DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

5&-j{J0iV
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。 ~D-JZx
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）。

ER;lkF`RF
    CORE 16 l6S19Kv
        DSEARCH 1  QUIET u>t|X}JH
        SYSTEM QWzOp\+
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY C"U[ b%
        OBB 0 25 12 (DG@<K,6
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 co$Hi9JE
Msv*}^>
        UNITS MM 5D]30
        END 2|0Qk&
        GOALS ]F"(OWW
        ELEMENTS 5 +3/k/W
        FNUM 3.5 Q3NPwM
        BACK 0 0 >/!7i3Ow-
        TOTL 0 0 (c(-E|u.
        STOP MIDDLE r 1l/) ;
        STOP FREE Xr@l+zr
        RSTART 50 100 200 400 [l8V<*x%S9
        RT 0.5 IdV,%d{
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 2YE;m&
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 '!j #X_;
        NPASS 100 97qtJ(ESI
        DELAY 9999 X zi'Lu`
        NGRID 6 1a($8>
        ANNEAL 200 20 Q b(PHZCy#
        COLORS 3 QvG56:M3
        SNAPSHOT 10 3bbp>7V!
        QUICK 40 100 dN$ 1$B^k
        END 3W7;f!
        SPECIAL PANT Kcscz,
18DTv6?QG
        END ~_DF06G
        SPECIAL AANT )z2|"Lp
        ACA 60 .1 1 G$?|S@I,
        ADT 6 .1 1 ]&Y#)ebs
        M 0 .01 A P HH 1 u @{E{
        LLL 22 1 1 A BACK W]@gQ(Ef
        LUL 250 1 1 A TOTL T-L|Q,-{-
    END zY7*[!c2
    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。）

qn2o[x
    ADA 5 QUIET NoFs-GGGh
RL?u n}Qa
    PANT e$CePLEj
    VY 0 YP1 hnp`s%e,
    VLIST RD ALL L8K0^~Mk
    VLIST TH ALL [leW/2i
    VY   1 GLM ybo#K
    VY   3 GLM |ZS 57c:
    VY   5 GLM z=ML(1c=
    VY   7 GLM GE%2/z p
    VY   9 GLM -'I _*fu
    END UH5w7M
    AANT P AEC Sa%zre@
    ACC /SnynZ.q
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 3^!Hl8P7
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 uWUR3n
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 (7IqY1W
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 C@*%AY
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 %4j&H!y-w;
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 Y8)}PWMs
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 %0vTA_W
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 HR;/Br
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 q.-y)C) ;
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 A:kkCG!~Nf
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 XR|"dbZW.0
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 }ppVR$7]0
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 }c} ( 5
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 Ee&hG[sx
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 OQ6sv/
      ACA 60 .1 1 o>2e!7
      M 0 .01 A P HH 1 {T&v2u#S
      LLL 22 1 1 A BACK (YIhTSL"]
      LUL 250 1 1 A TOTL ,!`SY)
    END HzE1r+3Q@
    SNAP/DAMP 1 gF3TwAr
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

t)ld<9)eB
command ASY shows the data of this DOE. [(1O"
u,fA!
SPECIAL SURFACE DATA ~uB'3`x
______________________________________________________________________________ .Y!:x=e
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) -n$ewV
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 rnu e(t
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 NH'iR!iGo
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 i|%5
DIFFRACTION ORDER:        -1 gA_krK,Z
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) s|Zx(.EP
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。

s;J\Kc?"|
    VY 1 G 16 va5FxF*%
    VY 1 G 26 }w@gj"\H
    VY 1 G 27 rR]-RX(
    VY 1 G 28 =O,JAR"ug
    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！）

2Pp&d>E4
    !ADA 5 QUIET a}>Dz 1R
i&A%"lOI9
    PANT n>P!u71
    VY 0 YP1 a=+T95ulDy
    VLIST RD ALL ^Gq5ig1rxy
    VLIST TH ALL J3G7zu8
    VY   1 GLM ^YKy9zkTl
    VY   3 GLM cn%2OP:L^
    VY   5 GLM f jI#-
    VY   7 GLM YX*0?S
    VY   9 GLM F6W}mMZH/N
dv7<AJ
    VY 1 G 16 bD<qNqX$
    VY 1 G 26 S5_t1wqBJ
    VY 1 G 27 /)9W1U^B
    VY 1 G 28 Pr+~Kif
    VY 1 G 29 Q2/.6O8
    VY 1 G 30 tWY2o3j
    VY 1 G 31 t\r:E2 O
    VY 1 G 32 .#fPw_i
kZVm1W1
    VY 9 G 16 g_w&"=.jBq
    VY 9 G 26 ,=o0BD2q
    VY 9 G 27 Fk1.iRVzi
    VY 9 G 28 >|3a 9S
    VY 9 G 29 SMoz:J*Q(
    VY 9 G 30 D|_V<'
    VY 9 G 31 DA"}A`HfI
    VY 9 G 32 B8m_'!;;
    END "+|L_iuNQ
    …

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。

#U=;T]!'$
    RLE u1cu]Sj0
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 +l?; )
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 4_LQ?U>$
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 e*]r
     APS               1  UNITS MM &Un6ay
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR [f!O6moR6
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 lj2=._@R
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 G> \Tbx
     CWAV        0.587600 # |^^K!%
     HIN        1.517000       55.000000 b |7ja_
       RNORM    61.6138 lIf(6nm@
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 <7n]Ai@Y
       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 RFko>d
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 7@~tVxB;
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR GXX+}=b7qO
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 6EJVD!#[K
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 61_f3S(u
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR Veji^-0E
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 w([$@1]
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 q\$6F)ha3
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR >UHa
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 P<;7j?
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 Qw)9r{f
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR @5<CXTdF9c
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 SH8/0g?
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 bAF )Bli
       9 USS  16 .px:e)iW
     CWAV        0.587600 wW`}VKu
     HIN        1.517000       55.000000 F}X0',
       RNORM    17.8887 Hl7:*]l7b
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 [-w@.^:]X
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 l@~LV}BI
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 @Doyt{|T
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 2t1I3yA'{z
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR p-$Cs _{Z
      10 CV      -0.00643491 -_8*41
      10 UMC     -0.14285714 w1|Hy2D`0
      10 TH     127.09309610 TGV
    10    YMT      0.00000000 lCb+{OB
    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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