SYNOPSYS 光学设计软件课程十九：DOE在现代镜头设计中的应用

[Ej#NHs
在本课中，我们将重新设计一个5片镜片的镜头，然后在某处添加衍射光学元件（DOE），查看是否可以改善其性能。 UU7E+4O&
通过MDS对话框中的定义选项将创建一个MACro，它将运行DSEARCH命令，并填充所有数据。

该设计将输入F / 3.5，半视场角为25度，孔径为12毫米。我们选择使用SPECIAL AANT代码来控制后焦，这样可以使后焦长度大于22毫米。我们还要求主光线角度不能过大。
当我们单击OK 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）和一个数量为6的网格（因为非球面和DOE会导致高阶孔径像差）。

xgdS]Sz
    CORE 16 %NyV2W=~X
        DSEARCH 1  QUIET knX*fp
        SYSTEM dz3KBiq
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY YsX&]4vzm
        OBB 0 25 12 [RAzKzC\M
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861 /*V:Lh
\(4"kY_=
        UNITS MM .Lwp`{F/
        END >AtW
        GOALS c `[,>
        ELEMENTS 5 #!A'6SgbkM
        FNUM 3.5 f*Xum[
        BACK 0 0 ^#6"d+lp
        TOTL 0 0 .Mn_T*F
        STOP MIDDLE `6R.*hq
        STOP FREE )td?t.4
        RSTART 50 100 200 400 A?YU:f
        RT 0.5 .=~-sj@k
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1 tQrF A2F
        FWT 5.0 3.0 3 3 3 }\iH~T6
        NPASS 100 \n&l
        DELAY 9999 !Q/%N#
        NGRID 6 (f-Mm0%[
        ANNEAL 200 20 Q QNN*/n
        COLORS 3 S= NGJ0
        SNAPSHOT 10 [!g$|
        QUICK 40 100 9_$i.@L1
        END |D@/4B1P
        SPECIAL PANT o@6hlLr
46yq F
        END uVSc1MS1
        SPECIAL AANT slQxz;t
        ACA 60 .1 1 35;UE2d)<
        ADT 6 .1 1 ~BUzyc%
        M 0 .01 A P HH 1 @Sik~Mm_h
        LLL 22 1 1 A BACK 'aN`z3T
        LUL 250 1 1 A TOTL =&!L&M<<
    END ,qj1"e
    GO

我们要设计DOE曲面，需要选择五个视场进行校正。
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能将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返回的最好镜头，并不能满足我们的要求。

我们可以通过增加更多的镜片数来获得更好的结果 - 但是我们希望，通过将其中一个镜头，更改为DOE来改进我们的镜头。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。让我们来试试DOE。在顶部添加另一条MACro。（“ADA”表示自动DOE分配。）

eU*0;#
    ADA 5 QUIET x)]_]_vX
/Ezx'h3Q
    PANT (G E)
    VY 0 YP1 7_=7 ;PQ<
    VLIST RD ALL #"T< mM7
    VLIST TH ALL S-5|t]LV
    VY   1 GLM #1-2)ZO.
    VY   3 GLM T?DX|?2X
    VY   5 GLM oP"X-I
    VY   7 GLM Vgj&hdbd
    VY   9 GLM b|rMmx8vA
    END Q.b<YRZ
    AANT P AEC "mk4O4dF
    ACC .`ND
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000 bV3az/U
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000 hoLQuh%2%
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000 sC< B
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000 ytDp 4x<W)
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000 21LJ3rW_
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000 u2FD@Xq?
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000 xn&$qLB
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000 id"-eMwp
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000 $:4*?8K2
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000 ZaZm$.s n
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000 @[2Go}VF
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000 +H4H$H
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000 6Hh\ys
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000 MS=zG53y
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000 hoOT]Bsn
      ACA 60 .1 1 /A4^l]H;+3
      M 0 .01 A P HH 1 {,9^k'9
      LLL 22 1 1 A BACK b@>MA
      LUL 250 1 1 A TOTL `w;8xD(
    END v90)G8|q
    SNAP/DAMP 1 oPbxe
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

v0 3
command ASY shows the data of this DOE. =.Hq]l6+
.^F(&c*['
SPECIAL SURFACE DATA 4[.DQ#r
______________________________________________________________________________ Jfe<$-$$7
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE) *}@zxFe+
WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600 :|5\XV)>
Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000 2X)n.%4g$;
NORMALIZING RADIUS:       61.613800 ;Pd nE~
DIFFRACTION ORDER:        -1 "J_#6q*
XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4) ;UnJrP-if
XD 13  5.395981E-06 (R**6)  XD 14  6.889557E-06 (R**8)

