[原创]SYNOPSYS代码详解-消色差透镜设计及公差分析 [复制链接]

kQ$Q}3f  
gnoV>ON0  
首先，消色差透镜的初始结构设计代码如下： |Mp_qg?g  
RLE                                                     ！读取镜头文件 <)zh2UI  
ID F10 APO                                        ！镜头标识 ZpHT2-baVe  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         ！定义三个波长，按照长波到短波顺序排列 >,`/ z  
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。 'r%`(Z{~  
UNITS INCH                                      ！透镜单位为英寸 <4y1[/S  
0 AIR                                                                        ！物面处于空气中 R.R(|!w>  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  ！表面1的半径，厚度 $.}fL;BzVz  
1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887  ！玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 <v"C`cga  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  ！表面1玻璃类型为N-SK4 '?5=j1  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   ！表面2在空气中的半径，厚度 w.cQ|_  
2 AIR                                                                                 ！表面2处于空气中 'f<0&Ci8  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           ！表面3的半径，厚度 9jiZtwRpk  
3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         ！玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 :YB:)wV,P  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     ！表面3玻璃类型为N-KZFS4 _VR Sdr5  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    ！表面4在空气中的半径，厚度 ]do0{I%\eq  
4 AIR                                                                                  ！表面4处于空气中 B7TA:K   
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   ！表面5的半径，厚度 _
y)#N<  
5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133   ！玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 aT F}  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               ！表面5玻璃类型为N-BAF10 2|o6~m<pE  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   ！表面6在空气中的半径，厚度 w?.0r6j  
6 AIR                                                                                  ！表面6处于空气中 j?6%=KuX<  
6 CV      -0.03573731                                                         ！表面6的曲率 qyc:;3?wm  
6 TH     39.24611007      ！表面6的厚度 W;,.OoDc>  
6 YMT 0.0000000          ！YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 UUv&X+Y  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  ！表面7（像面）的半径，厚度 Zb7KHKO{  
END                                                                                  ！以END结束 zp4Jd"XBX  
A5Yfm.Jy  
I?"cEp   
运行上述代码后，点击图标 打开PAD二维图，得到消色差透镜的初始结构，如图1所示： 6Pl$DSu  
sRo%=7Z  
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： ~,Q+E8  
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。 <!&nyuSz  
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’。 anA>'63  
得到玻璃的色散图如下： UioLu90 P  
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： !yH&l6s  
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。 c3!d4mC:  
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。 S'V0c%'QQV  
+"T?.,  
kwK<?\D  
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。 52K3N^RgR  
j$zw(EkN  
于是，单击N-BAK2符号，名称出现在右侧窗口时，在‘Surface’中填写‘1’，然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 tp_*U,  
!3$Ph  
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： zXvAW7  
J`uV $l:  
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：  HlPf   
s{KwO+UW  
c5<M=
$  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 Z|uUE  
接下来，运行下面代码对透镜进行优化，代码如下： {?l#*XH;  
PANT                                            ！参数输入 ,#UaWq@7  
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 28LjQ!  
VLIST TH 2 4                               ！改变表面2和表面4的厚度 DK&J"0jz,  
END                                              ！以END结束 }!(cm;XA"  
me$7\B;wy  
AANT                                           ！像差输入 %ztCcgu*  
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 RXb+"/  
ACC                                              ！自动控制玻璃元件的中心厚度，防止中心厚度太厚 }X)mZyM[  
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； m/JpYv~  
GNO 0 .2 3 M .75 0  ！校正0.75视场光线网格OPD像差 3uz@JY"mK  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  ！校正全视场光线网格OPD像差 zm9>"(H  
END                          ！以END结束 +I5@Gys  
4rc4}Yu,JI  
SNAP                        ！设置PAD更新频率，每迭代一次PAD更新一次 vEvVT]g[V  
SYNO 30                  ！迭代次数30次 5"c
#O
U  
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'。 `3SY~&X  
41^+T<+  
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： #)tt}GX  
CHG                    ！改变镜头 C\j|+s  
NOP                     ！移除所有在透镜上的拾取和求解 60*2k  
END                     ！以END结束 n87B[R  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  ！绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 5<GC  
^hq`dr|R=  
VjBV2x  
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。 >jME == U0  
s|dcO  
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。 >>Z.]  
&#F>%~<or  
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： :&HrOdz  
CHG /=*h\8c~  
6 NCOP          ！移除表面6的曲率求解 =[FNZ:3  
END PzWhB* iBR  
1CU-^j  
然后，在CW命令窗口输入MSB，进行BTOL设置，如图： ']4b}F:}  
y9{KBM%h  
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。 x?9rT 0D  
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。 <[@AMdS  
3J32W@}.K  
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。 IKMkpX!]  
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。 9i*t3W71]  
B+#!%J
_  
NBwxN  
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？ NGOc:>}k>  
在CW中输入THIRD SENS： d`5xd@p  
)gYsg  
P hs4]!  
CH[U.LJQ-O  
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。 "-88bF~  
@@"}i7  
优化宏代码如下： D>|m8-@]  
PANT $l@nk@  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 epI&R)]   
VLIST TH 2 4 9=O`?$y  
END h.d-a/
 
