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: &KwtvUN{ 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 N4pA3~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。 fyeS) 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 $V[ob PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 U@9n7F 6wGf47
[attachment=98455] *ce h
]v
fE(rDQI 离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 bNXT*HOZb3
[attachment=98456] /as1
qZ4DO*%b3 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 0j*8|{|
[attachment=98457] 8NLk`/
rA9"CN 现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: Agl[Z>Q CHG 4u<oe_n 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 (*|hlD~ END k?_Miqr )0NA*<Q+. 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: J<'4(}^|
[attachment=98458] 1e}wDMU(
3N;X|pa 其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 spJB6n( 在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 5@i/4%S
[attachment=98436] ]g:VvTJ;? 预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 lO:[^l?F 透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 BsxQW`>^y eOS#@6U=u
[attachment=98434] 'E6)6N 现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? E}~GX G 在CW中输入THIRD SENS: ^)X^Pcx KX{ S8_
[attachment=98426] <CeDIX t 4/$]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: #\fApRL PANT 75%!R VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 _Nw-|N . VLIST TH 2 4 sq*sb dE 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 oT~ 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] cR*D)'/tl
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: g/)mbL>=
[attachment=98460] ]%!:'#
|L11?{ 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。 p HXslmrD
[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 wuRQ
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 }tJRBb VY 5 XDC 2 100 -100 (cAWT, 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 nYy%=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] 7 6 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]
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