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解决方案

SYNOPSYS 光学设计软件课程十九：DOE在现代镜头设计中的应用

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。

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）。

    CORE 16
        DSEARCH 1  QUIET
        SYSTEM
        ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY
        OBB 0 25 12
        WAVL 0.6563 0.5876 0.4861

        UNITS MM
        END
        GOALS
        ELEMENTS 5
        FNUM 3.5
        BACK 0 0
        TOTL 0 0
        STOP MIDDLE
        STOP FREE
        RSTART 50 100 200 400
        RT 0.5
        FOV 0.0 .4 .6 .85 1
        FWT 5.0 3.0 3 3 3
        NPASS 100
        DELAY 9999
        NGRID 6
        ANNEAL 200 20 Q
        COLORS 3
        SNAPSHOT 10
        QUICK 40 100
        END
        SPECIAL PANT

        END
        SPECIAL AANT
        ACA 60 .1 1
        ADT 6 .1 1
        M 0 .01 A P HH 1
        LLL 22 1 1 A BACK
        LUL 250 1 1 A TOTL
    END
    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。）

    ADA 5 QUIET

    PANT
    VY 0 YP1
    VLIST RD ALL
    VLIST TH ALL
    VY   1 GLM
    VY   3 GLM
    VY   5 GLM
    VY   7 GLM
    VY   9 GLM
    END
    AANT P AEC
    ACC
    GSR     0.700000     5.000000      4  2    0.000000
    GSR     0.700000     5.000000      4  1    0.000000
    GSR     0.700000     5.000000      4  3    0.000000
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.400000
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.400000
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.400000
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.600000
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.600000
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.600000
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    0.850000
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    0.850000
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    0.850000
    GNR     0.700000     3.000000      4  2    1.000000
    GNR     0.700000     3.000000      4  1    1.000000
    GNR     0.700000     3.000000      4  3    1.000000
      ACA 60 .1 1
      M 0 .01 A P HH 1
      LLL 22 1 1 A BACK
      LUL 250 1 1 A TOTL
    END
    SNAP/DAMP 1
    SYNOPSYS   40

该程序发现表面1使用DOE效果最好。

 command ASY shows the data of this DOE.

 SPECIAL SURFACE DATA
 ______________________________________________________________________________
  SURFACE NO.   1 -- UNUSUAL SURF TYPE 16 (SIMPLE DOE)
 WAVELENGTH OF OPD DEFINITION:        0.587600
 Nd, Vd OF DOE MATERIAL:         1.517000       55.000000
 NORMALIZING RADIUS:       61.613800
 DIFFRACTION ORDER:        -1
 XD  1     -0.000671 (CV)    XD 11  1.852479E-06 (R**2)  XD 12  2.816262E-06 (R**4)
 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，

    VY 1 G 16
    VY 1 G 26
    VY 1 G 27
    VY 1 G 28
    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！）

    !ADA 5 QUIET

    PANT
    VY 0 YP1
    VLIST RD ALL
    VLIST TH ALL
    VY   1 GLM
    VY   3 GLM
    VY   5 GLM
    VY   7 GLM
    VY   9 GLM

    VY 1 G 16
    VY 1 G 26
    VY 1 G 27
    VY 1 G 28
    VY 1 G 29
    VY 1 G 30
    VY 1 G 31
    VY 1 G 32

    VY 9 G 16
    VY 9 G 26
    VY 9 G 27
    VY 9 G 28
    VY 9 G 29
    VY 9 G 30
    VY 9 G 31
    VY 9 G 32
    END
    …

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。

    RLE
    ID 5-ELEMENT LENS FOR DOE STUDY            189
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12
     WAVL .6563000 .5876000 .4861000
     APS               1  UNITS MM
     OBB  0.000000     25.00000     12.00000    -40.75533      0.00000      0.00000     12.00000    0 AIR
       1 CV      0.0000000000000   TH     17.18886085
       1 GLM      1.50000000             73.64948718    1 USS  16
     CWAV        0.587600
     HIN        1.517000       55.000000
       RNORM    61.6138
    1 XDD  1  -2.3573567E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00
    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
    1	XDD  4  -1.6583719E+03  5.4539892E+02  0.0000000E+00  0.0000000E+00
    2	RAD     83.7333797612760   TH    133.80801226 AIR
    3	RAD    145.6651342237978   TH     12.84766300
    3	GLM      1.90000000             37.62897436
    4	RAD   -936.8282816530643   TH     36.68042679 AIR
    5	RAD     77.0117799868350   TH      7.56136252
    5	GLM      1.60190936             64.47241855
    6	RAD    300.9357930535547   TH      2.49443964 AIR
    7	RAD   -321.5452747117334   TH      6.92345376
    7	GLM      1.81849484             24.49789036
    8	RAD     80.4305830784560   TH     14.77333385 AIR
    9	CV      0.0000000000000   TH     17.77216658
       9 GLM      1.89731741             37.87054525
       9 USS  16
     CWAV        0.587600
     HIN        1.517000       55.000000
       RNORM    17.8887
       9 XDD  1   3.7006321E-03  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00
       9 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00
       9 XDD  3   7.5557923E+01 -1.1770634E+01  1.0593009E+01 -1.4354614E+01  1.1908357E+01
    9	XDD  4  -4.9678199E+00  8.1921021E-01  0.0000000E+00  0.0000000E+00
    10	RAD   -155.4022209171318   TH    127.09309610 AIR
      10 CV      -0.00643491
      10 UMC     -0.14285714
      10 TH     127.09309610
    10	YMT      0.00000000
    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。