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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
r9a!,^}F  
JX$NEq(  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: as |c`4r\O  
RLE                                                     !读取镜头文件 qs1.@l("  
ID F10 APO                                        !镜头标识 pXj/6+^  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 P| P fG=  
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。 $0 S#d@v}  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 .P :f  
OBB 0 0.5 2 -0.01194 0 0 2     !物体类型为OBB,0-入射边缘光线角度(针对无限远物),0.5-半视场角,2-半孔径,-0.01194-表面1上主光线高度,负号是指光线在图像下端;后面三个参数表示光线在X-Z平面的相应值
0 AIR                                                                        !物面处于空气中 IH5} Az  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 xgqv2s>L  
1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887  !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 akc"}+-oX  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 r]O@HVbt$  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 A.C278^O8  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 s]<r  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 cU5"c)$'  
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 ,#jhKnk2e  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 0H&U=9'YT  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 |od4kt  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 VO;UV$$  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 K!D!b'|bb  
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 lPcVhj6No%  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 uyRA`<&w  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 6|>\&Y!Q  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 g=g.GpFt  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 iraRB~  
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 kl3S~gE4@  
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 6n6VEwYj  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 s3_e7D ^H  
END                                                                                  !以END结束 r {B,uj"  
&Wz`>qYL*  
*v nxP9<  
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] $sL|'ZMbS  
8K JQ(  
图1 消色差透镜的初始设计
H,XLb.  
点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: E4v_2Q -w  
[attachment=98447] e=n{f*KG`  
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 ZYA.1VrM  
而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 sAD P~xvU  
[attachment=98448] Q(;B)  
得到玻璃的色散图如下: Neo^C_[vN  
[attachment=98450] r0g/:lJi  
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: '=K of1  
[attachment=98451] Il^ \3T+  
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 >SxZ9T|%  
如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 I~]Q55  
7tfivIj)e  
[attachment=98452] ULNAH`{D  
]zvVY:v  
从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 4I#eC#"  
;&W;  
于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 MCi`TXr  
[attachment=98453] :Hf0Qx6  
16[-3cJ T  
另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: -#S)}N En  
[attachment=98454] Vh#Mp!  
pg?i F1  
现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: te\h?H  
D-o7yc"K  
[attachment=98429] hM36QOdm  
jI{~s]Q  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 <nb3~z1  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: KYkS6|A  
PANT                                            !参数输入 M)`HK .  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 S}m$,<x  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 pVV}1RDa  
END                                              !以END结束 0tW<LR-}E  
aW=By)S!Y  
AANT                                           !像差输入 :PFx&  
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 $/, BJ/9  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 4{*tn"y  
GSO 0 1 4 M 0 0  !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; sw41wj  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 &$b\=  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 7ZV~op2Q  
END                          !以END结束 p- "Z'$A`  
q?imE~&U  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 {ywXz|TP  
SYNO 30                  !迭代次数30次 >&<<8Ln  
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'。 eC>"my`  
_}I(U?Q-C  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
b(}Gm@#  
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: '9*5-iO  
CHG                    !改变镜头 })o~E  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 Wa[x`:cT?u  
END                     !以END结束 S]e j=6SP  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 +9CEC1-l  
B]^>GH  
[attachment=98455] ]DC;+;8Jc  
2gd<8a''  
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。 YH)Opk  
[attachment=98456] jFuC=6aF  
Pv/Pww \  
