DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

MFuI&u!g:
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。 (+dRD]|T
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）。

+;;%Atgn
    CORE 16 6/ipdi[ _
        DSEARCH 1  QUIET 6a?p?I K^
        SYSTEM Ir #V2]$
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY )7g_v*
        OBB 0 25 12 =fK'Ep[
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 nX%'o`f
tL{~O=
        UNITS MM ]bb}[#AY
        END "%*lE0Tx
        GOALS C)s1' =TZ
        ELEMENTS 5 ZGhoV#T@
        FNUM 3.5 4&hqeY3
        BACK 0 0 }c ;um
        TOTL 0 0 }TJ|d=
        STOP MIDDLE 5C1Rub)
        STOP FREE 'hw@l>1\9
        RSTART 50 100 200 400 sA-W^*+
        RT 0.5 x=Jn&4q
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 &\|<3sd(
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 wS*CcIwj
        NPASS 100 t<,p-TM]
        DELAY 9999 2Q|*xd4B^
        NGRID 6 3,I >.3
        ANNEAL 200 20 Q x*8f3^ wE
        COLORS 3 (!5}" fj
        SNAPSHOT 10 zy6(S_j
        QUICK 40 100 :;q_f+U
        END ugCS &
        SPECIAL PANT Kx185Q'W
8t:&#h
        END 9^#gVTGXv
        SPECIAL AANT ?J@qg20z
        ACA 60 .1 1 tr9Y1vxo{
        ADT 6 .1 1 1 lCikS^c
        M 0 .01 A P HH 1 ) v5n "W
        LLL 22 1 1 A BACK 3J~kiy.nfW
        LUL 250 1 1 A TOTL V/9"Xmv75
    END a05:iFoJ
    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。）

<Z:8~:@
    ADA 5 QUIET 4:eq{n
xCp+<|1
    PANT 1;:t~Y
    VY 0 YP1 |8qK%n f}
    VLIST RD ALL kH8$nkeev
    VLIST TH ALL 5*wApu{2A
    VY   1 GLM 4 ^~zN"6]
    VY   3 GLM pG F5aF7T
    VY   5 GLM R!k<l<9q
    VY   7 GLM :7Z\3_D/
    VY   9 GLM YUVc9PV)Ws
    END 7hF,gl5
    AANT P AEC UK~B[=b9
    ACC g t^]32$
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 K[LVT]3 n
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 B==a
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 <% 7P
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 ,;cel^.b
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 j`|^s}8t
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 ,hTwNVWI9
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 NM1cyZ
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 +)JNFy-
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 FJd8s*
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 3:~l2KIP4
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 IglJEH[+
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 #7~tL23}]
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 [}p
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 :,%J6Zh?
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 jW1YTQ
      ACA 60 .1 1 N0K>lL=
      M 0 .01 A P HH 1 Z(LxB$^l[
      LLL 22 1 1 A BACK +Y5(hjE
      LUL 250 1 1 A TOTL $d2kHT
    END iz9\D*or
    SNAP/DAMP 1 oP=T6PX~l
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

Esz1uty
command ASY shows the data of this DOE. ^.@yF;H
J})$
SPECIAL SURFACE DATA J@ktj(
______________________________________________________________________________ 192.W+H<
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) cyGN3t9`.
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 pYLY;qkG"
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 #aitESbT
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 BN\fv,
DIFFRACTION ORDER:        -1 DOF?(:8Y
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) Avs7(-L+s
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。

uQ:ut(
    VY 1 G 16 *=$[}!YG
    VY 1 G 26 j*;*Ka w
    VY 1 G 27 G *mO&:q
    VY 1 G 28 I%;Rn:zl
    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！）

DL'd&;6
    !ADA 5 QUIET <S\;k@f
9,S,NvSq
    PANT xHEVR!&c4
    VY 0 YP1 zQL!(2
    VLIST RD ALL y\F`B0#$
    VLIST TH ALL dr|| !{\
    VY   1 GLM \g~ws9'~
    VY   3 GLM eZ!yPdgy|
    VY   5 GLM uIYcmF\?
    VY   7 GLM /{fZH,!L
    VY   9 GLM tv 4s12&
?@Z7O.u
    VY 1 G 16 3 R5%N ~
    VY 1 G 26 _, \y2&KT
    VY 1 G 27 ?JuX~{{.L
    VY 1 G 28 X!U]`Qh
    VY 1 G 29 /QrA8
    VY 1 G 30 vn|TiZ
    VY 1 G 31 'is,^q:@
    VY 1 G 32 pGY [f@_x-
<8iYL`3
    VY 9 G 16 \# 7@a74
    VY 9 G 26 i'M^ez)u
    VY 9 G 27 jv*Dg (
    VY 9 G 28 rU; g0'4e
    VY 9 G 29 .>k=A|3G
    VY 9 G 30 &[NVP&9&U
    VY 9 G 31 nURvy}<r
    VY 9 G 32 =Ml|l$
    END rQ=xcn[A
    …

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。

l!\1,J:}Z
    RLE Bp&6x;MJf
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 La\Q'0
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 ktN%!Mh\
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 $b4*/vMr
     APS               1  UNITS MM A)OdQFet(
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR d?JAUbqy
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 l &}piC
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 vZ:G8K)o(
     CWAV        0.587600 )i&%cyZw
     HIN        1.517000       55.000000 (gLea
       RNORM    61.6138 k - FB
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 b([:,T7
       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 @o`sf-8x
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 M#`{>R|
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR %=y;L:S\p
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 3*G5F}7%=
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 $6W3EOl
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR HB%K|&!+
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 Og+)J9#
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 miwf&b
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR yXkt:O,i
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 P%iP:16
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 Z?-;.G*
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR H4W1\u
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 -jFP7tEv
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 |0lLl^zp
       9 USS  16 cxgE\4_u"
     CWAV        0.587600 >A<Df
     HIN        1.517000       55.000000 )GK+
       RNORM    17.8887 ;;M"hI3@
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 x9h?e`
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 >8%M*-=p
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 lbd(j{h>4
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 vlvvi()
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR UnP|]]o:I
      10 CV      -0.00643491 TopHE
      10 UMC     -0.14285714 V- /YNRV
      10 TH     127.09309610 5PDSA*
    10    YMT      0.00000000 f`,-b
    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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