我们尝试增加第二个DOE。将变量添加到DOE项的PANT文件中，

~x #RIt
    VY 1 G 16 d$?sS9"8(
    VY 1 G 26 &| guPZ
    VY 1 G 27 nl\l7/}6
    VY 1 G 28 [e6zCN^t
    VY 1 G 29

然后再次运行MACro。这次它需要表面9面型变成DOE。

评价函数会有很大改进。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。（我们注销ADA命令，所以没有得到第三个DOE！）

T!F0_<
    !ADA 5 QUIET ';>A=m9(4%
%RS~>pK1
    PANT 2|re4
    VY 0 YP1 gAPD y/wM
    VLIST RD ALL |({ M8!BS
    VLIST TH ALL Y;uQq-CP
    VY   1 GLM \Aa{]t
    VY   3 GLM Pqtk1=U
    VY   5 GLM e%wzcn
    VY   7 GLM cOz/zD f5
    VY   9 GLM A7c*qBt
!!we4tWq
    VY 1 G 16 v|K'M,E
    VY 1 G 26 V0O6\)/.
    VY 1 G 27 %%c1@2G<
    VY 1 G 28 kHhxR;ymA7
    VY 1 G 29 <} BuU!
    VY 1 G 30 KccIYn~
    VY 1 G 31 _ mJP=+i
    VY 1 G 32 G<_<j}=
j YVR"D;
    VY 9 G 16 !C3ozZ<
    VY 9 G 26 D_D76
    VY 9 G 27 `m_('N
    VY 9 G 28 qH9bo-6
    VY 9 G 29 5?=haGn
    VY 9 G 30 a^5.gfzA
    VY 9 G 31 t8:QK9|1
    VY 9 G 32 >K@Y8J+e#
    END vS1#ien#
    …

现在我们再次运行它，然后模拟退火。

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）思考我们需要多少球面元件来获得这种质量，您可以自己尝试练习。

3X>x`
    RLE w40 -K5wt>
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189 D9 \!97
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12 CEXD0+\q
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000 nb|KIW
     APS               1  UNITS MM \96aHOk<
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR NQu.%=
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085 y8e'weK
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16 wOLA8UYW
     CWAV        0.587600 }c?W|#y`.o
     HIN        1.517000       55.000000 (M;jnQ0
       RNORM    61.6138 7mBH#Q)
       1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ;_dOYG1
       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 =6Q\78b
    1    XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00 *Ud=x^JxO
    2    RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR J`d_=C?J
    3    RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300 ODFCA. t
    3    GLM      1.90000000             37.62897436 sgfci{~
    4    RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR ?qt.+2:
    5    RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252 6cVJu%<V
    5    GLM      1.60190936             64.47241855 G5!J9@Yi
    6    RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR 'Z}3XVZEN
    7    RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376 J-U5_>S
    7    GLM      1.81849484             24.49789036 $)v`roDD.
    8    RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR {Q~HMe`,
    9    CV      0.0000000000000   TH     17.77216658 jM5w<T-2/
       9 GLM      1.89731741             37.87054525 IZSJ+KO
       9 USS  16 &$NYZ3?9
     CWAV        0.587600 |)[I$]L
     HIN        1.517000       55.000000 VOkSR6
       RNORM    17.8887 NjH` AMGBT
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 M$$Lsb [
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 );!IGcgF
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01 w,!IvDCAw
    9    XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00 oU)Hco"_k
    10    RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR nAT,y9&
      10 CV      -0.00643491 z~($ "
      10 UMC     -0.14285714 w^Atd|~gi
      10 TH     127.09309610 (kmrWx= $
    10    YMT      0.00000000 #gcv])to
    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

第二个可能对加工厂是一项挑战。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。正如您所见，SYNOPSYS™的ADA功能处于领先地位。

asdoptics	2019-03-03 21:56
优秀文章，支持！

xyk1	2021-08-09 17:56
感觉很棒，谢谢分享

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