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 [ i,[^ Qw5(5W[L 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: eOiH7{OA, RLE !读取镜头文件 i9zh
X1# ID F10 APO !镜头标识 F<4:P= WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 MKvmzLh$) 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。 >n3GvZ5% UNITS INCH !透镜单位为英寸 #7Q9^rG
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 b9vudr 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 >oWPwXA 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 'g,_ lF 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 n]Yz<# 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 3))CD,| 2 AIR !表面2处于空气中 lY"l6.c 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 m!G(vhA,_w 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 3'kKbrk [ 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 NZv 8# 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 )L6
it 4 AIR !表面4处于空气中 %;h1n6=v2 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 I+;e#v,%U 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 8 <;.[l 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 H @k} 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 L`K)mCr 6 AIR !表面6处于空气中 Q2Ey RFT 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 MbCz*oW
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 Bj2iYk_cLa 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 }wn|2K' 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 YToG'#qs END !以END结束 $peL1'Evo ! PGCoI CHv
n8tk 运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:[attachment=98428] o
g9|}E>
*\xRNgEQ
图1 消色差透镜的初始设计 w9GY/] 点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: _ps4-<ugC
[attachment=98447] sj&(O@~R
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。
dnC"` 而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 *(q{k%/M
[attachment=98448] D9NRM;v
得到玻璃的色散图如下: G@D;_$a
[attachment=98450] NiVLx_<Pr'
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: faLfdUimJ
[attachment=98451] =Xr{ Dg
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。 <ZZfN@6 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。 ~h8k4eM EJC}"%h
[attachment=98452] ^Ff fc@=
(AZneK
:* 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。 "~=}& U= n 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。 4IfkYM
[attachment=98453] W3\+51P
|n,O!29 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: lmoYQFkYP
[attachment=98454] \)\n5F:Zu
C'A
D[`p 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: : ciwh wd|^m%
[attachment=98429] ^8oN~HLZ
ZUB]qzmK 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 7SkW!5 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: 0W6='7 PANT !参数输入 kp[&SKU
c 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 =u9e5n VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 Iu~(SKr=|$ END !以END结束 C|FI4/-e Ve[Kv07 AANT !像差输入 FN sSJU3ld 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 L~|_)4 ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 u5qaLHoEP 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; p|;#frj GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 p,8:(|( GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 O&.gc p! END !以END结束 E(S$Q^ ;erxB6* SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 65&+Fv SYNO 30 !迭代次数30次 '#lEUlB 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'。 }/NL"0j+4
P6^\*xkMr
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 }darXtZKkK 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: K nn<q=';G CHG !改变镜头 J{uqbrJICr NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 O'k<4'TC END !以END结束 `a7b,d PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 jw2hB[WR q4/P'.S
[attachment=98455] \@6w;tyi
LwQYO'X 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。 "\afIYS I
[attachment=98456] G\f:H%[5[
w~9Y=|YI7 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 .0=l
[attachment=98457] BXl
Y V"
%.IW H9P7 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: rJd-e96 CHG c_ 1. 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 G"<} s
mB END U3>ES"N Dm;aTe 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: J]*?_>"#8
[attachment=98458] L{6Vi&I84[
bb`DyUy ^+ 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。 9qJ:h-?M 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。 NzID[8`
[attachment=98436] 8g_GXtn(z 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。 y=y#*yn & 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`jJKiC lS`VJA6l.
[attachment=98434] h4M>k{ 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? R^4
j0L 在CW中输入THIRD SENS: ~rz%TDX0\ _H2%6t/V
[attachment=98426] !Ie={BpzbZ "g;}B"rG 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。 \G]vTK3 llBW*4' 优化宏代码如下: \]t}N PANT z6Yx
)qBE< VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 /kd6Yq(y VLIST TH 2 4 .sPa${ END Je~Ybh AANT 2`/p V0 AEC M}F)
P&Y ACC |f&=9% M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; PHn3f;I GSO 0 1 5 M 0 0 a<Ptm(, GNO 0 .2 4 M .75 0 ?pF uV`Zm GNO 0 .1 4 M 1.0 0 cLnvb!g'# END =_dqoAF SNAP #]o#~:S= SYNO 30 Wp$'#HhB *[['X%f )eSD5hOI) 优化后的透镜结果,如图4所示: [mI;>q {f)"F;]V
[attachment=98431] _NJq%-,'
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 SA16Ng {5gh. 现在的THIRD SENS为: IOOAaa @(
[attachment=98427] 1{X ;&y
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 $5/lU
}To vwQ6= 新BTOL宏代码如下: d_}q.%* CHG Bl)DuCV NOP b6UD!tXp END .q7o7J% |\~!oN BTOL 2 !设置置信区间 2f$6}m'Ad G+xdh EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 [8Zvs=1 EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 n~NOqvT < ]p2M!N,? TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 $]yHk
TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 /"<o""<] 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 xT$9M" 数字100是指允许的最大调整值; /!Ng"^.e /?j
vv& PREPARE MC !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 =9JKg4I6 ?N*|S)BN GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 `by\@xQ) STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 ]2P*Z6Az 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: JH;\wfrD
[attachment=98435] u;qBW
uO 接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 |H'4];>R?
[attachment=98459] gjVKk
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: Sc zYL?w^
[attachment=98460] 3o=K?eOdg
.UuCTH;6`
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。 A<VNttgG
[attachment=98432] &u'$q
CcHf1
_CI
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
hVB^: 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: =i/7&gC 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 $*`=sV!r PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 }G#TYF} FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 >wpC45n)9N T.sib&R PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 .*s1d)\: PANT b!R\ u1b VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 OA_Bz" VLIST TH 2 4 6 ?m?DAd~ZY END Uva
b*9vX Ty21-0F AANT [BpIzhy&} GSO 0 1 5 M 0 v/E_A3Ay& GNO 0 1 5 M 1 i0%S6vmaS END wYrb P11 SNAP !kl9X-IiI EVAL !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 a;Q.R 0P<bS?e<l PHASE 2 !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 EVW{!\8[ PANT \WnI&nu VY 3 YDC 2 100 -100 !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 ]iyJ>fC VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 Q}N.DM@d3 VY 5 YDC 2 100 -100 ,[lS)`G VY 5 XDC 2 100 -100 s^]F4' VY 6 TH !改变表面6的厚度 MHv2r END Xq9n-;%zL AANT L)5YX-? GNO 0 1 4 M 0 0 0 F QGYO{S GNO 0 1 4 M 1 0 0 F ,{ C END rTiW SNAP %8 )GuxG* SYNO 30 "0F =txduS ]}_@!F) PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 aD aQ7i <Q06<{]R8 运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 >g!a\=-[
[attachment=98433] m/)Wn
8,BNs5
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 :h 1-i 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: 2Rc'1sCth-
[attachment=98462] Ng?n}$g*
E-NuCP%|c
[attachment=98463] ef\Pu\'U
?8g[0/
相应的局部放大轴上视场直方图 E>tlY&0[$
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: .u3!%{/v(c [attachment=98465] Ixhe86-:T
w`(EW>i
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: KJ]:0'T [attachment=98464]
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