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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
    E1IRb':  
    MH[Zw$  
    首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: \kqa4{7U(  
    RLE                                                     !读取镜头文件 RqgH,AN  
    ID F10 APO                                        !镜头标识 +Mc kR  
    WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 , mEFp_a+  
    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。 vCyvy^s-I  
    UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 ]as_7  
    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 s `HSTq2  
    1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 F(>']D9$.  
    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 Zx,R6@l  
    1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 G;_QE<V~_  
    2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 [SgWUP*  
    2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 m(>_C~rGN  
    3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 f ZL%H0&  
    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 aDFu!PLB{)  
    3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 Ev* b  
    4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 |Ak>kQJ(1z  
    4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 AN7WMX  
    5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 :#0uy1h  
    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 (mz5vzyw  
    5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 _+g5;S5  
    6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 .CdaOWM7  
    6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 La48M'u  
    6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 p.^mOkpt  
    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 ^ j;HYs_  
    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 Gc>bli<-  
    7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 2|@@xF  
    END                                                                                  !以END结束 ,oX48Wg_+  
    9 P_`IsVK  
    qp 4.XL  
    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:
    kF.!U/C  
    ^0"NcOzzxl  
    图1 消色差透镜的初始设计
    z!;n\CV@  
    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: 3dfG_a61y  
    Y,RED5]t  
    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。 >Z?fX  
    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’。 TU$PAwn=  
    c[E{9wp v  
    得到玻璃的色散图如下: RR!(,j^M  
    y ,isK  
    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: J01w\#62pQ  
    } [}u5T`w>  
    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。 0#4_vg .  
    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。 ^6[KzE#*  
    *F*c  
    (rO_ Vfaa  
    1}#v<b$  
    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。 !R;P"%PHV  
    E]w1!Ah M  
    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。 GY<ErS)2  
    <J-bDcp  
    i$;GEM}tv  
    另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: rHPda?&H  
    ~R/w~Kc!/A  
    3 Yf%M66t  
    现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: sv\'XarM  
    21D4O,yCe  
    H .)}|  
    ]#R'hL%f  
    图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 qJ|ByZ.N+  
    接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: 5x?eu n  
    PANT                                            !参数输入 /_y%b.f^  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 mj5$ 2J  
    VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 uMa: GDh7  
    END                                              !以END结束 `M/=_O3  
    6} "?eW  
    AANT                                           !像差输入 #%z--xuJL  
    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 j b1OcI%  
    ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 ?xh_qy;  
    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; !t "uNlN  
    GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 -B :Z(]3#\  
    GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 (1JZuR<?c  
    END                          !以END结束 j[NA3Vj1P  
    xal,j*  
    SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 ,OWdp<z  
    SYNO 30                  !迭代次数30次 [M_pf2Y  
    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'。 d,[.=Jqv[  
    sj a;NL  
    图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
    ,Hh7' `  
    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: nL!h hseH  
    CHG                    !改变镜头 nR4L4tdS  
    NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 XSt5s06TM  
    END                     !以END结束 cw.Uy(ks|$  
    PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 A[J9v{bD  
    '7o'u]  
    hu~02v5  
    FQNhn+A  
    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。 4 q}1  
    _?<Y>B, E  
    qY\zZ  
    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。 YS=|y}Q|7d  
    xP*9UXZ4P  
    &N1C"Eov?  
    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='z^vHK  
    CHG zYpIG8"o5  
    6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 udtsq"U_%  
    END *LcLYxWo  
    ;=: R|  
    然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: ?2[=llS4  
    %(;jx  
    Q_QmyD~m  
    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。 8OH<ppi  
    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。 T[a1S?_*T  
    6nt$o)[  
    预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 //@_`.  
    透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 U y^Hh4|  
    Y>t*L#i  
    q_HC68YF,  
    现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? 2T5@~^:7u  
    在CW中输入THIRD SENS: yd "|HHx  
    HP|,AmVLl  
    :i0xer  
    *7oPM5J|v  
    SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。 i_g="^  
    9F0B-aZ  
    优化宏代码如下: KQi9qj  
    PANT [UNfft=K3P  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 ~c ;7me.  
