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    [原创]SYNOPSYS代码详解-消色差透镜设计及公差分析 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2020-02-20
    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
    [hg9 0Q6  
    Z]TQ+9t  
    首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: &-Wt!X 3  
    RLE                                                     !读取镜头文件 3gVU#T [[  
    ID F10 APO                                        !镜头标识 _RxnB?  
    WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 SC4jKm2  
    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。 _xi &%F/  
    UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 P, l (4  
    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 *!BQ1 ] G  
    1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 c U(z5th  
    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 c7@/<*E+  
    1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 ^OIo  
    2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 SnXM`v,  
    2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 `fX\pOk~e  
    3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 +MaEet  
    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 H*3u]Ebh  
    3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 er1X Z  
    4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 jCNR63/  
    4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 ;'V[8`Z@  
    5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 0Qvr g+  
    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 <b _K*]Z  
    5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 !.O[@A\.-  
    6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 7]5~ml3:  
    6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 @g;DA)!(  
    6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 )z z{~Cf  
    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 v*JKLA  
    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 z@\mn  
    7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 9IG<9uj  
    END                                                                                  !以END结束 'sa)_?Hy  
    x$TL j  
    s}` |!Vyl  
    运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:
    dJ])`S  
    aCQ[Uc<B:  
    图1 消色差透镜的初始设计
    [kr-gV  
    点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: e<`?$tZ3   
    'w72i/  
    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。 4[;}/-  
    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’。 )AdwA+-x  
    fQ!W)>mi  
    得到玻璃的色散图如下: u R5h0Fi  
    ,f,+)C$  
    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: bVN?7D(  
    Hi~)C\  
    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。 zI S ,N '  
    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。 nC??exc  
    _<c}iZv@  
    Th\T$T`X$  
    BSd.7W;cS=  
    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。 $kmY[FWu?  
    `uusUw-Gf  
    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。 &LB`  
    T9r6,yY  
    j^U"GprA  
    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: -:45Q{u/  
    3&M0@/  
    Gkfzb>_V]  
    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: v<l]K$5J&  
    J n2QvUAZ&  
    X#ha*u~U  
    UMD\n<+cG,  
    图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 gPd ,  
    接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: ,`a8@  
    PANT                                            !参数输入 })uyq_nz  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 ?/sn"~"  
    VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 jll|y0  
    END                                              !以END结束 ""N~##)8  
    KX cRm)  
    AANT                                           !像差输入 bi@'m?XwJ  
    AEC                                              !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 ObreDv^,  
    ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 yn(bW\  
    GSO 0 1 4 M 0 0  !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; +`B^D  
    GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 0xCe6{86  
    GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 TEj"G7]1$A  
    END                          !以END结束 +tg${3ti_  
    mO]dP;,  
    SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 K~3Y8ca  
    SYNO 30                  !迭代次数30次 vAeVQ~  
    优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 H)dZ0n4T  
    , v=pp;  
    图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
    ubVZEsoW?  
    接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: OBF-U]?Y  
    CHG                    !改变镜头 w6Mv%ZO_  
    NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 4:b'VHW.  
    END                     !以END结束 SXJjagAoML  
    PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 |_+l D|'  
    .i|nn[H &  
    N0\<B-8+,>  
    ?`kZ6$  
    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。 TA:#K  
    =9p3^:S  
    p-DHTX  
    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。 -GB,g=Dk  
    jt*B0'Sa  
    ^4<&"aoo  
    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: D eT$4c*:[  
    CHG V joVC$ZX  
    6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 "K+EZ%~<  
    END H<?s[MH[  
    MTNC{:Q  
    然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: #@1(  
    (#z6w#CU(  
    _nX8f &  
    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。 ;$4&Qp:#  
    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。 a=9QwEZ  
    %S$$*|_G  
    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。  AKk&  
    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。 Wfc~"GQq4  
    ?FR-a Xx  
    H(M{hfa|  
    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? ;, \!&o6  
    在CW中输入THIRD SENS: AA=eWg  
    $ye>;Ek  
    88?O4)c  
    zE/\2F$  
    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。 P6'Se'f8  
    ;mwnAO  
    优化宏代码如下: B/!/2x  
    PANT wg\ p&avvb  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 fd>&RbUp  
    VLIST TH 2 4 +#<Z/  
    END Ve)BF1YG  
    AANT *8)va  
    AEC M#m;jJqON  
    ACC )1 HWD]>4  
    M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; L*vKIP<EMM  
    GSO 0 1 5 M 0 0   _F|}=^Z`  
    GNO 0 .2 4 M .75 0   T"gk^.  
