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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
q4/P'.S  
=snJ+yn!  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: 5iItgVTW  
RLE                                                     !读取镜头文件 G @L `[Wu  
ID F10 APO                                        !镜头标识 S^e e<%-  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 .0y .0=l  
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。 BXl Y V"  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 %. IW H9P7  
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 rJd-e96  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 n)]u|qq  
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 b Oh[(O!  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 hdH-VR4  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 [QT H~  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 =p!Hl#  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 ]'i}}/}u2  
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 ss7Z-A4z  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 1NlpOVq:)  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 h7\16j  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 6O'B:5~[2  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 ? O e,  
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 W2,Uw1\:1  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 5m6I:s`pK  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 Kv\uBMJNW  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 ?B4X&xf.D  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 +JFE\>O  
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 6x_D0j%^]  
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 CM%;r5  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 .TRp74  
END                                                                                  !以END结束 FVH R  
=G/`r!r*0I  
/u'M7R  
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] ];}7 %3  
ud,_^Ul  
图1 消色差透镜的初始设计
Ba|76OBRJ  
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: ivl_=  
[attachment=98447] u#34mg..  
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。 bcprhb  
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’。 |S VL%agZ  
[attachment=98448] ApAHa]Ccp  
得到玻璃的色散图如下: <NX6m|DD  
[attachment=98450] }%eXGdC  
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: 9"k^:}8.  
[attachment=98451] P EAo'63$  
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。 '^6x-aeq[D  
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。 2SVJKX_V+  
K0?:?>*b#  
[attachment=98452] Jyu*{  
3/((7O[  
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。 olf7L%  
k39;7J  
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。 -r"h [UV)  
[attachment=98453] A4|a{\|$  
mo3HUXf}8  
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: _"%-=^_  
[attachment=98454] vwQ6=  
q--;5"=S  
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: '&$xLZ8  
HBnnIbEtF'  
[attachment=98429] p8MPn>h<  
4 '6HX#J  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 )o8]MWT\;  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: "Dwaq*L  
PANT                                            !参数输入 +gOv5Eno-  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 tO ^KCnL  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 eyGY8fF8$  
END                                              !以END结束 eE-@dU?  
A5> ,e|  
AANT                                           !像差输入 ww"HV;i  
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 9 nPc>O$  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 2oFHP_HVfu  
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; 9Iod[ x  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 V<;w  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 mxV0"$'Fm  
END                          !以END结束 @eGJ_ J  
]2P*Z6Az  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 JH;\wfr D  
SYNO 30                  !迭代次数30次 IZkQmA=  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 |H'4];>R?  
gf8DhiB  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
8E| Nf  
接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: jQiK of>  
CHG                    !改变镜头 JW4~Qwx  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 4>&%N\$*  
END                     !以END结束 ' 4nR^,  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 "NamP\hj  
]%PQ3MT.  
[attachment=98455] P+~{q.|._c  
}t[?g)"M#-  
离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 75LIQ!G|=  
[attachment=98456] VS lIeZ  
_cY!\'  
透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 #X(KW&;m  
[attachment=98457] @sAT#[j  
D^knN-nZ*  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: AVys`{*c  
CHG ']hB_ 4v  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 DhwFD8tT  
END .(0'l@#fT  
sacaL4[_<  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: c.u$NnDU6  
[attachment=98458] ;oQ*gd  
E  K)7g~  
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。 %/o8-N|_[  
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。 EVW{!\8[  
[attachment=98436]
D,rF?t>=S  
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。 ZV`D} CQ  
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。 e.<$G'  
cboue LEt  
[attachment=98434]
; /3 <  
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? :1eJc2o  
在CW中输入THIRD SENS: s\6kXR  
4{h?!Z*  
[attachment=98426]
$\|$ekil4  
?X1vU0 c  
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。 @"9^U_Qf1z  
9nFPGIz+  
优化宏代码如下: xbFoXYqgP  
PANT MjAF&bD^  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 {jX h/`  
VLIST TH 2 4 cvR|qHNX  
END .`OyC'  
AANT <m"yPi3TY  
AEC  m/)Wn  
ACC 0jsU^m<g  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; $q]:m+Fm  
GSO 0 1 5 M 0 0   3d^zLL  
GNO 0 .2 4 M .75 0   li4rK <O  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   -vcHSwG b  
END dF2 &{D"J  
SNAP em  
SYNO 30 M+X>!Os  
\dAh^BK1(  
jlV~-}QKb7  
优化后的透镜结果,如图4所示: :*aBiX"  
OTA@4~{C  
[attachment=98431]
KJ]:0'T  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
bJJB*$jW=  
&D "$N"  
现在的THIRD SENS为: [-)N}rL>  
[attachment=98427]
N5$L),?\y  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
fZ2>%IxG}  
*~F\k):>  
新BTOL宏代码如下: gdupG  
CHG aVI/x5p~  
NOP ?\dY!  
END @|:_?  
)GDP?Nc<Ik  
BTOL 2                      !设置置信区间 HhN;&67~Z  
}(h_ztw  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 TSHsEcfO  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 6b9 oSY-8  
g@!mV)c97  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             LXr yv;H  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 #<V/lPz+  
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 {AbQaw  
                                             数字100是指允许的最大调整值; nPp\IE}:  
;/$=!9^sZ  
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 zY\pZG  
^2L\Y2  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 d'~ kf#  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 v\>!J?  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: 5;wA7@  
[attachment=98435]
+H5= zf2  
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。 1b:3'E.#w  
[attachment=98459]
-POV#1s  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
\2(Uqf#_  
[attachment=98460] 8_8r{a<xW  
?;pw*s1Atz  
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。
$Hcp.J[O  
[attachment=98432] 1 "'t5?XW  
uGIA4CUm  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
w%jc' ;|  
于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: @= f2\hU  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 t#tAvwFM8  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 M>+FIb(  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 Az.(tJ X"  
(| DmYn!  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 gUf-1#g4\`  
PANT q<mDs$^K  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 hsIC5@s3  
VLIST TH 2 4 6 \ .+.VK  
END xc[Lb aBG  
<[O8 {9j  
AANT ZS0=xS5q)  
GSO 0 1 5 M 0 ?N2/;u>  
GNO 0 1 5 M 1   ~kUdHne (  
END =h,6/cs  
SNAP fHTqLYd-  
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 07WZ w1(;  
h|h-<G?>  
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 LaL.C^K  
PANT +b_g,RNs!  
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 iM;7V*u  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 O,(p><k$/  
VY 5 YDC 2 100 -100 Rg3 Lo ?  
VY 5 XDC 2 100 -100 (R)\  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 Ag1*.t|  
END f`w$KVZ1!w  
AANT 1vlRzkd  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F LB}y,-vX>  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   e;KZTH;  
END R/8>^6  
SNAP FSZQ2*n5  
SYNO 30 |:_WdU"Q]  
Afm GA9  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 "L^Klk?Vn  
8 x$BbK  
运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 >5C|i-HX  
[attachment=98433] | k"?I  
'`g#Zo  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
JBa( O- T  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: =KfV;.&  
[attachment=98462] '"C$E922  
5 _X|U*+5  
[attachment=98463] &9b sTm  
?o'!(3`L  
相应的局部放大轴上视场直方图
^c?2n  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: `Oz c L  
[attachment=98465] l$KC\$?%*  
;O=tSEe  
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: H\]ZtSw8-  
[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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