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 ^A$~8?f ;
bDFrG 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: sw &sF RLE !读取镜头文件 **O4"+Xi8 ID F10 APO !镜头标识 <`m.Vbvm" WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 I!Za2? 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。 yQ8H-a. UNITS INCH !透镜单位为英寸 IA;KEGJ
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 Qs{Qg<} 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 3/@'tLtN 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 W.,J' 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 M>k7
'@G 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 7+u%]D! 2 AIR !表面2处于空气中 Y<.F/iaH 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 L7%'Y}1e. 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 "$8<\k$LGT 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 tg5jS]O 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 LGCL*Qbsg 4 AIR !表面4处于空气中 M+^K, 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 5tl}rmI` 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 zFuUv_t 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 uf)W?`e~ 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 ?\F ,}e 6 AIR !表面6处于空气中 y$V{yh[: 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 1,`x1dcO!A
6 UMC -0.05000000 !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。 6 TH 39.24611007 !表面6的厚度 qc'tK6=jp 6 YMT 0.0000000 !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 +msHQk5#$m 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 L}a3!33)C END !以END结束 Da-(D<[0 W\<#`0tUt t1Khf 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] 0XYO2k
FVQWz[N
图1 消色差透镜的初始设计 4+k:j=x 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: UXk8nH
[attachment=98447] F5<{-{Ky
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。 \]OD pi
2 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’。 o"1us75P
[attachment=98448] -X}R(.}x
得到玻璃的色散图如下: n
~3c<{coZ
[attachment=98450] z:G9Uu3H(
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: =W|Q0|U
[attachment=98451] ,6buo~?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。 GKd>AP_ 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。 3CHte*NL= G\NCEE'A
[attachment=98452] w9PY^U.Y3e
x+TNF>%'D 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。 hW+Dko(s j5)qF1W, 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。 v1lj /A
[attachment=98453] z*[Z:
Cp* n2 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: /(0d{
[attachment=98454] y d$37G|n
tj&A@\/ 现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: 1<p"z,c v:0i5h&M
[attachment=98429] 09?<K)_G
f\^QV 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 rh
l5r"% 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: IyuT=A~Ki PANT !参数输入 m #eD v* VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 *j*
WE\ VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 #?=cg]v_ END !以END结束 Jr9}'l8 <XagkD AANT !像差输入 ]O\W<'+V AEC !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 o|W? a#_\ ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 ~z}au"k GSO 0 1 4 M 0 0 !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场;
rh_({rvQ GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 "J1ar.li GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 =KZ4:d5 END !以END结束 hF 1/=;> ES2qX]I SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 D.6dPzu` SYNO 30 !迭代次数30次 Nw2 bn 优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 zef,*dQY
D+3Y.r9
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 GXRjR\Ch 接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: K5lp-F CHG !改变镜头 eQx"nl3U% NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解
c$|dK END !以END结束 iPOZ{'Z PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 ,lJ6"J\8. KIFx&A
[attachment=98455] [VW;L l
9%qMZP0] 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。 G~L?q~b
[attachment=98456] J":9
}$1;< 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 0Y2^}u@5
[attachment=98457] @RIEO%S
:gq@/COo( 现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: *"\Q ~#W CHG HJR<d&l;p 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 Bed jw =B END K, 5ax@ CJixK>Y^ 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: \cP'#jZz
[attachment=98458] it@} dZ
*v ^"4 其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 _vV&4> 在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 c/Yi0Rl)
[attachment=98436] [?@wCY4= 预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 XFTMT'9 透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 _-J @$d% Lu 39eO6
[attachment=98434] =awO63j> 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? rDX'oP: 在CW中输入THIRD SENS: "%Ana=cc ?_>^<1I1
[attachment=98426] #pQ"+X ?s)sPM? 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。 1bZiPG{ OsL%SKs| 优化宏代码如下: 4)+IO; PANT ` u\z!x' VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 C'czXZtn VLIST TH 2 4 Z#6~N/b END S?7V
"LF AANT Vt=(2d5:p AEC +^ DRto= ACC )_^WpyzF1 M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; 3E}NiD\V} GSO 0 1 5 M 0 0 JkDPuTXD GNO 0 .2 4 M .75 0 U+PCvl=x GNO 0 .1 4 M 1.0 0 8$v zpu END OZ'.}((?n SNAP ]vQ?]d?>a SYNO 30 gMBQtPNM =ym CLY6 YB' R 优化后的透镜结果,如图4所示: "Z 2Tc) \q|7,S,5
[attachment=98431] Bf:tal6 -M
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 *rn]/w8ZW lIVxW+ 现在的THIRD SENS为: .D,?u"fk|
[attachment=98427] W`u$7k]$
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 0^}'+t,lc yMbcFDlBr 新BTOL宏代码如下: K 5qLBz@U CHG JC&6q>$ NOP U8K&Q4^ END -|Yh/ r'd:SaU+ BTOL 2 !设置置信区间 Vo9>o@FlLM R] Disljq EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 w.D4dv_H EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 VPM|Rj:d nGx ~)T TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 ByhOK}u;P4 TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 y)p$_.YFF ADJUST 6 TH 100 100 !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 cK|rrwa0 数字100是指允许的最大调整值; ]PlY}VOY &$m=^ 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 Eg`R|CF ApG'jN GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 8B *E+f0 STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 ,Um 5S6 Z 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: T/wM(pr'
[attachment=98435] BH&/2tO% 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。 &@4.;u
[attachment=98459] Lf^5Eo/
5A
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: m3xz=9Ve
[attachment=98460] YER:ICQ
Ii~; d3.
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。 3`&VRF8
[attachment=98432] Y_[g_
@[d#mz
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 ;23=p=/h 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: 3VcT7y*{P 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 *CeQY M PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 j6tP)f^tD FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 1Q&cVxA"\ 0 NQ7#A PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 H\)gE> PANT <#xrrRhm} VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 20rN,@2< VLIST TH 2 4 6 Zk]k1]u*5 END *>e~_{F 6Cl+KcJH AANT ljup#:n GSO 0 1 5 M 0 Lzh9DYU6 GNO 0 1 5 M 1 @+?+6sS END gI)w^7Gi SNAP $Hp.{jw 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 kU#:I9PO cy1\u2x_` 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-SRSu PANT Y*Y&)k6t 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 'rS'B.D VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 iY0,WT}&n VY 5 YDC 2 100 -100 R'G'&H{N VY 5 XDC 2 100 -100 0SJ{@* VY 6 TH !改变表面6的厚度 4JGE2ArR END m9#}X_&x AANT nHSTeFI? GNO 0 1 4 M 0 0 0 F }US7Nw GNO 0 1 4 M 1 0 0 F ]dd[WHA END }l.KpdRT2 SNAP HS{P?~:=U SYNO 30 myD{sE2A ;xSRwSNDi( PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 ewo*7j4* q z=yMIy= 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。 Tv`_n2J`2
[attachment=98433] PdR >;$1
EtGH\?d~]
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 NeY"6!;k 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: :OHSxb>[
[attachment=98462] DWuRJ
/M 0 p_4
[attachment=98463] F
b1EMVu
N].4"0Jv-D
相应的局部放大轴上视场直方图 e d_m +NM
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: 8,=G1c [attachment=98465] pw!@Q?R
b 1cd&e
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: otU@X 3<_ [attachment=98464]
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