SYNOPSYS代码详解-消色差透镜设计及公差分析
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 'E4`qq oBA]qI 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: %~V+wqu RLE !读取镜头文件 P <$)v5f ID F10 APO !镜头标识 wIrjWU2 WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 t8"*jt APS 3 !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 ^1a/)Be{_ UNITS INCH !透镜单位为英寸 BEQ$p)
h
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 `m~x*)L# 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 GTj=R$%09 1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887 !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 5}4f[ 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 .`iG}j)\ 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 6,ZfC<) 2 AIR !表面2处于空气中 re\@v8w~ 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 P9Gjsu # 3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445 !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 ?P+n0S! 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 ;g3z?Uz) 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 19Cs
3B \4 4 AIR !表面4处于空气中 sHqs)@D 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 E&\dr;{7 5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133 !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 &=1Ag}l57 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 "[PxLq5 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 L[]*vj 6 AIR !表面6处于空气中 I9! eL4e 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 )HrFWI'Y
6 UMC -0.05000000 !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。 6 TH 39.24611007 !表面6的厚度 r'kUU]j9 6 YMT 0.0000000 !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 E%eTjvvxus 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 I)xB I~x END !以END结束 @}#" o
Wc}opp S$CO T)7 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:[attachment=98428] jV(\]g"/=
egBjr?
图1 消色差透镜的初始设计 ~?V+^<P 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: *%G$[=
[attachment=98447] +`EF0sux
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 !]%M 而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 U>q&p}z0H
[attachment=98448] \m.ap+dFa
得到玻璃的色散图如下: S?X2MX
[attachment=98450] }Pm>mQZ},
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: 4H7
3a5f
[attachment=98451] g/)$-Z)Nu
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。 ;j#$d@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。 <b-BJ2],k \5+?wpH
[attachment=98452] |4UU`J9M
]r#YU0 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。 -mSiZ s m42 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。 _eB?G
[attachment=98453] Xx;RH9YYz
+%Vbz7+! 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: /UJ@e
[attachment=98454] <OKzb3e
T&?0hSYt 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: so* lV F1V[8I.0
[attachment=98429] sUaUZO2V
?e? mg 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 ; Nw. 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: 8
S'g% PANT !参数输入 aZ$$a+ 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 9Fe(],AzF VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 ^*;{Uj+O~Y END !以END结束 _1z|QC L*ZC`
.h AANT !像差输入 moQ><>/ 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 O|#N$a&_N ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 pRsYA7Ti 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; GCxtW FXH GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 gTI!b GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 b\/:-][ END !以END结束 )4d)G5{ %-~W|Y SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次
<
V?CM(1C SYNO 30 !迭代次数30次 KRS_6G],{ 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'。 a:C'N4K
$9GRA M.
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 U @Il:\I 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: ^ <Z^3c>/ CHG !改变镜头 $}d| ~q\ NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 ]Gw? DD|Gn END !以END结束 4(aDi;x "w PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 T-Od|T@[ zl>l.zJ
[attachment=98455] {(}Mu R
o C]tEXJ 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。 {~*aXu3
[attachment=98456] ;H#'9p ,2
Mis t,H7 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。 [3a-1,
[attachment=98457] 9`J!]WQ1[
O_*(:Z 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: K\ww,S CHG ,}M@Am0~ 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 1sFTXl END _=c>>X im&E\`L7 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: m1 78S3
[attachment=98458] <BIj
a
15Vb`Vf`N 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。 W_EM
k 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。 P5;LM9W
[attachment=98436] W~GbB:- 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。 g-=)RIwm 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。 $|v_ pjUu] R9SJ;TsE
[attachment=98434] T`g.K6$b 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? kJ6=T6s 在CW中输入THIRD SENS: s)$N&0\ gWp\?La
[attachment=98426] Wjt1NfS& LOyL:~$ 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。 SWr?>dl [>"bL$tlo* 优化宏代码如下: bWv4'Y!p PANT iw<#V&([J VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 `"v5bk VLIST TH 2 4 SCl$+9E END @R=gJ:&a AANT w]n20& AEC YmM+x=G: ACC qr%9Sdvx M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; YV*s1t/ GSO 0 1 5 M 0 0 RQI? \?o GNO 0 .2 4 M .75 0 H{'<v|I GNO 0 .1 4 M 1.0 0 P F!S END 2=X 2M SNAP #Ag-?k SYNO 30 |w2H5f{fR 8~?3: IZ d%?+q0j 优化后的透镜结果,如图4所示: =>Y b~r71 C=ni5R
[attachment=98431] .lfKS!m2
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 n(.y_NEgV! I0 a,mO;m 现在的THIRD SENS为: ; >3q@9\D
[attachment=98427] W
B)<B
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 }f)$+mi 2"lD Kjj 新BTOL宏代码如下: )xiiTkJd5 CHG &P&LjHFK NOP <A&mc,kj END pN/)$6= 4g]Er<-P BTOL 2 !设置置信区间 y0qrl4S)v -x2/y:q ` EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 g\&[;v
i EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 zCKZv|j6 0Vv6B2< TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 J&}/Xw) TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 U'zW; Lt ADJUST 6 TH 100 100 !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 {g}!M^| 数字100是指允许的最大调整值; J@Eqqyf" 5Jq~EB{" PREPARE MC !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 %pgie"k V|b9zHh GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 D8N}*4S STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 ZzLmsTtzIu 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: ep .AW'+
[attachment=98435] ,wE]:|`qJ 接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 ^RytBwzKM
[attachment=98459] MB
:knj
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: GwxxW
[attachment=98460] qEr2Y/:i"
+9G
GC
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。 j?%^N\9
[attachment=98432] 0ZPwEP
Xn-GSW3{
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 <y=VDb/ 于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: 9K~2!< FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 pDb5t> PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 o9G%KO&;D, FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 0F-X.Dq w*<XPBi
PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 KJ<7aZ PANT F<q'ivj:w VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 i`/_^Fndyu VLIST TH 2 4 6 IY6DZP END !"/]<OQ =3OK3| AANT >f #P( GSO 0 1 5 M 0 8A}w}h GNO 0 1 5 M 1 q65KxOf` END >_P7 k5Y^ SNAP 0xrr9X< EVAL !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 zbK=yOIOd !spp*Q)#\ PHASE 2 !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 o&P}GcEIw PANT O,R5csMh VY 3 YDC 2 100 -100 !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 P'f
=r% VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 ,#[0As29u VY 5 YDC 2 100 -100 j_*$Avy VY 5 XDC 2 100 -100 1ael{b! VY 6 TH !改变表面6的厚度 6nh!g END B*7Y5_N AANT RY'f%c GNO 0 1 4 M 0 0 0 F >(mp$#+w GNO 0 1 4 M 1 0 0 F 8uq^Q4SU END AE`X4 q SNAP DhY.5 SYNO 30 I|69|^ lxb+0fiN PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 ,T@+QXh pSp/Qpb-B 运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 6yk=4l\
[attachment=98433] Fb=(FQ2Y?
stuj,8
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 eJA$J=^R; 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: nVkx Q?2
[attachment=98462] ^Pl(V@
%@
UH,Ew
[attachment=98463] |U{9Yy6p
m=D2|WA8
相应的局部放大轴上视场直方图 rD=8O#m
g
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: cb!mV5M-g [attachment=98465] eKjmU | H
0/K?'&$yvb
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: Z`x|\jI [attachment=98464]
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