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    [原创]DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2018-09-11
    — 本帖被 cyqdesign 从 光学理论,设计与产业化 移动到本区(2018-12-29) —

    在本课中,我们将从头开始,设计一个5片透镜镜头,然后看看在某处添加衍射光学元件(DOE)是否可以改善其性能。

    这是个问题,由MDS对话框中的条目定义。 这将创建一个MACro,它将运行DSEARCH命令,并填写所有数据。

    该设计将输入F / 3.5,半场角为25度,孔径为12毫米。 我们选择使用SPECIAL AANT代码来控制后焦距,这样可以后焦长度增大但不会让它小于22毫米。 我们还要求主光线角度切线较小,权重较轻,符合ACA要求,因此我们不能在图像上获得具有大视场角的解决方案,并避免陡峭的光线折射。

    当我们单击“确定”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)和一个网格 数量为6(因为非球面和DOE会导致高阶孔径像差)。

        CORE 16

            DSEARCH 1  QUIET

            SYSTEM

            ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY

            OBB 0 25 12

            WAVL 0.6563 0.5876 0.4861

            UNITS MM

            END

            GOALS

            ELEMENTS 5

            FNUM 3.5

            BACK 0 0

            TOTL 0 0

            STOP MIDDLE

            STOP FREE

            RSTART 50 100 200 400

            RT 0.5

            FOV 0.0 .4 .6 .85 1

            FWT 5.0 3.0 3 3 3

            NPASS 100

            DELAY 9999

            NGRID 6

            ANNEAL 200 20 Q

            COLORS 3

            SNAPSHOT 10

            QUICK 40 100

            END

            SPECIAL PANT

            END

            SPECIAL AANT

            ACA 60 .1 1

            ADT 6 .1 1

            M 0 .01 A P HH 1

            LLL 22 1 1 A BACK

            LUL 250 1 1 A TOTL

        END

        GO

    由于我们要实施DOE曲面,我们选择指定五个视场进行校正。 当使用任何类型的非球面时,这是一个好习惯,因为否则可能会在指定的位置进行较好的校正,在其它未定义的视场进行较差的校正。

    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以将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回来的最好的镜头不是太好 - 但是你确定,只使用五个透镜,就能满足这些视场和速度的要求么?

    我们可以通过请求更多的元件来获得更好的结果 - 但是我们希望通过将其中一个镜头更改为DOE来看看我们可以获得多少改进。 该程序为我们创建了一个优化MACro,使得继续优化模拟退火非常容易。 我们来试试DOE。 我们在顶部添加另一条MACro。 (“ADA”表示自动DOE分配。)

        ADA 5 QUIET

        PANT

        VY 0 YP1

        VLIST RD ALL

        VLIST TH ALL

        VY   1 GLM

        VY   3 GLM

        VY   5 GLM

        VY   7 GLM

        VY   9 GLM

        END

        AANT P AEC

        ACC

        GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000

        GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000

        GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000

        GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000

        GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000

        GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000

        GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000

        GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000

        GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000

        GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000

        GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000

        GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000

        GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000

        GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000

        GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000

          ACA 60 .1 1

          M 0 .01 A P HH 1

          LLL 22 1 1 A BACK

          LUL 250 1 1 A TOTL

        END

        SNAP/DAMP 1

        SYNOPSYS   40

    该程序发现表面1使用DOE效果最好。

    command ASY shows the data of this DOE.

    SPECIAL SURFACE DATA

    ______________________________________________________________________________

      SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE)

    WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600

    Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000

    NORMALIZING RADIUS:       61.613800

    DIFFRACTION ORDER:        -1

    XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4)

    XD 13  5.395981E-06 (R**6)  XD 14  6.889557E-06 (R**8)

    这只是一个非常小的改进。 我们很好奇如果我们增加第二个DOE将会发生什么。 这很容易测试。 将变量添加到我们刚刚添加的DOE术语的PANT文件中。

        VY 1 G 16

        VY 1 G 26

        VY 1 G 27

        VY 1 G 28

        VY 1 G 29

    然后再次运行MACro。 这次它需要表面9的DOE。

    评价函数有很大改进。 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。 (我们谨慎地注销ADA命令,所以我们没有得到第三个DOE!)

        !ADA 5 QUIET

        PANT

        VY 0 YP1

        VLIST RD ALL

        VLIST TH ALL

        VY   1 GLM

        VY   3 GLM

        VY   5 GLM

        VY   7 GLM

        VY   9 GLM

        VY 1 G 16

        VY 1 G 26

        VY 1 G 27

        VY 1 G 28

        VY 1 G 29

        VY 1 G 30

        VY 1 G 31

        VY 1 G 32

        VY 9 G 16

        VY 9 G 26

        VY 9 G 27

        VY 9 G 28

        VY 9 G 29

        VY 9 G 30

        VY 9 G 31

        VY 9 G 32

        END

        …

    现在我们再次运行它,然后模拟退火。

    哇! 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)看到我们需要多少球面元件来获得这种质量会很有趣,但我们会为学生留下这个练习。 肯定会超过五个。

        RLE

        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189

        ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12

         WAVL .6563000 .5876000 .4861000

         APS               1  UNITS MM

         OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR

           1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085

           1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16

         CWAV        0.587600

         HIN        1.517000       55.000000

           RNORM    61.6138

           1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00

           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

        1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00

        2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR

        3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300

        3    GLM      1.90000000             37.62897436

        4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR

        5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252

        5    GLM      1.60190936             64.47241855

        6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR

        7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376

        7    GLM      1.81849484             24.49789036

        8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR

        9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658

           9 GLM      1.89731741             37.87054525

           9 USS  16

         CWAV        0.587600

         HIN        1.517000       55.000000

           RNORM    17.8887

           9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00

           9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00

           9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01

        9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00

        10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR

          10 CV      -0.00643491

          10 UMC     -0.14285714

          10 TH     127.09309610

        10    YMT      0.00000000

        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

    第二个可能是对加工厂的挑战。 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。 无论如何,最好是先于技术而不是跑到后面试图跟上。 正如您所见,SYNOPSYS™的ADA功能处于领先地位。 我们邀请具有DOE能力的镜头供应商对本课进行评论,并可能提供他们今天所理解的见解和设计权衡。

    [ 此帖被optics1210在2019-01-20 11:32重新编辑 ]
     
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    DOE设计,在SYNOPSYS中含多种DOE的设计功能。
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