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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
AX?6Q4Gq1  
yx4c+(J^8  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: &Kwt vUN{  
RLE                                                     !读取镜头文件 3"RZiOyv  
ID F10 APO                                        !镜头标识 ]C^*C|  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 e70*y'1fu  
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。 8=VX` X  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 \|s/_35(  
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 bBL"F!.  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 H%V[% T4=  
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 6jA Q  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 S d -+a  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 g Q^]/X  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 .$;GVJ-:5  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 1Zzw|@#>o  
3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 s6IuM )x  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 >^}z  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 Vh&KfYY  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 /vKDlCH*  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 *a4eL [  
5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133   !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出  su$juI{  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 UNae&Zir  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 iddT.   
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 jHzb,&  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 stScz#!  
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 BGS6uV4^>  
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 L|Iq#QX|  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 I_Qnq4Sk(  
END                                                                                  !以END结束 7v_e"[s~  
lw{|~m5`  
7y3; F7V  
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] z~al h?H  
d29HEu  
图1 消色差透镜的初始设计
N4 pA3~P  
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: |ouk;r24V  
[attachment=98447] ,v+SD\7|  
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。 fy eS )  
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’。 J\BdC];  
[attachment=98448] k-/$8C  
得到玻璃的色散图如下: /r6DPR0\  
[attachment=98450] hb{(r@[WHv  
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: ' wEP:}  
[attachment=98451] fi)ypv*  
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。 kW9STN  
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。 O(VV-n7U  
|qD<h  
[attachment=98452] ?.H*!u+9>  
pI4<` K  
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。 gQ[4{+DSf  
"x)W3C%*S  
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。 *4bV8T>0Z  
[attachment=98453] l`k3!EZDS  
>4c 1VEi  
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: cVMTT]cj1  
[attachment=98454] 1,E/So   
?w+T_EH  
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: bYz:gbs]4|  
Z,z^[Jz  
[attachment=98429] !Kis,e  
>_o_&;=`v  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 nz(OHh!}u  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: $FoNEr&q  
PANT                                            !参数输入 KK?}`o  
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 n~h%K7 c  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 )`)cB)s  
END                                              !以END结束 XxGm,A+>Ty  
_> *"6  
AANT                                           !像差输入 L\UYt\ks  
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 \,WPFV  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 Je/R'QP^8  
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; /#a$4 }2L  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 <D__17W:;  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 h(9K7  
END                          !以END结束 pJmn;XbME  
8WvT0q>]  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 ~Oq(JM $M  
SYNO 30                  !迭代次数30次 p(v.sP4w  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 lr1i DwZV  
0wx`y$~R  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
\oi=fu=}*  
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: yk=H@`~!  
CHG                    !改变镜头 ;y"DEFs,u  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 h:|aQJG5  
END                     !以END结束 $V[ob   
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 U@9n 7F  
6wGf47  
[attachment=98455] *ce h ]v  
fE(rDQI  
离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 bNXT*HOZb3  
[attachment=98456] /as1  
qZ4DO*%b3  
透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 0j*8|{|  
[attachment=98457]  8NLk`/  
rA9"CN  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: Agl[Z>Q  
CHG 4u<oe_n  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 (*|hlD~  
END k?_Miqr  
)0NA*<Q+.  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: J<'4(}^|  
[attachment=98458] 1e }wDMU(  
 3N;X|pa  
其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 sp JB6n(  
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 5@i/4%S  
[attachment=98436]
]g:VvTJ;?  
预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 lO:[^l?F  
透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 BsxQW`>^y  
eOS#@6U=u  
[attachment=98434]
'E6)6N  
现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? E}~ GXG  
在CW中输入THIRD SENS: ^)X^Pcx  
KX{S8_  
[attachment=98426]
<CeDIX t  
4/$]wK`  
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。 QH+Oi&xH  
pZXva9bE  
优化宏代码如下: #\fAp RL  
PANT  75%!R  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 _Nw-|N.  
VLIST TH 2 4 sq*sbdE  
END lE /"  
AANT !}U&%2<69  
AEC ]  OR ]  
ACC i: 1V\q%  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; Bisht%]^  
GSO 0 1 5 M 0 0   w J; y4  
GNO 0 .2 4 M .75 0   68d(6?OgW  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   p5E|0p  
END LvB-%@n  
SNAP \ 3ha  
SYNO 30 7u0!Q\  
._#|h5  
7R ;!  
优化后的透镜结果,如图4所示: Drc\$<9c@  
?NJ\l5'  
[attachment=98431]
5ZUqCl(PX)  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
*joM[ML` 6  
4?;1cXXA  
现在的THIRD SENS为: FSC74N/  
[attachment=98427]
5yuR[ VU  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
CKyX  Z  
p^^E(<2  
新BTOL宏代码如下: ]hc.cj`\W&  
CHG }m(u o T~  
NOP (eFHMRMv~  
END *o`bBdZ  
[.;VCk)0x  
BTOL 2                      !设置置信区间 l\JoWL  
}"E?#&^  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 Ub%5# <k|-  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 zq8LQ4@ay  
:voQ#f=  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             BNnGtVAbZ  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 bR(rZu5  
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 skf7Si0z  
                                             数字100是指允许的最大调整值; Yc&yv  
KYZ/b8C  
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 PH^AT<U:T  
i.C+{QH  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 glm29hF  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 M1-n  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: Tm 6<^5t  
[attachment=98435]
q",n:=PL  
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。  km|;T!  
[attachment=98459]
c R*D)'/tl  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
g/)mbL>=  
[attachment=98460] ]%!:'#  
|L 11?{ K  
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。
pHXslmrD  
[attachment=98432] T8bk\\Od  
kl,I.2-  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
V>>"nf,YO  
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: [Abq("9p\  
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 .y\j .p  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 @FKm_q  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 W1dpKv  
mmE\=i~  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 g 4G&  
PANT wuR Q H]N  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 .B_LQ;0:   
VLIST TH 2 4 6 US[{ Q  
END j^-E,YMC  
x1VBO.t=*  
AANT &mXJL3iN  
GSO 0 1 5 M 0 WhQK3hnm  
GNO 0 1 5 M 1   S~X&^JvT  
END Xn@\p5<  
SNAP ux`)jOQ`Y]  
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 ek\8u`GC  
094~  s  
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 j} t"M|`  
PANT AqnDsr!  
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 GrPKJ~{6  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 dCc"Qr[k  
VY 5 YDC 2 100 -100 }tJR Bb  
VY 5 XDC 2 100 -100 (c AWT,  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 zW.I7Z0^  
END DLggR3K_\  
AANT @-ps[b`z  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F v8 rK\  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   Se~< Vpo  
END pn"TFapJA  
SNAP mqe83 k%  
SYNO 30 }.*"ezaZw  
5^lFksZ  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 &BTgISYi  
nY y%=B|>  
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。 9bu}@#4*  
[attachment=98433] -7-r~zmr  
 rG[iEY  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
v3\ |  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: \"k[y+O],4  
[attachment=98462] r:N =?X`N  
8k[=$Ro  
[attachment=98463] 76 nrDE  
(dvsGYT|.  
相应的局部放大轴上视场直方图
zy8Z68%E`*  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: ,jH<i.2R  
[attachment=98465] zP554Gr?  
x;N@_FZ7KY  
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: J n>3c  
[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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