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 q4/P'.S =snJ+yn! 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: 5iItgVTW RLE !读取镜头文件 G
@L`[Wu ID F10 APO !镜头标识 S^e e<%- WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 .0y .0=l 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。 BXl
Y V" UNITS INCH !透镜单位为英寸 %.IW H9P7
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 rJd-e96 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 n)]u|qq 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 b Oh[(O! 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 hdH-VR4 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 [QT
H ~ 2 AIR !表面2处于空气中 =p!Hl# 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 ]'i}}/}u2 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 ss7Z-A 4z 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 1NlpOVq:) 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 h7\16j 4 AIR !表面4处于空气中 6O'B:5~[2 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 ?O
e, 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 W2,Uw1\:1 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 5m6I:s`pK 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 Kv\uBMJNW 6 AIR !表面6处于空气中 ?B4X&xf.D 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 +JFE\>O
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 6x_D0j%^] 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 CM%;r5 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 .TRp74 END !以END结束 FVHR =G/`r!r*0I /u'M7R 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] ];}7
%3
ud,_^Ul
图1 消色差透镜的初始设计 Ba|76OBRJ 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: ivl_=
[attachment=98447] u#34mg..
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。 bcprhb 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’。 |S VL%agZ
[attachment=98448] ApAHa]Ccp
得到玻璃的色散图如下: <NX6m|DD
[attachment=98450] }%eXGdC
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: 9"k^:}8.
[attachment=98451] PEAo'63$
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。 '^6x-aeq[D 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。 2SVJKX_V+ K0?:?>*b#
[attachment=98452] Jyu*{
3/((7O[ 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。 olf7L% k39;7J 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。 -r"h[UV)
[attachment=98453] A 4|a{\|$
mo3HUXf}8 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: _"%-=^_
[attachment=98454] vwQ6=
q--;5"=S 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: '&$xLZ8 HBnnIbEtF'
[attachment=98429] p8MPn>h<
4 '6HX#J 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 )o8]MWT\; 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: "Dwaq*L PANT !参数输入 +gOv5Eno- VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 tO^KCnL VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 eyGY8fF8$ END !以END结束 eE-@dU? A5> ,e| AANT !像差输入 ww"HV;i 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 9nPc>O$ ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 2oFHP_HVfu 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; 9Iod[ x GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 V<;w GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 mxV0"$'Fm END !以END结束 @eGJ_ J ]2P*Z6Az SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 JH;\wfrD SYNO 30 !迭代次数30次 IZkQmA= 优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 |H'4];>R?
gf8DhiB
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 8E|
Nf 接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: jQiKof> CHG !改变镜头 JW4~Qwx NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 4>&%N\$* END !以END结束 '4nR ^, PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 "NamP\hj ]%PQ3MT.
[attachment=98455] P+~{q.|._c
}t[?g)"M#- 离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 75LIQ!G|=
[attachment=98456] VSlIeZ
_cY!\' 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 #X(KW&;m
[attachment=98457] @sAT#[j
D^knN-nZ* 现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: AVys`{*c CHG ']hB_4v 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 DhwFD8tT END .(0'l@#fT sacaL4[_< 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: c.u$NnDU6
[attachment=98458] ;oQ*gd
E K)7g~ 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。 %/o8-N|_[ 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。 EVW{!\8[
[attachment=98436] D,rF?t>=S 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。 ZV`D} CQ 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。 e.<$G' cboue
LEt
[attachment=98434] ;/3
< 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? :1eJc2o 在CW中输入THIRD SENS: s\6kXR 4{h?!Z*
[attachment=98426] $\|$ekil4 ?X1vU0c
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。 @"9^U_Qf1z 9nFPGIz+ 优化宏代码如下: xbFoXYqgP PANT MjAF&bD^ VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 {jX
h/` VLIST TH 2 4 cvR|qHNX END .`OyC' AANT <m"yPi3TY AEC m/)Wn ACC 0jsU^m<g M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; $q]:m+Fm GSO 0 1 5 M 0 0 3d^zLL GNO 0 .2 4 M .75 0 li4rK<O GNO 0 .1 4 M 1.0 0 -vcHSwGb END dF2 &{D"J SNAP em SYNO 30 M+X>!Os \dAh^B K1( jlV~-}QKb7 优化后的透镜结果,如图4所示: :*aBiX" OTA @4~{C
[attachment=98431] KJ]:0'T
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 bJJB*$jW=
&D
"$N" 现在的THIRD SENS为: [-)N}rL>
[attachment=98427] N5$L),?\y
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 fZ2>%IxG} *~F\k):> 新BTOL宏代码如下: gdupG CHG aVI/x5p~ NOP ?\dY! END @|:_ ? )GDP?Nc<Ik BTOL 2 !设置置信区间 HhN;&67~Z }(h_ztw EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 TSHsEcfO EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 6b9 oSY-8 g@!mV)c97 TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 LXr
yv;H TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 #<V/lPz+ 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 {AbQaw 数字100是指允许的最大调整值; nPp\IE}: ;/$=!9^sZ 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 zY\pZG ^2L\Y2 GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 d'~
k f# STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 v\>!J? 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: 5;wA7@
[attachment=98435] +H5=zf2 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。 1b:3'E.#w
[attachment=98459] -POV#1s
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: \2(Uqf#_
[attachment=98460] 8_8r{a<xW
?;pw*s1Atz
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。 $Hcp.J[O
[attachment=98432] 1
"'t5?XW
uGIA4CUm
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 w%jc' ;| 于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: @= f2\hU FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 t#tAvwFM8 PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 M>+FIb( FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 Az.(tJ X" (|DmYn! PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 gUf-1#g4\` PANT q<mDs$^K VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 hsIC5@s3 VLIST TH 2 4 6 \.+.VK END xc[LbaBG <[O8{9j AANT ZS0=xS5q) GSO 0 1 5 M 0 ?N2/;u> GNO 0 1 5 M 1 ~kUdHne( END = h,6/cs SNAP fHTqLYd- 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 07WZ w1(; h|h-< G?> 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 LaL.C^K PANT +b_g,RNs! 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 iM;7V*u VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 O,(p><k$/ VY 5 YDC 2 100 -100 Rg3 Lo ? VY 5 XDC 2 100 -100 (R)\ VY 6 TH !改变表面6的厚度 Ag1* .t| END f`w$KVZ1!w AANT 1vlRzkd GNO 0 1 4 M 0 0 0 F LB}y,-vX> GNO 0 1 4 M 1 0 0 F e;KZTH; END R/8>^6 SNAP FSZQ2*n5 SYNO 30 |:_WdU"Q] AfmGA9 PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 "L^Klk?Vn 8x$BbK 运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 >5C|i-HX
[attachment=98433] | k"?I
'`g#Zo
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 JBa( O-T 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: =KfV;.&
[attachment=98462] '"C$E922
5 _X|U*+5
[attachment=98463] &9bsTm
?o'!(3`L
相应的局部放大轴上视场直方图 ^c?2n
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: `OzcL [attachment=98465] l$KC\$?%*
;O=tSEe
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: H\]ZtSw8- [attachment=98464]
|