在本課中，我們將從頭開始，設計一個5片透鏡鏡頭，然后看看在某處添加衍射光學元件（DOE）是否可以改善其性能。

這是個問題，由MDS對話框中的條目定義。 這將創(chuàng)建一個MACro，它將運行DSEARCH命令，并填寫所有數據。

該設計將輸入F / 3.5，半場角為25度，孔徑為12毫米。 我們選擇使用SPECIAL AANT代碼來控制后焦距，這樣可以后焦長度增大但不會讓它小于22毫米。 我們還要求主光線角度切線較小，權重較輕，符合ACA要求，因此我們不能在圖像上獲得具有大視場角的解決方案，并避免陡峭的光線折射。

當我們單擊“確定”按鈕時，程序會加載我們的MACRO。 我們在頂部添加了CORE 16指令，以加快我們的8核超線程PC的速度，并指定一個長延遲（因此它不會要求中止其他內核，這可能需要更長時間）和一個網格 數量為6（因為非球面和DOE會導致高階孔徑像差）。

    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

由于我們要實施DOE曲面，我們選擇指定五個視場進行校正。 當使用任何類型的非球面時，這是一個好習慣，因為否則可能會在指定的位置進行較好的校正，在其它未定義的視場進行較差的校正。

我們還為每種情況的曲率半徑指定了四個不同的起始值，依次進行研究。 請記住，即使對初始條件進行少量更改也可以將DSEARCH發(fā)送到鏡頭設計樹的不同分支，這將使搜索的案例數量增加四倍。

我們運行這個MACro并且看到從DSEARCH回來的最好的鏡頭不是太好 - 但是你確定，只使用五個透鏡，就能滿足這些視場和速度的要求么？

我們可以通過請求更多的元件來獲得更好的結果 - 但是我們希望通過將其中一個鏡頭更改為DOE來看看我們可以獲得多少改進。 該程序為我們創(chuàng)建了一個優(yōu)化MACro，使得繼續(xù)優(yōu)化和模擬退火非常容易。 我們來試試DOE。 我們在頂部添加另一條MACro。 （“ADA”表示自動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

該程序發(fā)現表面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)

這只是一個非常小的改進。 我們很好奇如果我們增加第二個DOE將會發(fā)生什么。 這很容易測試。 將變量添加到我們剛剛添加的DOE術語的PANT文件中。

    VY 1 G 16

    VY 1 G 26

    VY 1 G 27

    VY 1 G 28

    VY 1 G 29

然后再次運行MACro。 這次它需要表面9的DOE。

評價函數有很大改進。 我們修改了PANT文件，因此它會改變兩個DOE上的系數，并包括一些高階項。 系數G32是12次冪系數，而ADA的默認值僅為8次冪。 （我們謹慎地注銷ADA命令，所以我們沒有得到第三個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

    …

現在我們再次運行它，然后模擬退火。

哇！ 當使用兩個DOE進行優(yōu)化時，DSEARCH返回的鏡頭的評價函數從0.944下降到0.061。 （L19L1）看到我們需要多少球面元件來獲得這種質量會很有趣，但我們會為學生留下這個練習。 肯定會超過五個。

    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

本課程展示了如何將鏡頭表面轉換為DOE可以顯著提高圖像質量 - 或者讓您以更少的元件獲得所需的質量。 當然，這完全取決于鏡頭供應商是否可以制造DOE。 這些可能不太容易。 這是表面2處的DMASK配置文件：

這是表面9的輪廓

第二個可能是對加工廠的挑戰(zhàn)。 我們來看一下空間頻率。 使用MMA打開MAP對話框，選擇HSFREQ over PUPIL，對象點0，Ray Pattern CREC 9，DIGITAL和Execute。 最高頻率在邊緣處超過7 c / mm。 這看起來很不錯，但這當然取決于制作它們加工廠的能力和技術。

我們希望隨著這項技術的改進，這里提出的設計將變得越來越實用。 無論如何，最好是先于技術而不是跑到后面試圖跟上。 正如您所見，SYNOPSYS™的ADA功能處于領先地位。 我們邀請具有DOE能力的鏡頭供應商對本課進行評論，并可能提供他們今天所理解的見解和設計權衡。