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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
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"zmNG'  
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: ?zbWz=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] jIVDi~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 $CX3P)% `  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 QG2 Zh9R  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 qMA-#  
END                                              !以END结束 Au}l^&,zN  
`|nCnT'  
AANT                                           !像差输入 QCE7VV1Rw  
AEC                                              !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 eF9GhwE=  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 1?1Bz?EKF*  
GSO 0 1 4 M 0 0  !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; !2Z"Lm  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 =WBfaxL}  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 T?1V%!a;f  
END                          !以END结束 jlFlhj:/I  
u *rP 8GuS  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 c;fLM`{*  
SYNO 30                  !迭代次数30次 +}a(jO  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 fwV2b<[  
#8yo9g6  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
f.+1Ubq!5  
接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: hh&$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-  
$Th)z}A}EA  
离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 +>K&zS  
[attachment=98456] >X' -J{4R  
b/]4#?g  
透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 =CZRX' +yN  
[attachment=98457] | |awNSt  
#S'uqP!  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: 3IlVSR^py  
CHG :T G;W,`.V  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 V<jj'dZfW  
END D5snaGss9a  
XGH:'^o_  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: HbsNF~;  
[attachment=98458] Ohp@ZJ!a?  
nW7: ]  
其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 hRu}P"  
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 Y$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: Ne Y*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 J Xq  
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 @qg:  
giNXX jl  
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;0wu  
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 7zw0 g~+  
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"F O%3&|  
G7&TMg7i  
AANT 7!AyLw  
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]
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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