    VLIST TH 2 4 efMv1>{  
    END %r6LU<;1@  
    AANT %#Wg>6  
    AEC vq$%Ug/B  
    ACC ,iCd6M{  
    M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; TC U |k ,  
    GSO 0 1 5 M 0 0   &k\7fvF  
    GNO 0 .2 4 M .75 0   V5KAiG<d  
    GNO 0 .1 4 M 1.0 0   xp/u, q  
    END H:U1#bQQ:  
    SNAP R8EDJ2u#  
    SYNO 30 @SPmb o  
    W#e:rz8=  
    6`NsX  
    优化后的透镜结果,如图4所示: BdUhFN*  
    ig; ~ T  
    R.A}tV=j#  
    图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
    0'^? m$  
    9^0 'VRG  
    现在的THIRD SENS为: .)|jBC8|}  
    *bn9j>|iv  
    接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
    <S $Z  
    'Twi @I  
    新BTOL宏代码如下: 5 W(iU  
    CHG DBCL+QHA  
    NOP ] 5P{*  
    END |Y(].G,  
    1>a^Q  
    BTOL 2                      !设置置信区间 F xFK  
    ~SM2W%  
    EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 ( 4ow0}1  
    EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 a9QaFs"  
    PG<N\  
    TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             :KX/`   
    TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 1Od: I}@  
    ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 _?kf9.  
                                                 数字100是指允许的最大调整值; q,u >`]}  
    -rH4/Iby  
    PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 _I{&5V~z  
    xO1d^{~^^  
    GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 e-qr d  
    STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 nkJ*$cT1o  
    运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: 'U1r}.+b>  
    h^hEyrJw  
    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#zp;=  
    9-Ib+/R0  
    在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
    % Pa-fee  
    Crpk q/M  
    Om}&`AP};  
    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。
    "45BOw&72G  
    qh.c#t  
    {GWcw<g.B  
    图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
    e1<28g  
    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: iZSj T"l^  
    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 SI;G|uO;/  
    PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 \Z+v\5nmO  
    FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 DN^ln%#  
    <wE2ly&x  
    PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 $S,Uoh  
    PANT cK-!Evv  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 ,{oP`4\Lm  
    VLIST TH 2 4 6 `M7){  
    END u'32nf?  
    nosEo? {  
    AANT 'Y vW|Iq  
    GSO 0 1 5 M 0 }U^9(  
    GNO 0 1 5 M 1   ;U7\pc;S  
    END ]/$tt@h  
    SNAP %mcuYR'D}  
    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 'HqAm$V+  
    ~NTpMF  
    PHASE 2              !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 er qm=)  
    PANT Nc"h8p?  
    VY 3 YDC 2 100 -100   !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 eM9~&{m.  
    VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 yS3x))  
    VY 5 YDC 2 100 -100 O-y"]Wrv  
    VY 5 XDC 2 100 -100 OOk53~2id  
    VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 eQ9x l  
    END W6_3f-4g  
    AANT Hb]7>[L  
    GNO 0 1 4 M 0 0 0 F n[iil$VKh  
    GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   Q|v=WC6  
    END gj'ar  
    SNAP 5#d(_  
    SYNO 30 9CN / v  
    v5 9>  
    PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 N %?o-IY  
    Ffhbs D  
    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。 S3J6P2P  
    jr9ZRHCU  
    +s S*EvF  
    图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
    tNUcmiY  
    再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: 2i>xJMW  
    C$(t`G  
    F)%; gzs  
    {T^'&W>8G8  
    9 /zz@  
    相应的局部放大轴上视场直方图
    NeK:[Q@je  
    打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: 9m'[52{o  
    w{r ->Phe  
    Tbwq_3f K  
    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: t|y4kM  
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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!