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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
[ 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 b9vud r  
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 NZv8#  
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 YT oG'#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: : c iwh  
wd|^m%  
[attachment=98429] ^8oN~HLZ  
ZU B]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  
V e[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${  
END Je~Ybh  
AANT 2`/p V0  
AEC M}F) P&Y  
ACC |f&=9%  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; PHn3f;I  
GSO 0 1 5 M 0 0   a<Pt m(,  
GNO 0 .2 4 M .75 0   ?pF uV`Zm  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   cLnvb!g'#  
END =_dqoAF  
SNAP #]o#~:S=  
SYNO 30 Wp$'#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
S A16Ng  
{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%  
|\~!o N  
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$9M"  
                                             数字100是指允许的最大调整值; /!Ng"^.e  
/? j vv&  
PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 =9JKg4I6  
?N*|S)BN  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 `by\@xQ)  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 ]2P*Z6Az  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: JH;\wfr D  
[attachment=98435]
u;qBW uO  
接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 |H'4];>R?  
[attachment=98459]
gjVKk  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
Sc zYL?w^  
[attachment=98460] 3o=K?eOdg  
.UuCTH;6`  
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
A<VNttgG  
[attachment=98432] &u'$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 $*`=sV!r  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 }G#TYF}  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 >wpC45n)9N  
T.sib&R  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 .*s1d)\:  
PANT b!R\u1b  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 OA_Bz"  
VLIST TH 2 4 6 ?m?DAd~ZY  
END Uva b*9vX  
Ty21-0 F  
AANT [BpIzhy&}  
GSO 0 1 5 M 0 v/E_A3Ay&  
GNO 0 1 5 M 1   i0%S6vmaS  
END wYrb P11  
SNAP !kl9X-IiI  
EVAL   !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 a;Q.R  
0P<bS?e<l  
PHASE 2              !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 EVW{!\8[  
PANT \WnI&nu  
VY 3 YDC 2 100 -100   !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 ]iyJ>fC  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 Q}N.DM@d3  
VY 5 YDC 2 100 -100 ,[lS)`G  
VY 5 XDC 2 100 -100 s^]F4'  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 MHv2r  
END Xq9n-;%zL  
AANT L)5YX-?  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F QGYO{S  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   ,{ C   
END rTiW&#  
SNAP %8)GuxG*  
SYNO 30 "0F =txduS  
]}_@!F)  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 aD aQ 7i  
<Q06<{]R8  
运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 >g!a\=-[  
[attachment=98433]  m/)Wn  
8,BNs5  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
:h1-i  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: 2Rc'1sCth-  
[attachment=98462] Ng?n}$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]
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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