[原创]SYNOPSYS代码详解-消色差透镜设计及公差分析 [复制链接]

U1
HD~  
#HuA(``[d  
首先，消色差透镜的初始结构设计代码如下： BfE-s<  
RLE                                                     ！读取镜头文件 nk3<]u  
ID F10 APO                                        ！镜头标识 hYUV9k:  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         ！定义三个波长，按照长波到短波顺序排列 pOI`,i}.  
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。 ^YJ^+:D(  
UNITS INCH                                      ！透镜单位为英寸 ?! _pP|  
0 AIR                                                                        ！物面处于空气中 7CL@iL Tq  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  ！表面1的半径，厚度 fYQi#0drn  
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 <&0*5|rR  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  ！表面1玻璃类型为N-SK4 '-]BSU  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   ！表面2在空气中的半径，厚度 .nF  
2 AIR                                                                                 ！表面2处于空气中 Fx99"3`3  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           ！表面3的半径，厚度 O9=H [b  
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 OZ14-}Lr5  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     ！表面3玻璃类型为N-KZFS4 x(zZqOed  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    ！表面4在空气中的半径，厚度 fQ.>G+0I>  
4 AIR                                                                                  ！表面4处于空气中 `L*;58
MA  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   ！表面5的半径，厚度 e, 0I~:  
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 I nK)O';  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               ！表面5玻璃类型为N-BAF10 @$yYljP  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   ！表面6在空气中的半径，厚度 $F()`L{Tj  
6 AIR                                                                                  ！表面6处于空气中 r\ Yur  
6 CV      -0.03573731                                                         ！表面6的曲率 f uNXY-;  
6 TH     39.24611007      ！表面6的厚度 rHBjR_L.2  
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 JR<-'  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  ！表面7（像面）的半径，厚度 3R:i*8C  
END                                                                                  ！以END结束 9w<Bm"G  
N b[o6AX  
yIf}b  
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： pvUoed\  
D=sc41]  
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： 9x{prCr  
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。 (#iM0{  
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’。 
6jo&i  
得到玻璃的色散图如下： R,+(JgJ  
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： Z|S7",  
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。 emPm^M5/K
 
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。 Bic { H  
RAbq_^Q  
)_K@?rWS  
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。 I'b]s~u  
'k Z1&_{  
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。 mxA )r5sx  
\%Q rN+WQ  
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： #zs\Z]3#  
G@!9)v]9  
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： A_|FsQ6$P  
yvisoZX  
):ZumG#o  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 "<a|Q,!  
接下来，运行下面代码对透镜进行优化，代码如下： P[8N58#  
PANT                                            ！参数输入 zR
FM/IYC  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                ！改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 nW'x#0-  
VLIST TH 2 4                               ！改变表面2和表面4的厚度
K({,]<l5  
END                                              ！以END结束 Lta\AN!
c  
m kf{_!TK  
AANT                                           ！像差输入 ;}'<`(f&nX  
AEC                                              ！自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化，防止边缘厚度太薄 ~'=4K/39  
ACC                                              ！自动控制玻璃元件的中心厚度，防止中心厚度太厚 ~"Ki2'j)^]  
GSO 0 1 4 M 0 0  ！校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差；0-孔径权重占比，1-权重，4-光线数，M-多色，0-Y视场，0-X视场； Fsj[J
E  
GNO 0 .2 3 M .75 0  ！校正0.75视场光线网格OPD像差 3y,?>-  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  ！校正全视场光线网格OPD像差 Ps\^OJR  
END                          ！以END结束 2
6K~m@  
k"{U}Y/}  
SNAP                        ！设置PAD更新频率，每迭代一次PAD更新一次 9(j!#`O7&  
SYNO 30                  ！迭代次数30次 p n>`v  
优化后的消色差镜头结构，如图3所示。由图可知，此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件，命名为'C12L2.RLE'。  +'.Q-  
Tj9q(Vq  
接着，我们查看离焦在新设计中随波长的变化，如下图。运行以下代码： e|yuPd  
CHG                    ！改变镜头 Dx'e+Bm  
NOP                     ！移除所有在透镜上的拾取和求解 X&Lt?e,&  
END                     ！以END结束 &}1)]6q$  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  ！绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 c.v)M\:  
K_n%`
5  
}L9j`17  
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。 V}qmH2h  
6~>k]G  
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。 7!%"8Rl-  
vE(Hy&Q&  
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： p;Kr664  
CHG 9MxGyGz$  
6 NCOP          ！移除表面6的曲率求解 mGvP9E"&  
END 5Y^YKV{  
G\%hT5^  
然后，在CW命令窗口输入MSB，进行BTOL设置，如图： *gVv74;;  
J?'!8,RX  
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。 @H
I5;z  
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。 S}
X:LHr*  
ty>O}9%  
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。 QUf_fe!,|  
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。 G
>x0}c  
E<dN=#f6  
0i"OG( ,  
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？ dp_q:P4;B  
在CW中输入THIRD SENS： Ek3O{<  
?9+;[X  
m='OnTeOE  
] ?(=rm9u  
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。 14RL++  
-eTGRr  
优化宏代码如下： rtm28|0H'  
PANT Sf9+T
W  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 zeX?]@]Y  
VLIST TH 2 4 )Pq.kn{Sp  
END $G3P3y: [  
AANT ^-ZqS  
AEC 'mF}+v^  
ACC yrw!b\  
M 4 1 A SAT                      ！SAT的目标值为4，权重为1； _wBPn6gg`  
GSO 0 1 5 M 0 0   !?{5ET,gtN  
GNO 0 .2 4 M .75 0   _EP}el  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   zw?6E8$h  
END +Ji dP  
SNAP bGZy0.  
SYNO 30 # V+e  
D$\ EZ
 
