DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

(-D^_*f
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。 $xU)t&Df
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）。

@=ro/.
    CORE 16 gbrn'NT
        DSEARCH 1  QUIET y9Q#%a8V
        SYSTEM "Cz0r"N
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY a.z)m}+
        OBB 0 25 12 @B`nM#X#
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 12VSzIm
`Sx1?@8(
        UNITS MM L`"j>),
        END -Hh.8(!XoO
        GOALS $5wf{iZY.Q
        ELEMENTS 5 *Y':raP
        FNUM 3.5 / q| o
        BACK 0 0 8w$q4fg0
        TOTL 0 0 J#DN2y<
        STOP MIDDLE %<O0Yenu
        STOP FREE ~H c5M5m
        RSTART 50 100 200 400 $KVCEe!X
        RT 0.5 KG=57=[
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 2EH0d6nt
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 9i46u20
        NPASS 100 P,rD{ 0~
        DELAY 9999 eakQZ-Q
        NGRID 6 +>ld
        ANNEAL 200 20 Q `$9sYv 2R
        COLORS 3 /o^/J~/3
        SNAPSHOT 10 Aw]kQ\P&
        QUICK 40 100 'Rb tcFb
        END }60/5HNr
        SPECIAL PANT | Rj"}SC
I}+9@d
        END r4M;]
        SPECIAL AANT /PKu",Azj
        ACA 60 .1 1 F!<!)_8Q
        ADT 6 .1 1 [(2XL"4D
        M 0 .01 A P HH 1 OH13@k
        LLL 22 1 1 A BACK 9$L2a
        LUL 250 1 1 A TOTL +1]A$|qyW
    END z22:O"UHa
    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，使得继续优化和模拟退火非常容易。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。）

8+ ]'2{
    ADA 5 QUIET @A|#/]S1
g`w46X
    PANT c,:nWf
    VY 0 YP1 _SnD)k+TgJ
    VLIST RD ALL }]Nt:_UCX
    VLIST TH ALL 7h.fT`
    VY   1 GLM +{#L,0t
    VY   3 GLM 7GvMKtuSK
    VY   5 GLM *c>B-Fo/D
    VY   7 GLM ]v]tBVO$
    VY   9 GLM Qff.QI,
    END &xpvHKJl
    AANT P AEC -ykD/
    ACC 4y.qtiIP>$
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 G+&pq
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 Vg(M ^2L
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 /Pxny3
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 u@;e`-@
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 R9Y@I
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 91-[[<
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 LLKYcy
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 _'4S1
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 K $WMrp
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 (I#mo2
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 *I[tIO\
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 G+2 ,x0(
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 ROXa/
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 ]V)*WP#a
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 e<qfM&*
      ACA 60 .1 1 Z6-ZAS(>m
      M 0 .01 A P HH 1 l"7#(a
      LLL 22 1 1 A BACK LpL$=9
      LUL 250 1 1 A TOTL cvQAo|
    END @j"6f|d
    SNAP/DAMP 1 lwz\"8
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

h?H|)a<^9
command ASY shows the data of this DOE. G{{M'1
(AX$Svw
SPECIAL SURFACE DATA M ziOpraj
______________________________________________________________________________ t 4VeXp6
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) (L1F],Au
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 f7|Tp m
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 . :>e"D
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 BOh^oQh
DIFFRACTION ORDER:        -1 (tX)r4VU
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) LlS~J K
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。

.wmqaLd%
    VY 1 G 16 2% /Kf}+
    VY 1 G 26 CxNxb)c &
    VY 1 G 27 m@u%3*:
    VY 1 G 28 E NCWOj
    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！）

i(OeE"YA
    !ADA 5 QUIET z{FFTb^B
>x3lA0m
    PANT $PI9vyS
    VY 0 YP1 1D38T
    VLIST RD ALL N|Ag8/2A
    VLIST TH ALL Fi;H
    VY   1 GLM (KwC,0p
    VY   3 GLM JT!9LNh;R`
    VY   5 GLM 8]exsnZ
    VY   7 GLM 3Pllxq<n
    VY   9 GLM u1Slu%^e
{ya.
    VY 1 G 16 lGBg8/[
    VY 1 G 26 M0~%[nX
    VY 1 G 27 4obW>
    VY 1 G 28 =<#G~8WYz
    VY 1 G 29 _ziSH 3(
    VY 1 G 30 ~#jiX6<I
    VY 1 G 31 pf107S
    VY 1 G 32 P tLWFO
d6ef)mw
    VY 9 G 16 \@WVeFr
    VY 9 G 26 HZZZ [km
    VY 9 G 27 1YJ?Y
    VY 9 G 28 `}KxzD
    VY 9 G 29 Z/:F)c,x
    VY 9 G 30 9Li*L&B)
    VY 9 G 31 7s#8-i
    VY 9 G 32 N%xCyZ
    END C}pm>(F~
    …

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。

-{k8^o7$
    RLE JO0o@M5H
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 TH'8^wf
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 bT&{8a
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 Q}OloA(+
     APS               1  UNITS MM #IZh}*$
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR BZHoRd{EH
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 !5C"`@}q>
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 <<CWN(hQWO
     CWAV        0.587600 <j>;5!4!}
     HIN        1.517000       55.000000 X,_K )f
       RNORM    61.6138 77yYdil^W+
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 .ex;4( -!
       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 y|KQ`;
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 R"V90bCf
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR zMu9A|
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 2Kz$y JTp
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 DE?k|Get2
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR GT6i9*tb#
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 (C#0 ML
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 IPK1g3Z
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR * 7Ov.v%
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 e4SS'0|
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 S-q"'5>
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR 1x;@BV
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 Y;_F,4H
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 R$hIgw+p[
       9 USS  16 (,#m+
     CWAV        0.587600 /go[}X5QR[
     HIN        1.517000       55.000000 !zF07.(E
       RNORM    17.8887 6h)_{| L)
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 X5[vQ3^
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 T=tW'tlT\v
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 hE5?G;
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 5(J?C-Pk
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR 452kE@=49
      10 CV      -0.00643491 QrK%DN
      10 UMC     -0.14285714 %p )"_q!ge
      10 TH     127.09309610 H Eq{TUTr
    10    YMT      0.00000000 pXO09L/nv
    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。

optics1210	2019-01-20 11:37
DOE设计，在SYNOPSYS中含多种DOE的设计功能。

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