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 *;(^)Sj4Q 1 0zw}1x 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: $|g
; RLE !读取镜头文件 YV _ 7 .+A ID F10 APO !镜头标识 gKY6S? WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列
bsm/y+R 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。 L|Xg4Z UNITS INCH !透镜单位为英寸 _R(9O?;q
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 aZ|?i
} 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 ^D]J68)#a 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 ubZJ Um 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 q'/o=De 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 v
k=|TE 2 AIR !表面2处于空气中 uts>4r>+ 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 :
h(Z\D_ 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 1l/t|M^I 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 DSRmFxkk 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 Z)IF3{* 4 AIR !表面4处于空气中 @ze2'56F} 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 _-sFJi8B 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 IBvn
q8\ 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 3;FV^V' 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 MD*dq 6 AIR !表面6处于空气中 ZPY&q&R 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 BG8/
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 K@JaN/OM 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 $Mj\ 3 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 ,NvXpN END !以END结束 TqL+^:cq @e& 0Wk 0)cSm"s 运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:[attachment=98428] dC8}Ttc}
9R2"(.U
图1 消色差透镜的初始设计 *Wvk~ 点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: :8j7}'
[attachment=98447] )[cuYH>
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 gwsIzYV 而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 x;sc?5_`
[attachment=98448] zfE8=d8U
得到玻璃的色散图如下: <5mv8'{L
[attachment=98450]
BdiV
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: K9.Gjw
[attachment=98451] :s&dn%5N"
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 ]j>`BK>FE 如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 n-xdyJD t$~'$kM)<
[attachment=98452] TTFs|T6`q
5y 5Dn!` 从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 *Ow2,{Nn :F@Uq<~( 于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 <ShA_+Nd
[attachment=98453] ;9WUt,R
HzKY2F(, 另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: Z~QLjv&$/r
[attachment=98454] @{q<"hT
0}qlZFB 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: ;1PJS_@rX 5-$D<}Z
[attachment=98429] ;3wO1'=
rm9>gKN;# 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 L'S,=NYXY 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: jwAYlnQ^EM PANT !参数输入 Q!qD3<?5 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 !`RMXUV VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 @!'}=?` END !以END结束 z'$1$~I PZJ9f8V AANT !像差输入 '7PaJj=Nx 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 TEY~E*=}$ ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 }zf!mlk 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; ~gW^9nWYU GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 N)
_24 GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差
UWqD)6 END !以END结束 K)!^NT Xpn\TD<_I SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 pvUV5^B(M SYNO 30 !迭代次数30次 -,b+tC<V)0 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'。 S}
OO)
M*ZN]9{^.
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 Ikf[K%NKn 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: |u^S}"@3sU CHG !改变镜头 DE/SIy? NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 &e:+;7 END !以END结束 ;*<R~HJt PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 85H\v_[ >@Ht*h{~
[attachment=98455] -qDqJ62mC
(^y"'B 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。 |,:p[Oy
[attachment=98456] 8$A0q%n
_Iav2=0Wi 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 ]q{_i
[attachment=98457] 2O[sRm)
&`v?oN9$ 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: mu@ J$\
CHG }URdoTOvb 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 2<I=xWwFA END Rh|9F yN 8I/3T 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: ,P`NtTN-
[attachment=98458] 5X)M)"rq;V
wCNn/%C 其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 2I }p X9 在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 IJGw<cB]+
[attachment=98436] 15Mtlb 预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 k Alxm{ 透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 Z>g>OPu w=WF$)ZU
[attachment=98434] !Z:XSF[T 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? )/>BgXwH 在CW中输入THIRD SENS: !P=Cv= =;uMrb4
[attachment=98426] 3<
?+Yhq ^_Hf}8H7] 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。 f|q/2}Bqb uW!XzX[' 优化宏代码如下: ==m[t-
9x PANT K$h\<_V VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 ?QT6q]|d0+ VLIST TH 2 4 >pfeP"[(3 END K9k!P8Rd AANT %o%V4K* AEC ErK1j ACC :,JaOn' M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; r3g^0|) GSO 0 1 5 M 0 0 PO"lY'W.U GNO 0 .2 4 M .75 0 nTr%S&<+" GNO 0 .1 4 M 1.0 0 W"vLCHTh END 49QsT5b) SNAP 3?*dv14 SYNO 30 Ie.
on ) K/
On|C #! R>`l(S 优化后的透镜结果,如图4所示: B~KxUp H **tMq
[attachment=98431] !t23
_b0
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 B&a{,.m&q6 ``WTg4C(Y 现在的THIRD SENS为: /fp8tL2Y
[attachment=98427] imYfRi=$
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 sq_>^z3T V@`b7GM 新BTOL宏代码如下: v zg^tJ CHG 2 L4[~> NOP _
l`F}v END larv6ncV hc|A:v)] BTOL 2 !设置置信区间 @ar%`+_ f1_; da EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 eA!Z7 ' EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 7@;*e=v 8IlUbj TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 YP02/*' TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 3<r7"/5 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 ]AY 4bm 数字100是指允许的最大调整值; TRi# ydzsJ+dx 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 I3nE]OcW@ b\(f>g[ GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 U7g`R@ STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 x *I'Ar 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: F+H]{ss>
[attachment=98435] %1A8m-u]M 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。 FSQB{9,H
[attachment=98459] !.j{vvQ/
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: F|F0#HC ?
[attachment=98460] MeBTc&S<
]vQa~}
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。 bPOPoq1#
[attachment=98432] cj2Smgw&>
E D>7
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 ?_gvI 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: ]"T157F 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 QPf\lN/$4d PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 m=6?%'
H} FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 oT{9P?K8 kc2B_+Y1 PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数
(sKg*G2 PANT G ky*EY VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 Sn-#Y(>]o0 VLIST TH 2 4 6 IE \RP! END nN{DO:_o #!Cg$6%x9 AANT *,X)tZ6VX GSO 0 1 5 M 0 %DiQTg7V, GNO 0 1 5 M 1 _E?tVx.6 END R9A:"sJ SNAP @JlT*:Dz EVAL !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 ELwXp|L \2/X$x<?X 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 n8EKTuy PANT 6h/!,j0:t_ 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 D/=05E%[81 VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 -I5]#%eX^ VY 5 YDC 2 100 -100 js"Yh VY 5 XDC 2 100 -100 }`
3- VY 6 TH !改变表面6的厚度 8
siP END \*CXXp` AANT @-)S*+8 GNO 0 1 4 M 0 0 0 F \xS X'/G GNO 0 1 4 M 1 0 0 F 0t!ZMH END $CB&>?~ SNAP -btNwE6[. SYNO 30 &pI\VIx ? s&ox%L4 PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 v>K|hH L?u{v X 运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 &k) +]r
[attachment=98433] Ia](CN*;6
Qf0P"s`
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 {@KLN< 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: qsp3G7\'=
[attachment=98462] [UkcG9
:c]y/lQmV
[attachment=98463] Eo$l-Hl5=
Z%o.kd"
相应的局部放大轴上视场直方图 Y_*KAr'{P
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: o
Rk 'I [attachment=98465] |6-9vU!LK?
<6]Hj2
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: {0j,U\ kb [attachment=98464]
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