`|R{^Sk1o  
优化后的透镜结果，如图4所示： k.%F!sK  
-t]0DsPg  
/-T%yuU  
y03l_E,  
7DDot_qb  
现在的THIRD SENS为： 3I]5DW %-  
[{YV<kN  
"LYob}_z  
3iB8QO;pp  
新BTOL宏代码如下： 79\ =)m}$Q  
CHG )j](_kvK  
NOP a.P^+h  
END  u!(|y9p  
Js'|N%pi  
BTOL 2                      ！设置置信区间 g& {YHq^+  
"xWC49
  
EXACT INDEX 1 3 5    ！表面1，表面3和表面5的折射率是精确的 4R6X"T9-  
EXACT VNO 1 3 5        ！表面1，表面3和表面5的V-number是精确的 .*ZNZ|g_  
OA+W$
  
TPR ALL                  ！  假定所有表面与光学样板匹配                                                             I)clGMS,  
TOL WAVE 0.1        ！最大波前变化值为0.1 7\.5G4dr%  
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 epQ7@9,Q  
                                             数字100是指允许的最大调整值； K.z@Vx.  
# aC}\  
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 -Jb I7Le  
i+OyBDkJM!  
GO                          ！BTOL输入文件的最后输入，并执行程序 kY|<1Ht  
STORE 4                ！透镜结果储存在透镜库的位置4 #N*~Q  
运行BTOL宏之后，公差稍微宽松一点，如下图： ,\VNs'j  
cB|](gWS~  
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。 W_?S^>?l/  
\eN}V  
/Z^+K  
*h`zV<j  
E]bjI$j  

^+-i7`|=  
oC[$PPqX#  
于是，对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下： zzM 'uo  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  ！测试透镜库4中的50片透镜，按照预计公差来制作透镜，然后监控对比所有透镜质量，将最坏透镜结果保存在透镜库5 ^s^X nQhE  
PASSES 20           ！对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 !y6 D+<k*]  
FAORDER 5 3 1  ！透镜制造序列，按难度排序，最复杂的透镜放首位 o_?YYw-:  
OfPWqNpO  
PHASE 1              ！第一阶段，优化透镜参数 xR$xAcoSB  
PANT ^*Sb)tu\ W  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 }_K7}] 1  
VLIST TH 2 4 6 f)>=.sp  
END DEs/?JZG  
'En6h"{  
AANT F;kNc:X`)  
GSO 0 1 5 M 0 QHK$2xtq|  
GNO 0 1 5 M 1   NI3_wV  
END 1%H]2@  
SNAP `w2hJP  
EVAL   ！必须以EAVL结束，第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身，然后依次完成所有透镜制作 <~'\~Zd+  
`C,479~J  
PHASE 2              ！第二阶段，只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 ='a$>JVJ5  
PANT
/aP`|&G,)  
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 4~D?F
'o  
VY 3 XDC 2 100 -100   ！改变表面3的X方向偏心 ~h -0rE  
VY 5 YDC 2 100 -100 op;OPf,  
VY 5 XDC 2 100 -100 I U/gYFT  
VY 6 TH                        ！改变表面6的厚度 l9\ *G;  
END -Zkl\A$>  
AANT  t;{/Q&C  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F ;8H m#p7,  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   q'[5h>Pa  
END g$~ktr+%  
SNAP OQA}+XO  
SYNO 30 UE5T%zd/  
2ACN5lyUS  
PHASE 3 ！第三阶段；当遇到第三阶段的输入，程序循环整个过程 }PD?x4  

aH*)W'N?  
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。 _uID3N%  
3 cu`U`  
QYPsqkF*  
再次在CW中输入MC PLOT，得到MC直方图： x8w455  
m!V ?xGKJ  
Jc95Ki1X  
4u0=/pfi[  
pO[ @2tF  

很好的文章

谢谢楼主分享！！

资料非常不错，必须点赞！