DOE在现代镜头设计中的应用:SYNOPSYS 光学设计软件

Na91K4r#
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。 Z1 Nep!
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）。

[rx9gOOa&
    CORE 16 *$=i1w
        DSEARCH 1  QUIET T >8P1p@A,
        SYSTEM u+V*U5v
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY E !!,JnU
        OBB 0 25 12 x^K4&'</
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 ~YH?wdT
IHTimT?
        UNITS MM @bg9 }Z%\h
        END ko@ej^
        GOALS m[}P
        ELEMENTS 5 2Wzx1_D"a
        FNUM 3.5 |2do8z
        BACK 0 0 gBqDx|G
        TOTL 0 0 uZ?P{E,K
        STOP MIDDLE _*~F1% d
        STOP FREE g@#he95 }
        RSTART 50 100 200 400 ox&5}&\
        RT 0.5 R&cTMd
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 )M0`dy{1
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 PIH\*2\/
        NPASS 100 MT/jpx
        DELAY 9999 \dHqCQ
        NGRID 6 :$D*ab^^P
        ANNEAL 200 20 Q kgo#JY-4
        COLORS 3 J2qsZ
        SNAPSHOT 10 ob>)F^.iS
        QUICK 40 100 Hf('BagBL
        END |:S6Gp[\O
        SPECIAL PANT @V:K]M 5
btg= # u
        END ^(JrOh'
        SPECIAL AANT g}%ODa !H
        ACA 60 .1 1 CFFb>d
        ADT 6 .1 1 n~629&
        M 0 .01 A P HH 1 [+o{0o>
        LLL 22 1 1 A BACK F>\,`wP
        LUL 250 1 1 A TOTL Zbnxs.i!
    END +Q+O$-a<
    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。）

$$ND]qM$M
    ADA 5 QUIET c';~bYZ
d.f0OhQ
    PANT e]1=&:eX#d
    VY 0 YP1 ]\yB,
    VLIST RD ALL IBNg2Y
    VLIST TH ALL _4>DuklH,
    VY   1 GLM \hX,z =
    VY   3 GLM QD.5oS
    VY   5 GLM |it*w\+M
    VY   7 GLM !EIH"`>!
    VY   9 GLM P'VHga
    END <pk*z9
    AANT P AEC q.J6'v lj/
    ACC 3}}/,pGSc
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 %uo8z~+
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 Vu(NP\Wm
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 ^x&x|ckR!
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 c^=q(V
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 :kHk'.V1(
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 3@=<4$
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 vGyQ306
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 XI`_PQco
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 mywxV
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 r)S:=Is5
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 &m5^ YN$b
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 wA{)9.
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 lSR\wz*Fk
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 TU?n;h#TZ
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 Nd>zq
      ACA 60 .1 1 U>t:*SNC*
      M 0 .01 A P HH 1 t'F$/mx.
      LLL 22 1 1 A BACK \zJ^XpC
      LUL 250 1 1 A TOTL rX$-K\4W
    END ^RnQX#+
    SNAP/DAMP 1 _,^f,WO~
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

pXNhU88
command ASY shows the data of this DOE. w'}s'gGE
` .`:~_OE
SPECIAL SURFACE DATA m:Rx<E E
______________________________________________________________________________ 08:K9zr
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) > X AB#
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 TJP;!uX
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 |g7)A?2J~
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 1%M^MT%&
DIFFRACTION ORDER:        -1 Yaq0mef0
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) gs2qLb
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。

Q\X_JZ
    VY 1 G 16 [ 2@Lc3<
    VY 1 G 26 lU|ltnU
    VY 1 G 27 rREev
    VY 1 G 28 ,=!s;+lu{
    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！）

PvUY Q>Kw
    !ADA 5 QUIET y3*IF2G
pnz@;+f
    PANT Ct/6<
    VY 0 YP1 @W+8z#xr'
    VLIST RD ALL KI<x`b
    VLIST TH ALL \^F6)COy
    VY   1 GLM )P1NX"A
    VY   3 GLM D622:Y886
    VY   5 GLM e /XOmv
    VY   7 GLM R U[
    VY   9 GLM K~L"A]+
|q o3 E
    VY 1 G 16 2b {Y1*
    VY 1 G 26 ^<yM0'0t
    VY 1 G 27 p*P0<01Z
    VY 1 G 28 K6<1&
    VY 1 G 29 IsL=DV/
    VY 1 G 30 b(ryk./ogx
    VY 1 G 31 ,v| vgt
    VY 1 G 32 !x:w2
# 9f 4{=\
    VY 9 G 16 [0+5 Gx
    VY 9 G 26 x^F2Ywp%
    VY 9 G 27 ;c~DBJg'|
    VY 9 G 28 qmnCa&C9
    VY 9 G 29 GLl@ 6S>v
    VY 9 G 30 A&'HlI%J
    VY 9 G 31 ;LT#/t)}<
    VY 9 G 32 a7NX~9g
    END nfvs"B;
    …

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。

OaxE3bDT
    RLE D+_PyK~jc
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 UE\@7
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 %@M/)"k
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 RZE:WE;5
     APS               1  UNITS MM TAYt:
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR o:Z*F0qm
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 7 -V_)FK2c
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 ]i]sgg[
     CWAV        0.587600 zT+yZA.L
     HIN        1.517000       55.000000 Zr2QeLQC(
       RNORM    61.6138 l 0b=;^6
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 +XRv iHA`
       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 7!N5uR
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 Iei4yDv ;
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR l1_X5DI
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 KF-gcRh
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 _5YL !v&
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR s9:2aLZ{
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 Z*e7W O.
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 E[Io8|QA
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR :U[_V4?7
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 yZ)ScB^
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 +#H8d1^5
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR TAC\2*bWje
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 WE~3(rs#X#
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 K6oXnz}
       9 USS  16 LA@}{hU
     CWAV        0.587600 L,4^Of
     HIN        1.517000       55.000000 7<:w-
       RNORM    17.8887 b~1p.J4
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 K((Kd&E
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ?HcA&
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 )LhO}zQ
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 c`}X2u]k
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR SCH![Amq
      10 CV      -0.00643491 0j/81Y}p
      10 UMC     -0.14285714 H62*8y8
      10 TH     127.09309610 Z "=(uwM
    10    YMT      0.00000000 < 5_Ys
    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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