DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

=DF7l<&km
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。 BIX%Bu0'f
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）。

FtE%<QHt
    CORE 16 J^1w& 40
        DSEARCH 1  QUIET {]|};E[}m
        SYSTEM i}M&1E
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY 3QGg;
        OBB 0 25 12 5v>(xl
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 t5e%"}>7H
AA yzT*^
        UNITS MM O7q-MeMM
        END Q0nSOTQ
        GOALS @KNp?2a
        ELEMENTS 5 U7 Z_
        FNUM 3.5 :2
        BACK 0 0 A^o
        TOTL 0 0 v#D9yttO{
        STOP MIDDLE kqv>rA3
        STOP FREE xOD;pRZQ
        RSTART 50 100 200 400 [)9bR1wh
        RT 0.5 0nA17^W
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 0$* z
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 7kG>s9O
        NPASS 100 -Z]?v3 9
        DELAY 9999 voV=}.(p
        NGRID 6 (q3(bH~T)
        ANNEAL 200 20 Q N.BD]_C
        COLORS 3 a<c %Xy/
        SNAPSHOT 10 vZ$uD,@;.
        QUICK 40 100 ~])\xC
        END Y@RPQPmIQ
        SPECIAL PANT D='/-3f!F]
RH>b,
        END c9iCH~
        SPECIAL AANT IN`05Q
        ACA 60 .1 1 lHz:Iibt
        ADT 6 .1 1 WynHcxC
        M 0 .01 A P HH 1 "D8xHHb
        LLL 22 1 1 A BACK u[PO'6Kzd
        LUL 250 1 1 A TOTL >y%$]0F1
    END /gXli)
    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。）

>0:h(,?V
    ADA 5 QUIET BI,K?D&W-
%^gT.DsX-
    PANT KdYT5VUM/
    VY 0 YP1 +JBhw4et;.
    VLIST RD ALL /]<0`nI.
    VLIST TH ALL S #&HB
    VY   1 GLM D@5&xd_@4
    VY   3 GLM ~>xn9vb=
    VY   5 GLM rm(<?w%'?
    VY   7 GLM ?i)-K?4Sb
    VY   9 GLM :#I8Cf
    END 4D9lZa}
    AANT P AEC ANp4yy+
    ACC 09%q/-$
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 W&BwBp]K
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 u=#LY$
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 fC]+C(*d
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 )Qb1$%r.
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 ,t61IU3"
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 R 5bt~U
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 $:/y5zi
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 !0*=z~
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 :14O=C
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 o(C({]UO/
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 76$19
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 OQW#BBet@
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 G\Toi98d*
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 D\N-ye1LE
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 >UWLT;N/W
      ACA 60 .1 1 peR=J7
      M 0 .01 A P HH 1 6~;fj+S
      LLL 22 1 1 A BACK L'"20=sf
      LUL 250 1 1 A TOTL 8X5;)h
    END 4UC/pGZY
    SNAP/DAMP 1 >:Xzv
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

3`IDm5
command ASY shows the data of this DOE. jr"yIC_
7<|1 xOT
SPECIAL SURFACE DATA i "62+
______________________________________________________________________________ V{ra,a*
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) Y@M=6G
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 [UR+G8X21m
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 _ CXKJ]m4
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 [$8*(d"F'
DIFFRACTION ORDER:        -1 ElqHZ$a?
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) W4|1wd}.t
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。

E Jq=MP
    VY 1 G 16 h8u(lIRHQ
    VY 1 G 26 }@!d(U*
    VY 1 G 27 q6\z]8)
    VY 1 G 28 (@uQ>dR:
    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！）

6jPaS!E
    !ADA 5 QUIET ;T-i+_
.<rL2`C[c
    PANT tojJQ6;J
    VY 0 YP1 PPPRO.y
    VLIST RD ALL = fuF]yL%
    VLIST TH ALL \eI )(,A
    VY   1 GLM i3rvDch
    VY   3 GLM w+2:eFi=/
    VY   5 GLM wb"Jj
    VY   7 GLM vyN=X]p
    VY   9 GLM !i.`m-J*
@>(l}5U5
    VY 1 G 16 w_/q5]/V-5
    VY 1 G 26 ZKAIG=l&!
    VY 1 G 27 \>23_d0
    VY 1 G 28 ',*I=JW;
    VY 1 G 29 i*9eU*i|H
    VY 1 G 30 a!Z,~ V8
    VY 1 G 31 wV W+~DJ
    VY 1 G 32 ;vQ7[Pv.j
B%^B_s
    VY 9 G 16 VskyRxfdW3
    VY 9 G 26 &nZ=w#_
    VY 9 G 27 2ZNTg@o
    VY 9 G 28 GB^Ch YOb
    VY 9 G 29 v|t^th,
    VY 9 G 30 !@ai=p
    VY 9 G 31 31Zl"-<#-
    VY 9 G 32 0-l @U{
    END #u|;YC
    …

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。

7!<cU
    RLE <3Co/.VQd
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 vRRi"bo
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 c6E@+xU
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 aR*z5p2-w
     APS               1  UNITS MM ldI;DoE#U1
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR 4K[U*-\"
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 p`33`25
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 rguC#Xt!4
     CWAV        0.587600 y5|`B(
     HIN        1.517000       55.000000 W O|2x0K
       RNORM    61.6138 j9x}D;?n
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 0qw,R4YK
       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 ylmf^G@JC
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 'JKFEUzM
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR `Qaw]&O
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 c5R58#XK=
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 kX+y2v(2++
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR ;u!>( QQ
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 5s;HF |2x
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 ;w}ZI<ou
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR B=u@u([.
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 /NMd GKr
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 }yx'U 3
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR Ko>pwhR}
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 q`"gT;3S
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 iN<&
       9 USS  16 )z2Tm4>iql
     CWAV        0.587600 h1FM)n[E7
     HIN        1.517000       55.000000 gSL$silc
       RNORM    17.8887 h&NcN-["
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 )/Ee#)z*
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 >9uDY+70I3
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 9~ K1+%!
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 7W5FHZd'
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR ,DXNq`24
      10 CV      -0.00643491 wu/]M~XwI
      10 UMC     -0.14285714 6EGh8H f
      10 TH     127.09309610 O292JA
    10    YMT      0.00000000 daGGgSbh
    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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