消色差透镜设计及公差分析
参考Donald Dilworth《Lens Design Automatic and quasi-autonomous computational methods and techniques》书第十二、十三章
?4':~;~ uG\~Hxqw7O 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: T#B#q1/
RLE !读取镜头文件 \:;MFG'
ID F10 APO !镜头标识 &vrQ *jX
WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 #Ha:O,|
APS 3 !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 ^Wld6:L{I
UNITS INCH !透镜单位为英寸 '?C6P5fm
OBB 0 0.5 2 -0.01194 0 0 2 !物体类型为OBB,0-入射边缘光线角度(针对无限远物),0.5-半视场角,2-半孔径,-0.01194-表面1上主光线高度,负号是指光线在图像下端;后面三个参数表示光线在X-Z平面的相应值
0 AIR !物面处于空气中
<IR#W$[ 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度
h]<S0/ 1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887 !
玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定
G[KjK$.Ts? 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4
2u$-(JfoS 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度
jz8u'y[n7 2 AIR !表面2处于空气中
z>PVv)X 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度
?W'z5'| 3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445 !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出
Qxz[ 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4
Dck/Ea 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度
L3{(Bu 4 AIR !表面4处于空气中
?I?G+(bq 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度
qA[lL( 5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133 !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出
zyS8LZ-y9 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10
7i($/mNl 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度
W_B=}lP@x 6 AIR !表面6处于空气中
JX0M3|I= 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率
:UdW4N- 6 UMC -0.05000000 !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。
6 TH 39.24611007 !表面6的厚度
NQqw|3 6 YMT 0.0000000 !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度
%"`p&aE: 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度
8Qg{@#Wr END !以END结束
8xB-cE ]ogifnwv 6!_Wo\_% 运行上述代码后,点击图标
打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示: k'iiRRM _UVpQ5pN 图1 消色差透镜的初始设计
b/_Zw^DPC 点击PAD图中的图标
,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: 5qrD~D' [~N;d9H+*1 绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。
IRbyW?/Xv 而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。
rf0Z5. q=3>ij{v 得到玻璃的色散图如下:
{L;sF=d qe.QF."y 现在,我们查看表面1的玻璃
材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下:
\d"\7SA StJb-K/_cL 图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。
$U[d#:] 如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。
UC+Qn ;
$rQ s*GZOz wNi%u{T 从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。
44e]sT.B <.)=CK 于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。
Yh95W 30HUY?'K yu6~:$%H 另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低:
!`_f >n,_Aj
c
Fbo"Csn_ 现在PAD图中的透镜
像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行
优化,如图2所示:
k^oSG1F .OJGo<#$f dSwfea_ k*A(7qQA`4 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜
r $S9/ 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下:
0'd@8]|H PANT !参数输入
()6%1zCO VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径
|&@q$d VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度
j#f/M3 END !以END结束
3.YH7rN
wwl,F=| Y AANT !像差输入
)FwOg;=3M" AEC !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄
ftY&Q#[ ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚
R"OT&:0/ GSO 0 1 4 M 0 0 !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场;
4&NB xe GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差
Mg\588cI GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差
lB27Z} END !以END结束
!po,Z& S+06pj4Ie SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次
W,~*pyLdO SYNO 30 !迭代次数30次
I0Do% 优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。
L~ax`i1:" "dCIg{j
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
E{6ku=2F 接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码:
.g/!u(iy CHG !改变镜头
Fe[6Y<x+: NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解
!&OdbRHM END !以END结束
iY>xx~V PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化
IG0_ ?4SYroXUX| KeyKLkg> .:H'9QJg 离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。
O#igH ;7Qe m& ZS:[ZehF 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。
qF3S\
C -rsS_[$2 t>]W+Lx#
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下:
Db2#QQ CHG
5M\0t\uEn 6 NCOP !移除表面6的曲率求解
4`~OxL END
3=]/+{B rKPsv*w 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图:
*Iw19o-I -T+yS BO_3 ~b8.]Z^ 其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。
G%gdI3h1Z
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。
H?opG<R=ek \yymp70w 预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。
BCExhp 透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。
)FB<gCh7X *RkvM?o@jC y3*IF2G 现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢?
