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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
'E4`qq  
oBA]qI  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: %~V+wqu  
RLE                                                     !读取镜头文件 P <$)v5f  
ID F10 APO                                        !镜头标识 wIrjWU2  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列  t8 "*j t  
APS 3           !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 ^1a/)Be{_  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 BEQ$p) h  
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 `m~x*)L#  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 GTj=R$%09  
1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887  !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 5}4f[   
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 .`iG} j)\  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 6,ZfC<)  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 re\@v8w~  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 P9Gjsu #  
3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 ?P+n0S!  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 ;g3z?Uz)  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 19Cs 3B\4  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 sHqs)@D  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 E&\dr;{7  
5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133   !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 &=1A g}l57  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 "[PxLq5  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 L[]*vj   
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 I9! eL4e  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 )HrFWI'Y  
6 UMC -0.05000000       !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。
6 TH     39.24611007      !表面6的厚度 r'kUU] j9  
6 YMT 0.0000000          !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 E%eTjvvxus  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 I)xB I~x  
END                                                                                  !以END结束 @}#"o  
Wc}opp  
S$CO T)7  
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] jV(\]g"/=  
egBjr?  
图1 消色差透镜的初始设计
~?V+^<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: *%G$[=  
[attachment=98447] +`EF0sux  
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 !]%M  
而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 U>q&p}z0 H  
[attachment=98448] \m.ap+dFa  
得到玻璃的色散图如下: S?X2MX  
[attachment=98450] }Pm>mQZ},  
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: 4H7 3a5f  
[attachment=98451] g/)$-Z)Nu  
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#$d@VG"  
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。 <b-BJ2],k  
\5+?wpH  
[attachment=98452] |4UU`J9M  
]r #YU0  
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。 -mSiZ  
s m42  
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。 _eB?G  
[attachment=98453] Xx;RH9YYz  
+%Vbz7+!  
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: /UJ@e  
[attachment=98454] <OKzb3e  
T&?0hSYt  
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: so* lV  
F1V[8I.0  
[attachment=98429] sUaUZO2V  
?e? mg  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 ;Nw.  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: 8 S'g%  
PANT                                            !参数输入 aZ$$a+  
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 9Fe(],AzF  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 ^*;{Uj+O~Y  
END                                              !以END结束 _1z|QC  
L*ZC` .h  
AANT                                           !像差输入 m oQ><>/  
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 O|#N$a&_N  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 pRsYA7Ti  
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; GCxtWFXH  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 gTI!b  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 b\/:-][  
END                          !以END结束 )4d)G5{  
% -~W|Y  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 < V?CM(1C  
SYNO 30                  !迭代次数30次 KRS_6G],{  
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'。 a:C'N4K  
$9 GRAM.  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
U @Il:\I  
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: ^ <Z^3c>/  
CHG                    !改变镜头 $}d| ~q\  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 ]Gw?DD|Gn  
END                     !以END结束 4(aDi;x"w  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 T-Od|T@[  
zl>l.zJ  
[attachment=98455] {(}Mu R  
o C]tEXJ  
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。 {~*aXu 3  
[attachment=98456] ;H#'9p,2  
Mis t,H7  
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。 [3a-1,  
[attachment=98457] 9`J!]WQ1[  
O_*(:Z  
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: K\ww,S  
CHG ,}M@Am0~  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 1sFTXl  
END _=c>>X  
im&E \`L7  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: m178S3  
[attachment=98458] <BIj a  
15Vb`Vf`N  
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。 W_EM k  
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。 P5;LM9W  
[attachment=98436]
W~GbB:-  
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。 g-=)RIwm  
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。 $|v_ pjUu]  
R9SJ;TsE  
[attachment=98434]
T`g.K6$b  
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? kJ6=T6s  
在CW中输入THIRD SENS: s)$N&0\  
gWp\?La  
[attachment=98426]
Wjt1NfS&  
LOyL:~$  
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。 SWr?>dl  
[>"bL$tlo*  
优化宏代码如下: bWv4'Y!p  
PANT iw<#V&([ J  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7  `"v5bk  
VLIST TH 2 4 SCl$+9E  
END @R= gJ:&a  
AANT w]n20&  
AEC YmM+x=G:  
ACC qr%9S dvx  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; YV*s1 t/  
GSO 0 1 5 M 0 0   RQI?\?o  
GNO 0 .2 4 M .75 0   H{'<v|I  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   P  F!S  
END 2= X2M  
SNAP #Ag-?k  
SYNO 30 |w2H5f{fR  
8~?3: IZ  
d% ?+q0j  
优化后的透镜结果,如图4所示: =>Y b~r71  
C=ni5R  
[attachment=98431]
.lfKS!m2  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
n(.y_NEgV!  
I0 a,mO;m  
现在的THIRD SENS为: ; >3q@9\D  
[attachment=98427]
W B)<B  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
}f)$+mi  
2"lDKjj  
新BTOL宏代码如下: )xiiTkJd5  
CHG &P&LjHFK  
NOP <A&mc,kj  
END pN/)$6=  
4g]Er<-P  
BTOL 2                      !设置置信区间 y0qrl4S)v  
-x2/y:q`  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 g\&[;v i  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 zCKZv|j6  
0 Vv 6B2<  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             J& }/Xw)  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 U'zW; Lt  
ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 {g}!M^|  
                                             数字100是指允许的最大调整值; J@Eqqyf"  
5Jq~EB{"  
PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 %pgie"k   
V| b9zHh  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 D8N}*4S  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 ZzLmsTtzIu  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: ep .AW'+  
[attachment=98435]
,wE]:|`qJ  
接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 ^RytBwzKM  
[attachment=98459]
MB :knj  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
Gwxx W   
[attachment=98460] qEr2Y/:i"  
+9G GC  
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
j?%^N\9  
[attachment=98432] 0ZPwEP  
Xn-GSW3{  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
<y=VDb/  
于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: 9K~2!<  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 pDb5t>  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 o9G%KO&;D,  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 0F-X.Dq  
w*<XPBi  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 KJ<7aZ  
PANT F<q'ivj:w  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 i`/_^Fndyu  
VLIST TH 2 4 6 IY6DZP  
END !"/]<OQ   
=3OK 3|  
AANT >f#P(  
GSO 0 1 5 M 0 8A}w}h  
GNO 0 1 5 M 1   q65KxOf`  
END >_P7k5Y^  
SNAP 0xrr9X<  
EVAL   !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 zbK=yOIOd  
!s pp*Q)#\  
PHASE 2              !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 o&P}GcEIw  
PANT O,R5csMh  
VY 3 YDC 2 100 -100   !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 P'f =r%  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 ,#[0As29u  
VY 5 YDC 2 100 -100 j_*$ Avy  
VY 5 XDC 2 100 -100 1ael{b!  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 6nh!g  
END B*7Y5_N  
AANT RY'f%c  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F >(mp$#+w  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   8uq^Q4SU  
END AE`X4q  
SNAP DhY.5  
SYNO 30 I|69|^  
lxb+0fiN  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 ,T@+QXh  
pSp/Qpb-B  
运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 6yk=4l\  
[attachment=98433] Fb=(FQ2Y?  
stuj,8  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
eJA$J=^R;  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: nVkx Q?2  
[attachment=98462] ^Pl(V@  
%@ UH,Ew  
[attachment=98463] |U{9Yy6p  
 m=D2|WA8  
相应的局部放大轴上视场直方图
rD=8O#m g  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: cb!mV5M-g  
[attachment=98465] eKjmU| H  
0/K?'&$yvb  
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: Z`x|\jI  
[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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