AANT 1@rI4U@D  
AEC 4{=zO(>  
ACC [KR|m,QWp  
M 4 1 A SAT                      ！SAT的目标值为4，权重为1； 1G$fU zS  
GSO 0 1 5 M 0 0   zP$0B!9  
GNO 0 .2 4 M .75 0   tPBr{  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   B+[ri&6X\  
END Tw*:Vw  
SNAP o@*eC L=  
SYNO 30 -c|dTZ8D)8  
z SDRZ!  
NF
8'O  
优化后的透镜结果，如图4所示： M3P
\1  
)c!7V)z  
Q#w mS&$f  
/~~aK2{^X~  
%Xc50n2Z  
现在的THIRD SENS为： ix4O-o{  
@{N2I$%6  
nX~Qt%  
+a1Or  
新BTOL宏代码如下： 6a6;]lsG  
CHG g@0<`g  
NOP XrP'FLY o  
END h,%`*Qg6  
Sggha~E2s  
BTOL 2                      ！设置置信区间 }p,#rOX:A  
_3@[S F  
EXACT INDEX 1 3 5    ！表面1，表面3和表面5的折射率是精确的 g~EN3~  
EXACT VNO 1 3 5        ！表面1，表面3和表面5的V-number是精确的 cjK\(b3  
-':;0  
TPR ALL                  ！  假定所有表面与光学样板匹配                                                             DwSB(O#X  
TOL WAVE 0.1        ！最大波前变化值为0.1 ?+Gc.lU  
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 %h,@  
                                             数字100是指允许的最大调整值； 1g_p`(  
(5CdA1|  
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 U}f"a!  
~5`p/.L)ZD  
GO                          ！BTOL输入文件的最后输入，并执行程序 UU\wP(f  
STORE 4                ！透镜结果储存在透镜库的位置4 [0c7fH`8V  
运行BTOL宏之后，公差稍微宽松一点，如下图： bd|ZhRsL  
j IO2uTM~  
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。 w
avyREK  
S $j"'K  
ByyvRc,v  
)M3}6^s]  

hA=.${uIO  
oZ]^zzoEcg  
t =LIkwD  
于是，对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下： hk*@<ff  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  ！测试透镜库4中的50片透镜，按照预计公差来制作透镜，然后监控对比所有透镜质量，将最坏透镜结果保存在透镜库5 iA.:{^_)09  
PASSES 20           ！对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 OVq(ulwi+  
FAORDER 5 3 1  ！透镜制造序列，按难度排序，最复杂的透镜放首位 5>r2&72=  
kPRG^Ox8e  
PHASE 1              ！第一阶段，优化透镜参数 d23;c )'  
PANT X|&v]mJ  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 >wSrllmj@  
VLIST TH 2 4 6 <n4?wo  
END Gx)U~L$B  
>o/+z18x
 
AANT jJ.isr|`  
GSO 0 1 5 M 0 eewlK]  
GNO 0 1 5 M 1   %*bGW'Cw  
END D9yAq'k$  
SNAP . E8Gj'yO  
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 fEJF3<UF&  
=w!>/#U  
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 eP(|]Rk  
PANT iQd,xr  
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 F ?N+ __o  
VY 3 XDC 2 100 -100   ！改变表面3的X方向偏心 r;n^\[Ov0,  
VY 5 YDC 2 100 -100 3g79/w  
VY 5 XDC 2 100 -100 c`Q#4e]%_  
VY 6 TH                        ！改变表面6的厚度 bU4l|i;j  
END bVxbQ$  
AANT } *:H\GL  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F PAD&s
TjE*  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   ,DL%oQR  
END -3GlpC22  
SNAP F+<e9[  
SYNO 30 ~o8  
4s@oj  
PHASE 3 ！第三阶段；当遇到第三阶段的输入，程序循环整个过程 SD_P=?  
Q30TR  
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。 j^5VmG  
]mR!-Fqj  
0n/+X[%Ti  
再次在CW中输入MC PLOT，得到MC直方图： 9Zj9e  
%n{ue9  
<SKz
Cp\  
?B32,AS@  
s&d!+-\6_  

很好的文章

谢谢楼主分享！！

资料非常不错，必须点赞！