pnz@;+f 在CW中输入THIRD SENS:
Ct/6< @W+8z#xr' Qvny$sr2 ve#[LBOC8 SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。
/XRgsF F`Vp 优化宏代码如下:
s5 Fn("h]n PANT
R U[ VLIST RAD 1 2 3 4 5 7
J!rZskd VLIST TH 2 4
pfim*\' END
EI9Yv>7 d{ AANT
,^xsdqpe AEC
[\HAJA, ACC
C~iFFh6: M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1;
bv[*jr;45 GSO 0 1 5 M 0 0
/9y'UKl7[ GNO 0 .2 4 M .75 0
RkdAzv!Y7 GNO 0 .1 4 M 1.0 0
/?j^Qu END
>fR#U"KPAB SNAP
d\z':d.Tt SYNO 30
B7ys`eiB5C gvZLW!={ 7f=9(Zj 优化后的透镜结果,如图4所示:
8DrKq]& 4ri)%dl1 K3UG6S\B 图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
I^A01\p ,TO&KO1;& 现在的THIRD SENS为:
cmh/a~vYaY Q;$/&Y* 接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
gk6j5 $Y"< :kI
x?cc 新BTOL宏代码如下:
UE\@7 CHG
&4MVk3SLx# NOP
48%a${Nvvj END
Ll&5#q -p!KsU BTOL 2 !设置置信区间
p|%Y\! >Q\H1|? EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的
?t.?f`(| EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的
cfe[6N FkECY TPR ALL ! 假定所有表面与
光学样板匹配
>|I3h5\M TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1
zsRN\U ADJUST 6 TH 100 100 !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个
CM's6qhQnn 数字100是指允许的最大调整值;
LRd,7P z8"=W,2 PREPARE MC !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息
\ZDT=? lB\j>.c GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序
A8eli=W STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4
:* /`` 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图:
:U[_V4?7 ?R{?Qv 接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。
R;V(D3 cwC,VYVl 在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
i+cGw u]MF
r2 ^9b
`;}) . 现在测试最坏的透镜。点击
,在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
(&hX8 |~CnELF) et ~gO!1:* 图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
?HcA&
于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下:
kWz%v FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5
Q#r 0DWo\ PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数
SCH![Amq FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位
0j/81Y}p H62*8y8 PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数
A0X0t PANT
< 5_Ys VLIST RAD 1 2 3 4 5 6
7ER 2h* VLIST TH 2 4 6
`U1%d7[vY END
q@-qA] I!<v$ AANT
ry]7$MQyV GSO 0 1 5 M 0
lM1!2d'P GNO 0 1 5 M 1
EH "g`r END
xA5$!Oq7 SNAP
g^4FzJ EVAL !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作
-pGt; k"7eHSy, PHASE 2 !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数
@
:4Kk
4g1 PANT
?(<AT]h V: VY 3 YDC 2 100 -100 !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100
U?lu@5 ^Z VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心
Wkk Nyg, VY 5 YDC 2 100 -100
MH Yf8HN VY 5 XDC 2 100 -100
zB$6e!fc VY 6 TH !改变表面6的厚度
ge oN4 END
FVmg&[
. AANT
`k|nf9_ GNO 0 1 4 M 0 0 0 F
~&/Gx_KU GNO 0 1 4 M 1 0 0 F
#"{8Z&Z END
?BZ][~n-Q SNAP
UQcmHZ+lf SYNO 30
19u?^w e`Yns$x PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程
qU
n> Fb'wC 运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。
PK4UdT r?I(me, T!a[@,)_
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
Mv=cLG?X 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图:
S%fBt?-Cm 6v#G'M#r 9.=#4OH/ ^e,RM_. (Qm;]?/ 相应的局部放大轴上视场直方图
m6cW 打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图:
ECzNByP xH[yIfHkG@ 1F,_L}=o1s 打开MPL对话框设置后,点击DWG得到透镜装配图,图中添加了空气间隙,倾斜角,还有偏心公差:
?$c