    GNO 0 .1 4 M 1.0 0   r=54@`O!  
    END U)aftH *Pk  
    SNAP B_b5&M@  
    SYNO 30 &CN(PZv  
    +"k?G  
    Y| ch ;  
    优化后的透镜结果,如图4所示: 8gt&*;'}*D  
    %yk_(3a  
    JAXD\StC  
    图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
    uxh>r2Xr=  
    ReA-.j_2@  
    现在的THIRD SENS为: Aq3\Q>klH)  
    b`=g#B|  
    接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
    WBm)Q#1:  
    *vvm8ik  
    新BTOL宏代码如下: }@tgc?C D  
    CHG 1)z Xv  
    NOP ~{vB2  
    END N>]J$[j  
    lmL$0{Yr  
    BTOL 2                      !设置置信区间 ~<s =yjTu+  
    O7uCTB+  
    EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 ,w BfGpVb  
    EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 Dh?I   
    K4YD}[  
    TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             W7!iYxO  
    TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 W-/V5=?   
    ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 R:R<Xt N`5  
                                                 数字100是指允许的最大调整值; [ K'gvLt1  
    `+>K)5hrR  
    PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 n 9`]}bnX  
    V'MY+#  
    GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 %2g<zdab  
    STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 ;z N1Qb  
    运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: }^p<Y5{b  
    H6|eUU[&  
    接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 x-%RRm<V  
    +8itP>  
    在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
    w-LENdw  
    Ot:}Ncq^\O  
    z0SF2L H  
    现在测试最坏的透镜。点击 ,在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
    uZ\+{j=  
    e3~{l~ Rb  
    32%Fdz1S  
    图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
    2l^_OrE!  
    于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: G'PZ=+!XO/  
    FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 &vn2u bauS  
    PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 ~ A=Gra  
    FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 pi/0~ke4"  
    G :k'm^k  
    PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 1;V_E2?V  
    PANT " r o'?  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 A~<!@`NjB  
    VLIST TH 2 4 6 m_@XoS yxI  
    END 0H_uxkB~  
    >0<n%V#s:r  
    AANT ov;^ev,(  
    GSO 0 1 5 M 0 Ef28  
    GNO 0 1 5 M 1   IM/xBP  
    END PoPR34] ^J  
    SNAP vgD+Y   
    EVAL   !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 DF4CB#  
    #ye`vD  
    PHASE 2              !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 )Se$N6u-  
    PANT 6L$KMYHE  
    VY 3 YDC 2 100 -100   !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 s8>y&b.  
    VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 ; teM^zyI  
    VY 5 YDC 2 100 -100 GJr mK  
    VY 5 XDC 2 100 -100 -`* 'p i  
    VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 T]-MrnO  
    END 9 i/ (  
    AANT <<A#4!f  
    GNO 0 1 4 M 0 0 0 F U$& '>%#  
    GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   e(|Z<6  
    END 83t/ \x,Q  
    SNAP P~=yTW  
    SYNO 30 /:(A9b-B  
    7H< IO`  
    PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 .O5V;&,  
    'o#oRK{#  
    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。 p'2IlQ\  
    jga\Ry=nw  
    Bps%>P~.  
    图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
    PE4 L7  
    再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: L-D4>+  
    _avf%OS  
    xn503,5G*7  
    UgS`{&b36  
    o9"?z  
    相应的局部放大轴上视场直方图
    -kMw[Y  
    打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: "IT7.!=@9  
    6Jb0MX"AVr  
    nk%v|ZxoFv  
    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: N\g=9o|Q  
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    elsaqueen 光币 +1 优秀文章,支持! 2020-02-26
     
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    只看该作者 1楼 发表于: 2022-01-10
    很好的文章
    离线zh_rj
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    只看该作者 2楼 发表于: 2022-01-26
    谢谢楼主分享!!
    离线coollwl
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    只看该作者 3楼 发表于: 2023-05-04
    资料非常不错,必须点赞!