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 m !i`|]m Y%}N@ ,lT 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: b0x%#trA{ RLE !读取镜头文件 Qte%<POx+ ID F10 APO !镜头标识 Qf'g2
\ WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 `z7,HJ.0c 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。 rP!GS
_RG UNITS INCH !透镜单位为英寸 :"@-Bcln
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 -]n%+,3L
1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 uZI7,t -7 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 {&6i$4T 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 P>`|.@ 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 ovi^bNQ 2 AIR !表面2处于空气中 )ac!@slb^7 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 U9
mK^ 3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445 !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 <zAYq=IU 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 vF[ 4kDHk 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 C\dk}A 4 AIR !表面4处于空气中 cz|?j 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 ?|\wJrM ] 5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133 !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 k;qWiYMV 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 -YrMVoZl 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 h[<l2fy 6 AIR !表面6处于空气中 6)20%*[ 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 T{yJL<
6 UMC -0.05000000 !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。 6 TH 39.24611007 !表面6的厚度 #~.RJ% 6 YMT 0.0000000 !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 Bx5kqHp^1 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 OkCAvRg END !以END结束 f"zmN G' k*Aee7 33&\E- Q> 运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:[attachment=98428] n.C5w8f
:)&vf<JL
图1 消色差透镜的初始设计 VYt<j<ba 点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: ?zbW z=nq
[attachment=98447] W,_2JqQp
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 {esb"beGLa 而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 _-9cGm v
[attachment=98448] )+w1nw|m
得到玻璃的色散图如下: KeXt"U
[attachment=98450] _aJKt3GQ
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: x($Djx
[attachment=98451] c&
bms)Jwa
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。 g-]~+7LL 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。 L'
bY,D(J> f*9O39&|
[attachment=98452] 9.il1mAKg
YhqMTOw 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。 y~VI,82* Chx+p&! 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。 2% OAQ(
[attachment=98453] 8F@Sy,D
i"
)_Xb_1 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: W8;!rFW
[attachment=98454] jIVD i~Ld
bSz7?NAp 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: xgpf2y!{ {8`$~c
[attachment=98429] 5Dz$_2oM3
<gfRAeXA 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 H\\FAOj 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: bovAFdHW PANT !参数输入 $CX3P)%
` VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 QG2 Zh9R VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 qMA-# END !以END结束 Au}l^&,zN `|nCnT' AANT !像差输入 QCE7VV1Rw AEC !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 eF9GhwE= ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 1?1Bz?EKF* GSO 0 1 4 M 0 0 !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; !2Z"Lm GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 =WBfaxL} GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 T?1V%!a;f END !以END结束 jlFlhj:/I u*rP8GuS SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 c;fLM`{* SYNO 30 !迭代次数30次 +}a(jO 优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 fwV2b<[
#8yo9g6
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 f.+1Ubq!5 接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: hh&$xlO)(v CHG !改变镜头 Lhe& NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 a !%,2|U END !以END结束 .9PT)^2 PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 3}F>t{FDk DL1nD5
[attachment=98455] Q{L:pce-
$Th)z}A}EA 离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 +>K&zS
[attachment=98456] >X'-J{4R
b/]4#?g 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 =CZRX'
+yN
[attachment=98457] ||awNSt
#S'uqP! 现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: 3IlVSR^py CHG :TG;W,`.V 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 V<jj'dZfW END D5snaGss9a XGH:'^o_ 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: HbsNF~;
[attachment=98458] Oh p@ZJ!a?
nW7: ] 其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 hRu}P" 在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 Y$A2{RjRq
[attachment=98436] ['.]) 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。 Hy&Z0W'l 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。 YRX^fZ-b Babzrt-
[attachment=98434] M-Efe_VRQc 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? C1=&Vm>g+ 在CW中输入THIRD SENS: 76)"uqv1x cOX )+53
[attachment=98426] tJrGRlB> TZt;-t` 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。 `hkvxt XxS#~J?:_ 优化宏代码如下: ,#3Aaw PANT ?4/pE@RIy VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 Mh-"B([Z VLIST TH 2 4 Yr_B(n END ]$r]GVeN}H AANT *m+FMyr AEC ISs&1`Y ACC l_Lz9k M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; B #%QY\<X GSO 0 1 5 M 0 0 }_zN%Tf~ GNO 0 .2 4 M .75 0 @gK`RmhGE5 GNO 0 .1 4 M 1.0 0 >B**fZ~L END ~Dq-q6-@t SNAP |7c],SHm SYNO 30 yV:8>9wE8 K9%rr_ja! Yp;Z+!!UZ 优化后的透镜结果,如图4所示: NeY*l Y:TfD{Xgc
[attachment=98431] MLHCBRi
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 +?U[362> }'eef"DJ9 现在的THIRD SENS为: e&VC}%m
[attachment=98427] $`3yImv+w
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 5_E8
RAG }vZf&ib-
新BTOL宏代码如下: -^m?%_<50l CHG |w|c!;, NOP it\$Pih] END `KA==;0 ?YL JXq BTOL 2 !设置置信区间 ?m]vk|> SqPqL<,e EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 5WHz_'c
EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 by
@q g: giNXXjl TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 )v_Wn[Y.H TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 _`?cBu` 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 :VlA2Ih&q 数字100是指允许的最大调整值; g,JfT^ O00;0w u 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 EO)JMV?6 <jV,VKL# GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 vK)'3% STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 yk?bz 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: >JE+j=
[attachment=98435] 5eff3qrH{ 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。 ZEI)U,
I.
[attachment=98459] h^=;\ng1l
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: {FvFah
[attachment=98460] Hj{.{V
CHKhJ v3+4
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。 59)w+AW
[attachment=98432] YgcW1}
,1mL=|na
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 O^~IY/[ 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: -8qCCV&1i 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 >1!u]R<3 PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 7zw0g~+ FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 LhLAQ2~ gvT}UNqL PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 DW7E ]o
PANT (%L/|F_ VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 %evb.h) VLIST TH 2 4 6 gEk;Tj END G"FO%3&| G7&TMg7i AANT 7!AyL w GSO 0 1 5 M 0 F0_w9"3E~ GNO 0 1 5 M 1 9k;,WU(K< END 6ncwa<q5 SNAP j_g(6uZhz3 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 y-+W e}?Q&Lci 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 |-V:#1wR.] PANT b+qd'
,.Z 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 Am*IC?@tq VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 jaEe$2F2 VY 5 YDC 2 100 -100 KuJ9bn{u!C VY 5 XDC 2 100 -100 Nt$4; VY 6 TH !改变表面6的厚度 pSlc (M> END -O$vJ,* AANT CPy>sV3Ru0 GNO 0 1 4 M 0 0 0 F Fqw4XR_`~ GNO 0 1 4 M 1 0 0 F zF`a:dD$d END ;:bp?( SNAP PI*@.kqR- SYNO 30 ];w}?LFb *S*49Hq7c PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 m)L50ot:/ ZJ%NZAxy 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。 Xsa8YP9
[attachment=98433] *90dkJZ.
b_ TI_
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 fhN\AjB6Td 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: Q8`V0E\~
[attachment=98462] Dazm8_x
D@&xj_#\}
[attachment=98463] B<EqzP*#
A4f"v)vM
相应的局部放大轴上视场直方图 -OJ <Lf+"=
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: K[iAN;QCe% [attachment=98465] .;7V]B1o
YtvDayR>
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: X:s~w#>R [attachment=98464]
|