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 r9a!,^}F JX$NEq( 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: as|c`4r\O RLE !读取镜头文件 qs1.@l(" ID F10 APO !镜头标识 pXj/6+^ WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 P|P fG= 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。 $0S#d@v} UNITS INCH !透镜单位为英寸 .P:f
OBB 0 0.5 2 -0.01194 0 0 2 !物体类型为OBB,0-入射边缘光线角度(针对无限远物),0.5-半视场角,2-半孔径,-0.01194-表面1上主光线高度,负号是指光线在图像下端;后面三个参数表示光线在X-Z平面的相应值 0 AIR !物面处于空气中 IH5} Az 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 xgqv2s>L 1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887 !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 akc"}+-oX 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 r]O@HVbt$ 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 A.C278^O8 2 AIR !表面2处于空气中 s]<r 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 cU5"c)$' 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 ,#jhKnk2e 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 0H&U=9'YT 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 |od4kt 4 AIR !表面4处于空气中 VO;UV$$ 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 K!D!b'|bb 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 lPcVhj6No% 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 uyRA`<&w 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 6|>\&Y!Q 6 AIR !表面6处于空气中 g=g.GpFt 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 iraRB~
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 kl3S~gE4@ 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 6n6VEwYj 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 s3_e7D ^H END !以END结束 r{B,uj" &Wz`>qYL* *v
nxP9< 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] $sL|'ZMbS
8K JQ(
图1 消色差透镜的初始设计 H, XLb. 点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: E4v_2Q
-w
[attachment=98447] e=n{f*KG`
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 ZYA.1VrM 而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 sAD P~xvU
[attachment=98448] Q(;B)
得到玻璃的色散图如下: Neo^C_[vN
[attachment=98450] r0g/ :lJi
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: '=Kof1
[attachment=98451] Il^\3T+
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 >SxZ9T|% 如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 I~]Q55 7tfivIj)e
[attachment=98452] ULNAH`{D
]zvVY:v 从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 4I#eC#" ;&W; 于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 MCi` TXr
[attachment=98453] :Hf0Qx6
16[-3cJ T 另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: -#S)}NEn
[attachment=98454] Vh#Mp!
pg?i F1 现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: te\h?H D-o7yc"K
[attachment=98429] hM36QOdm
jI{~s]Q 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 <nb3~z1 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: KYkS6|A PANT !参数输入 M)`HK
. VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 S}m$,<x VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 pVV}1RDa END !以END结束 0tW<LR-}E aW=By)S!Y AANT !像差输入 :PFx& 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 $/, BJ/9 ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 4{*tn"y GSO 0 1 4 M 0 0 !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; sw41wj GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 &$b\= GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 7ZV~op2Q END !以END结束 p- "Z'$A` q?imE ~&U SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 {ywXz|TP SYNO 30 !迭代次数30次 >&<<8Ln 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'。 eC>"my`
_}I(U?Q-C
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
b(}Gm@# 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: '9*5-iO CHG !改变镜头 })o~E NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 Wa[x`:cT?u END !以END结束 S]e j=6SP PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 +9CEC1-l B]^>GH
[attachment=98455] ]DC;+;8Jc
2gd<8a' ' 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。 YH)Opk
[attachment=98456] jFuC=6aF
Pv/Pww\ 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。 \Y!T>nWn)I
[attachment=98457] k]SAJ~bS|
& Fg|%,fv] 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: ex`
xkZ+ CHG .
]o3A8 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 ioC@n8_[G END <i_>
y~v` u\{qH!?t 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: $nB-ADRu@
[attachment=98458] )p$\gwr=2
w`c0a&7 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。 7$!`p,@we/ 在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 \C]i|]tl
[attachment=98436]
gd337jw 预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 a'@-"qk 透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 lpl8h4d (;;J,*NP
[attachment=98434] ^ckj3Y#; 现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? rQ9*J 在CW中输入THIRD SENS: uy/y wm/?= `%-4>jI9-
[attachment=98426] Y%<`;wK=^ `9.dgV SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。 6m4Te| 9o-!ecx} 优化宏代码如下: )46
0Ed PANT 9pWi.J VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 `1nRcY VLIST TH 2 4 `S"W8_m END dCB&c^ AANT {5T0RL{\N AEC Q`H#
fS~ ACC blJIto' M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; ZhH+D`9 GSO 0 1 5 M 0 0 [^<SLTev GNO 0 .2 4 M .75 0 TE3*ktB{N GNO 0 .1 4 M 1.0 0 5a'yXB} END ;aq `N}d SNAP l iw,O 6 SYNO 30 CV '&4oq Xo2^N2I )T>8XCL\} 优化后的透镜结果,如图4所示: ./$
<J6-J b.QpHrnhtK
[attachment=98431] KwS`3 6:
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 JW=uK$s O i-`,/e~XT 现在的THIRD SENS为: l;Q
>b]DZ
[attachment=98427] 5v"Y\k+1
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 j5kA^MTG 3 h#s([uL 新BTOL宏代码如下: F& |