
    VY 9 G 28 {%.FIw k
    VY 9 G 29 ^tc2?T
    VY 9 G 30 .>NhC"
    VY 9 G 31 B:Ec(USe
    VY 9 G 32 P#m/b<
    END &(UVS0=Dp,
    …

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。

(F@.o1No%
    RLE {KYbsD
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 GP6-5Y"8
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 m22M[L(q
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 f|G,pDLx
     APS               1  UNITS MM WlVp|s{TYP
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR ~?TGSD@(
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 HQlhT
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 g"gh2#!D
     CWAV        0.587600 Z".mEF-b
     HIN        1.517000       55.000000 *T\-iICw
       RNORM    61.6138 ij&_>
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 HO%atE$>
       1 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00    1 XDD  3   1.6576954E+01 -1.5772577E+02  5.5355850E+02 -1.2824350E+03  2.0288263E+03 yG -1g0
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 M il ![A1
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR HH =sq
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 ov>Rvy
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 ~RGZY/4
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR fZ!fwg$
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 \-3\lZ3qj
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 [!9dA.tF
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR mGR}hsQpn
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 aVsA5t\zi
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 Gh;Ju[6
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR )f(.{M
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 ?0k(wiF
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 Zo`Ku+RL2'
       9 USS  16 m:|jv|f
     CWAV        0.587600 rF C6"_
     HIN        1.517000       55.000000 _hT-5)1r
       RNORM    17.8887 8l,`~jvU!*
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ivL}\~L
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 &<8Q/m]5
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 + <AD
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 cm^:3(yYX
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR U(#)[S,
      10 CV      -0.00643491 `;Qw/xl_N
      10 UMC     -0.14285714 ?Ne@OMc
      10 TH     127.09309610 ILdRN
    10    YMT      0.00000000 +76{S_CZ
    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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