SYNOPSYS 光学设计软件课程十九：DOE在现代镜头设计中的应用

a%T`c/C
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。 mdWA5p(
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）。

q 84*5-
    CORE 16 V4:/LNq_]
        DSEARCH 1  QUIET :A8}x=K
        SYSTEM 0O9b 7F
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY ;=Ma+d#
        OBB 0 25 12 s-$Wc)l
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 H<(F$7Q!\
6ZqU:^3
        UNITS MM wq$$. .E
        END |O{N_-];.
        GOALS w+g29
        ELEMENTS 5 9D T<
        FNUM 3.5 b=,BLe\
        BACK 0 0 #ibwD:{
        TOTL 0 0 wJy]Vyd
        STOP MIDDLE b/M/)o!C
        STOP FREE 3~~X,ZL
        RSTART 50 100 200 400 S,c{LTL
        RT 0.5 E^1yU
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 ]pn U"
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 x>yqEdR=o
        NPASS 100 L4>14D\
        DELAY 9999 o,*m,Qc
        NGRID 6 aZN?V}^+
        ANNEAL 200 20 Q >)kKP8l7
        COLORS 3 DYf QlA
        SNAPSHOT 10 X:GRjoa
        QUICK 40 100 }r:"X<`
        END AxH;psj
        SPECIAL PANT 6}^x#9\
q+?&w'8
        END ?Mjs[|
        SPECIAL AANT \ND]x]5d
        ACA 60 .1 1 ~H}Z;n]H
        ADT 6 .1 1 w2s`9
        M 0 .01 A P HH 1 yu;EL>G_AY
        LLL 22 1 1 A BACK Bhv;l/K])
        LUL 250 1 1 A TOTL TO6F
    END Y&6jFT_
    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。）

7X$CJ%6b
    ADA 5 QUIET /TMVPnvz.
$u<;X^
    PANT G*=HjLmZg
    VY 0 YP1 V IzIl\<aM
    VLIST RD ALL T<uX[BO-a
    VLIST TH ALL Zux L2W
    VY   1 GLM 7P$*qj~Vh
    VY   3 GLM 7ys' [G|}r
    VY   5 GLM 7!M; ?Y
    VY   7 GLM -M{szH
    VY   9 GLM =[n !3M+X
    END ,$6si
    AANT P AEC qz`-?,pF
    ACC $.tT
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 Es[3Ppz
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 WI1YP0V
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 qsj$u-xhX
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 K3zY-yIco
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 /Z2u0jNArP
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 4-bM90&1t
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 l"J#Pvi
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 k)+{Y v*
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 =d;a1AO{&
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 3cJ'tRsp<
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 |;J`~H"K
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 K"l~bFCZ8
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 ub?dfS9$_
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 Bl>m`/\1i
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 ~=yU%5 s@
      ACA 60 .1 1 X!hzpg(`hR
      M 0 .01 A P HH 1 R(}<W$(TV
      LLL 22 1 1 A BACK 5B~]%_gZr
      LUL 250 1 1 A TOTL HL{aqT2
    END $}4ao2
    SNAP/DAMP 1 }X9&!A8z
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

l(1.Ll
command ASY shows the data of this DOE. Ifp8oL?S;
(%6fZ
SPECIAL SURFACE DATA D{t_65c-
______________________________________________________________________________ b0}dy\dnQ
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) ~JRq :
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 CL7_3^2qI
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 n%WjU)<
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 :H>I`)bw
DIFFRACTION ORDER:        -1 <mJ8~
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) g8/ ,E-u
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，

kP5I+B
    VY 1 G 16 [m! P(o
    VY 1 G 26 9<&*iIrM
    VY 1 G 27 [VX5r1-F
    VY 1 G 28 /QB;0PrE
    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！）

OeGLMDw
    !ADA 5 QUIET Ro{xprE1
H{*rV>%
    PANT X+{brvM<
    VY 0 YP1 _|;d D
    VLIST RD ALL mY=sh{ir
    VLIST TH ALL X#by Dg
    VY   1 GLM p! k~ufU
    VY   3 GLM Z6b]EcP)#
    VY   5 GLM jp"Q[gR##
    VY   7 GLM 7`7M4
    VY   9 GLM N=U`BhL_
~p'|A}9[/
    VY 1 G 16 P@bPdw!JA
    VY 1 G 26 u[SqZftmO
    VY 1 G 27 ;wJe%Nw?
    VY 1 G 28 r?~_^
    VY 1 G 29 Ugo!
    VY 1 G 30 |7KWa(V5I
    VY 1 G 31 0`V=x+*,
    VY 1 G 32 P(-
r(>812^\
    VY 9 G 16 *N: $,xf
    VY 9 G 26 2xUgM}e
    VY 9 G 27 Txl|F\nK`
    VY 9 G 28 oP T)vN?
    VY 9 G 29 T++q.oFc
    VY 9 G 30 wQ/.3V[
    VY 9 G 31 #%%!r$UL
    VY 9 G 32 Jza?DhSAZ
    END Z{t `f[
    …

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。

J8@.qC'!
    RLE +BO kHXk1
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 ;xUo(^t7>
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 0t(c84o5
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 unqUs08
     APS               1  UNITS MM /oJ &\pI
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR <_kA+&T
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 IMM+g]#e
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 db_}][;.c
     CWAV        0.587600 J"S(GL
     HIN        1.517000       55.000000 v:Gy>&
       RNORM    61.6138 rtbV*@Z
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 - q(a~Ge
       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 h 2JmRO
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 x)Zm5&"Gg
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR Qc!3y>Y=_
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 T.')XKP)1N
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 Tb;,t=;u
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR (GGosXU-v
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 q$b4S4Z7
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 /ece}7M
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR \Wg_ gA
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 %CnNu
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 N(yd<Mw
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR k' Fu&r
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 O&y`:#
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 IsJx5GO
       9 USS  16 ?WqaT)l~
     CWAV        0.587600 ;!=i|"PG
     HIN        1.517000       55.000000 oD9L5c)
       RNORM    17.8887 D@.qdRc3
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 <s\ZqL$f
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 |*b-m k
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 $%M]2_W(
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ^Z\"d#A
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR &%@O V:C
      10 CV      -0.00643491 -&]!ig5v
      10 UMC     -0.14285714 qP&:9eL
      10 TH     127.09309610 \/\w|j
    10    YMT      0.00000000 3HuGb^SNg
    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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