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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
*;(^)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 ubZJUm  
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 $M j\ 3  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 ,NvXpN  
END                                                                                  !以END结束 TqL+^:cq  
@e&0Wk  
0 )cSm"s  
运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:
[attachment=98428] dC8}Ttc}  
9R2"(.U  
图1 消色差透镜的初始设计
*Wvk~  
点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: : 8j7}'  
[attachment=98447] )[cuYH>  
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 gwsIzYV  
而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 x;sc?5_`  
[attachment=98448] zfE8=d8U  
得到玻璃的色散图如下: <5mv8'{L  
[attachment=98450]  BdiV  
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: K9.Gjw  
[attachment=98451] :s&dn%5N"  
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 ]j>`BK>FE  
如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 n-xdyJD  
t$~'$kM)<  
[attachment=98452] TTFs|T6`q  
5y 5Dn!`  
从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 *Ow2,{Nn  
:F@Uq<~(  
于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 <ShA_+Nd  
[attachment=98453] ;9WUt,R  
HzKY2F(,  
另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: Z~QLjv&$/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  
PZJ9f8 V  
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$\   
CHG }URdoTOvb  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 2<I=xWwFA  
END Rh|9F yN  
8I/3T  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: ,P`NtTN-  
[attachment=98458] 5X)M)"rq;V  
wCNn/%C  
其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 2I}pX9  
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 IJGw<cB]+  
[attachment=98436]
15Mtlb  
预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 k Alx m{  
透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 Z>g>OPu  
w=WF$)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$h\<_V  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 ?QT6q]|d0+  
VLIST TH 2 4 >pfeP"[(3  
END K9k!P8Rd  
AANT %o%V4K*  
AEC ErK1j  
ACC :,JaOn'  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; r3g^ 0|)  
GSO 0 1 5 M 0 0   PO"lY'W.U  
GNO 0 .2 4 M .75 0   nTr%S&<+"  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   W"vLCHTh  
END 49QsT5b)  
SNAP 3?*d v14  
SYNO 30 Ie. on)  
K/ On|C  
#!R>`l(S  
优化后的透镜结果,如图4所示: B~Kx Up  
H **tMq  
[attachment=98431]
!t23 _b0  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
B&a{,.m&q6  
``WTg4C(Y  
现在的THIRD SENS为: /fp8tL2Y  
[attachment=98427]
imYfRi=$  
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: vzg^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&>  
ED>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 Gky*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 $CB&>?~  
SNAP -btNwE6[.  
SYNO 30 &pI\VIx ?  
s&ox%L4  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 v>K|hH  
L?u {vX  
运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 &k)+]r  
[attachment=98433] Ia](CN*;6  
Qf0P"s`  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
{@KLN<  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: qsp3G7\'=  
[attachment=98462] [Uk cG9  
:c]y/lQmV  
[attachment=98463] Eo$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]
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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