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。 \Y!T>nWn)I  
[attachment=98457] k]SAJ~bS|  
& Fg|%,fv]  
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: ex` xkZ+  
CHG . ]o3A8  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 ioC@n8_[G  
END <i_> y~v`  
u\{qH!?t  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: $nB-ADRu@  
[attachment=98458] )p$\gwr=2  
w`c0a&7  
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。 7$!`p,@we/  
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 \C]i|]tl  
[attachment=98436]
g d337jw  
预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 a'@-"qk  
透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 lpl8h4d  
(;;J,*NP  
[attachment=98434]
^ckj3Y#;  
现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? rQ9*J   
在CW中输入THIRD SENS: uy/y wm/?=  
`%-4>jI9-  
[attachment=98426]
Y%<`;wK=^  
`9.dgV  
SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。 6m4Te|  
9o-!ecx}  
优化宏代码如下: )46 0 Ed  
PANT 9pWi.J  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 `1nRcY  
VLIST TH 2 4 `S"W8_m  
END dCB&c ^  
AANT {5T0RL{\N  
AEC Q`H# fS~  
ACC blJIto '  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; ZhH+D`9  
GSO 0 1 5 M 0 0   [^<SLTev  
GNO 0 .2 4 M .75 0   TE3*ktB{N  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   5a'yXB}  
END ;aq`N}d  
SNAP l iw,O 6  
SYNO 30 CV'&4oq  
Xo2^N2I  
)T>8XCL\}  
优化后的透镜结果,如图4所示: ./$ <J6-J  
b.QpHrnhtK  
[attachment=98431]
KwS`3 6:  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
JW=uK$sO  
i-`,/e~XT  
现在的THIRD SENS为: l;Q >b]DZ  
[attachment=98427]
5v"Y\k+1  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
j5kA^MTG  
3 h#s([uL  
新BTOL宏代码如下: F&xv z2G  
CHG Hw Z^D= A  
NOP sF y]+DB  
END x8Q~VVZr  
cn$5:%IK  
BTOL 2                      !设置置信区间 V|TA:&:7  
g[M]i6h2  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 h-7A9:  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 ;v_ls)_,-  
zt?h^zf}  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             cST\~SUm  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 ,s0 9B  
ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 V{!lk]p}a  
                                             数字100是指允许的最大调整值;  ozU2  
T)8p:}P!  
PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 B~?c3:6  
HL@TcfOe~  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 >rKhlUD  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 *%X.ym'  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: OZ^h\m4  
[attachment=98435]
3Y`>6A=  
接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 x@Y|v@}BE  
[attachment=98459]
Tw x{' S  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
Rs2-94$!5  
[attachment=98460] q3+I<qsAz  
V{0%xz #  
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。
G.Tpl-m  
[attachment=98432] B%fU'  
?;^5ghY$  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
gGI8t@t:  
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: uoHqL IpQ  
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 JA<~xo[Q9  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 S;8.yj-  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 ugI#ZFjJWE  
+#~O'r]%GG  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 !Av1Leb9$  
PANT [t{](-  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 8"i/wMP]  
VLIST TH 2 4 6 F$h'p4$T  
END G?<pBMy  
@0|nq9l1  
AANT  i S  
GSO 0 1 5 M 0 D^u\l  
GNO 0 1 5 M 1   "Hht g:  
END #EG?9T  
SNAP Q2"WV  
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 '0RRFO  
 %}h`+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 K6hfauWd[  
PANT [/OQyb4F<  
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 \i0-o8q@I  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 D#jX6  
VY 5 YDC 2 100 -100 Hd 0Xx}3&  
VY 5 XDC 2 100 -100 *Tp]h 0  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 4UD' %}>y  
END #h N.=~  
AANT ]G*$W+G]  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F skR,-:"8  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   ]_u`EvEx6  
END %K zbO0  
SNAP _R74/|  
SYNO 30 s@~/x5jwCs  
<Oa9oM},d  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 Q>=-ext}q  
G3dh M#!  
运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 <HF-2?`  
[attachment=98433] sJ~P:g  
&$#99\ /  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
W 2<3C  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: JYV\oV{  
[attachment=98462]  F\LsI;G  
io2@}xZF  
[attachment=98463] FJwt?3\u5  
ao$):,2*  
相应的局部放大轴上视场直方图
ffk4mhH  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: Pm^lr!3p  
[attachment=98465] f`|G]da-3o  
El (/em  
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: t',BI  
[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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