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 5(ZOm|3ix 1<'z)r4 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: Uap0O2n RLE !读取镜头文件 ]]K?Q
)9x ID F10 APO !镜头标识 Kj4BVs WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 t$n Jmfzm APS 3 !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 fE~KWLm UNITS INCH !透镜单位为英寸 )).=MTk
OBB 0 0.5 2 -0.01194 0 0 2 !物体类型为OBB,0-入射边缘光线角度(针对无限远物),0.5-半视场角,2-半孔径,-0.01194-表面1上主光线高度,负号是指光线在图像下端;后面三个参数表示光线在X-Z平面的相应值 0 AIR !物面处于空气中 &Tt7VYJfIV 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 YCiG~y/~ 1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887 !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 cEu_p2(7!B 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 pYQSn.`V~ 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 Gt#r$.]W?o 2 AIR !表面2处于空气中 b5)^g+8)w 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 3%'`^<-V 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 *fc8M(]&d 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 aeUgr! 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 <8 <P, 4 AIR !表面4处于空气中 @>O7/d?O 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 >u>
E !5O 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 dPu27 " 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 ,nYa+e 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 T+Re1sPr? 6 AIR !表面6处于空气中 .zZfP+Q]8 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 E~}H,*)
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 $/"Ymm#"\Y 6 YMT 0.0000000 !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 n~6$CQ5dF( 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 DGGySO6=$e END !以END结束 5%2~/
" y_Lnk=Q ^ |iUF3s|? 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] r5s{t4 ;Ch
lVT*Ev{&.
图1 消色差透镜的初始设计 _m?i$5 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: []@@
[attachment=98447] U>*@VOgB
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。 tZ[9qms^_ 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’。 aQmS'{d?^
[attachment=98448] ?VotIruR
得到玻璃的色散图如下: $O\m~r4
[attachment=98450] Zuzwc [Z1
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: d3rjj4N"z
[attachment=98451] J'WzEgCnU
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 =Ya^PAj '} 如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 =)+^ y}xb wp }Q4I
[attachment=98452] `/T.u&QF
fGV'l__\\ 从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 t+A*Ws*o q0%QMut% 于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 m&=Dy5
[attachment=98453] k^d]E F
VvIUAn 另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: %TI3Eb
[attachment=98454] fB<Qs.T
uSXnf 现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: EFDmNud`Q cRKLyb
[attachment=98429] ?a,#p
&V
axv$v} 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 vWmt<E|e 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: rEp\ld PANT !参数输入 VOj7Tz9UD 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 6k@F?qHS VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 a :*N0 END !以END结束 /D9#v1b nL^7t7mp AANT !像差输入 1^]IuPxq 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 "\Dqtr w ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 /Zs_G=\> 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; d1.@v; GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 56YqYu. GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 j9c:SP5 END !以END结束 L:_{bE|TY nt_Cb*K< SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 :-59~8& SYNO 30 !迭代次数30次 V(K;Gc 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'。 Hj`'4
pFMJG<W9,
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 PSAEW.L 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: T] H'l CHG !改变镜头 k {{eyC NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 /kr|}`#
Z END !以END结束 +(Hp ".gU PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 %ho?KU2j _t]Q*i0p
[attachment=98455] _T.`+0UV
1h`F*:nva 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。 Edc3YSg%;
[attachment=98456] 3s]o~I 2x
/AX)n:, 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。 "MzBy)4Q
[attachment=98457] bhDqRM
jK\kASwG 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: 30w(uF CHG ~~WY?I- 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 i0\]^F END )Dv;,t OPUrz ?p2C 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: 6E^m*la%
[attachment=98458] Zd)LVc[
WUYU\J&q3 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。 Z8h;3Ek 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。 \v:Z;EbX
[attachment=98436] =saRh)EM 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。 n|.eL8lX.< 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。 $&,
KZ> /!5cf;kl*l
[attachment=98434] `:ZaT('h 现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? F{ 4k2Izr 在CW中输入THIRD SENS: o6x8jz w"kBAi&
[attachment=98426] Sh5m+>7K
`|nJAW3 SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。 g]MgT-C| WuWOC6^ 优化宏代码如下: ou)0tX3j PANT FS)C<T]t VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 C.u)2[( VLIST TH 2 4 Ug#B( }/ END ,{ 0&NX AANT R-iWbLD AEC 4%yeEc;z ACC { O=_c|u{N M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; (3x2^M8 GSO 0 1 5 M 0 0 tG"EbWi GNO 0 .2 4 M .75 0 b,ZBol|X GNO 0 .1 4 M 1.0 0 6~!7?FK END R4[|f0l}s SNAP =`MQKh, SYNO 30 #K-O<:s=y >Wd=+$!I rV%;d[LB 优化后的透镜结果,如图4所示: qpf|.m e9k$5ps
[attachment=98431] 8v^AVg
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 Wb^g{F!W ?ODBW/{[G 现在的THIRD SENS为: 5}9rpN{y
[attachment=98427] C?g*c
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 L?(1
[jB4G }p9#Bzc 新BTOL宏代码如下: 1TN+pmc}@ CHG Rh@UxNy\, NOP }&Xf<6 END V22Br#+ /T&+vzCF BTOL 2 !设置置信区间 )q{e L$ y>J6)F
= EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 >O1u![9K|w EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 8fWIZ .,p@ee$q TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 l2!ztK1^ TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 wD pL9 q ADJUST 6 TH 100 100 !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 tD,~i"0; 数字100是指允许的最大调整值; SV1;[ `GooSX PREPARE MC !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 _(@ezX.p 7c'OIY]., GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 ~05(92bK STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 ,f~8:LHq 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: 2Nx#:Rz
[attachment=98435] F
B&l|#e 接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 Pz' Zn
[attachment=98459] Eo<N
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: 6bpO#&T
[attachment=98460] bXWodOSN
LtDGu})1
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。 .uo:fxbd2
[attachment=98432] <qx qlEQT
kgF x
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 v kW2& 于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: n]_<6{: U FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 tjDCfJx* PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 `uqsYY`V FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 Z#_VxA>]v R8u9tTW PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 .|J-(J<>[. PANT -hO[^^i9 VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 <:0d%YB) VLIST TH 2 4 6 ==W] 1@s END hL/ V34]5 AANT G c:oSvm GSO 0 1 5 M 0 m-|~tve GNO 0 1 5 M 1 b@N*W] END ^: V6= SNAP nc>Ae`"( EVAL !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 mr#XN&e a)M#O\i` PHASE 2 !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 X7 fJ+Cn PANT pH!8vnoA VY 3 YDC 2 100 -100 !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 k3B]u.Lo VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 F,$ypGr VY 5 YDC 2 100 -100 9y&&6r<I VY 5 XDC 2 100 -100 ,OaPrAt- VY 6 TH !改变表面6的厚度 .Vb\f END 3ES3,uR AANT gPM<LO`;i GNO 0 1 4 M 0 0 0 F 4>8'.8S GNO 0 1 4 M 1 0 0 F -MH~1Tw6Z END 08 aZU SNAP ' +[fJ> Le SYNO 30 J*'#!
xIa YumHECej PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 ye1hcQ 7<3eB)S 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。 |R$/oq
[attachment=98433] o;Ma)/P
g_t1(g*s
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 sAU!u 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: TYh_uox6
[attachment=98462] El`f>o+EJ
-_|U"C$
[attachment=98463] j; )-K 3Ia
h"+|)'*n
相应的局部放大轴上视场直方图 `}9j vR5
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: 4XL]~3 c [attachment=98465] By-A1|4Cp`
d|(@#*{T]
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+6bp0RIh [attachment=98464]
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