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小火龙果 2020-02-20 17:28

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] 0XYO2 k  
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。 \]ODpi 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$37G|n  
tj&A@\/  
现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: 1<p"z,c  
v: 0i5h&M  
[attachment=98429] 09?<K)_G  
f\^QV  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 rh l5r"%  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: IyuT=A~Ki  
PANT                                            !参数输入 m#eD v*  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 *j* WE\  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 #?=cg]v_  
END                                              !以END结束 Jr9}'l8  
<XagkD  
AANT                                           !像差输入 ]O\W<'+V  
AEC                                              !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 o|W? a#_\  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 ~z}au"k  
GSO 0 1 4 M 0 0  !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; rh_({rvQ  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 "J1ar.li  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 =KZ4:d5  
END                          !以END结束 hF1/=;>  
ES2qX]I  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 D.6dPzu`  
SYNO 30                  !迭代次数30次 Nw2 bn  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 zef,*dQY   
D+3Y.r 9  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
GXRjR\Ch  
接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: K5lp -F  
CHG                    !改变镜头 eQx"nl3U%  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解  c$|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  
}$1 ;<  
透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 0Y 2^}u@5  
[attachment=98457] @RIEO%S  
:gq@/COo(  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: *"\Q ~#W  
CHG HJR<d&l;p  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 Bedjw =B  
END K, 5ax@  
CJixK>Y^  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: \cP'#jZz  
[attachment=98458] i t@}dZ  
*v ^"4  
其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 _vV&4>  
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 c/Yi0Rl)  
[attachment=98436]
[?@wCY4=  
预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 XFTMT'9  
透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 _-J@$d%  
Lu39eO6  
[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: " Z2Tc)  
\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  
l IVxW+  
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 ,Um5S6 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"\  
0NQ7#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&)k6 t  
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 nHSTeF I?  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F }US7 N w  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   ]ddHA  
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]
怀儿你大哥 2022-01-10 17:14
很好的文章
zh_rj 2022-01-26 11:31
谢谢楼主分享!!
coollwl 2023-05-04 22:48
资料非常不错,必须点赞!
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