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    [原创]SYNOPSYS代码详解-消色差透镜设计及公差分析 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2020-02-20
    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
    H?M:<q0|G  
    u*W! !(P/  
    首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: r}^1dO  
    RLE                                                     !读取镜头文件 <|?)^;R5!  
    ID F10 APO                                        !镜头标识 k~K;r8D/  
    WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 vu91" 4Fa  
    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。 TXXG0 G  
    UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 s :BW}PM  
    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 ?6nB=B)/  
    1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 {^(uoB C/  
    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 &7>]# *  
    1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 cQ1Axs TO  
    2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 vr{|ubG]d  
    2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 Skr0WQ  
    3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 {X{S[(|  
    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 s^IC]sW\%  
    3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 Fw{#4  
    4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 vM!2?8bEFd  
    4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 _u u&?<h  
    5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 mCk_c  
    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 |e+3d3T35  
    5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10  U#K4)(C  
    6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 <H-kR\HF  
    6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 DTM(SN8R+n  
    6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 5@ td0  
    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 F E{c{G<  
    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 VS ;y  
    7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 vV$^`WY4  
    END                                                                                  !以END结束 "v`q%(TA  
    )\VuN-d  
    <Opw"yY&q]  
    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:
    ~6Fh,S1?  
    $ BgaLJs/O  
    图1 消色差透镜的初始设计
    ::iYydpM  
    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: L kl E,W  
    UF6U5],`u  
    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。 ?I? ~BWu  
    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’。 l;A'^  
    #>\SK  
    得到玻璃的色散图如下: `Npo|.?=  
    3+d^Bpp4  
    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: DO-M0L  
    NIQ}+xpC  
    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。 =_iYT044p  
    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。 2)\MxvfOh  
    ,N hv#U<$  
    %saP>]o  
    5 -|7I7(G$  
    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。 htL1aQ.  
    59SL mj  
    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。 N%Y!{k5T7  
    !\d~9H%`B  
    ,30lu a  
    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: :E|Jqi\  
    islHtX VE  
    >R6mI  
    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: bXc*d9]  
    4gev^/^^  
    /ar0K9`c  
    =-/'$7R,  
    图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 cC/32SmY4  
    接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: l/B+k  
    PANT                                            !参数输入 J(!=Dno  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 a3w6&e`  
    VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 8(y%]#n  
    END                                              !以END结束 .=<s@Sg,t  
    j7a }<\  
    AANT                                           !像差输入 dqQJC qc!  
    AEC                                              !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 \n WbGS(  
    ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 mOHOv61  
    GSO 0 1 4 M 0 0  !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; 3X;>cv#B  
    GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 P*K"0[\n  
    GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 <A|z   
    END                          !以END结束 cfv: Ld m  
    g@s`PBF7`  
    SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 C@]D*k  
    SYNO 30                  !迭代次数30次 ntPj9#lf  
    优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 +e*C`uP!  
    p< 0=. ~  
    图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
    B<-("P(q  
    接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: SB('Nqih  
    CHG                    !改变镜头 na9YlJ\  
    NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 09P2<oFLn  
    END                     !以END结束 V9Mr&8{S4  
    PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 us1$  
    W-|C K&1  
    LD NdHG6  
    toPFkc6`  
    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。 [:(O`#  
    sUmpf4/  
    `W_&^>yl  
    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.JC'F#  
    U=j`RQ 9,  
    n{~&^Nby*I  
    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: |&-*&)iD|w  
    CHG R1Q,m  
    6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 rwW"B  
    END )G, S7A  
    JBOU$A ~  
    然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: k'&1,78[l  
    =N\$$3m?  
    <Z_\2 YW A  
    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。 VSCKWYy  
    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。 |x&4vHXR0  
    e&8Meiv+d  
    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。 L8'4d'N+ >  
    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。 {6Nbar@3  
    A/}[Z\C  
    l:u1P  
    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? WL'!M&h  
    在CW中输入THIRD SENS: |Thm5,ao  
    K%/\XnCY  
    s[UV(::E  
    cw)J+Lyh  
    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。 5?Q5cD2]\6  
    x30|0EHYl[  
    优化宏代码如下: jgXr2JQ<  
    PANT mRyf+O[  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 . 8ikcs  
    VLIST TH 2 4 ]c 'EJu  
    END b">"NvlB  
    AANT 1B&XM^>/  
    AEC &,Loqr  
    ACC .-MJ5d:  
    M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; ]{{%d4  
    GSO 0 1 5 M 0 0   32anmVnf  
    GNO 0 .2 4 M .75 0   ?aBAmyxm  
    GNO 0 .1 4 M 1.0 0   ngd4PN>{4  
    END ^c.pvC"4j  
    SNAP ^e =xEZD  
    SYNO 30 iGj,B =35  
    -H[@]Q4w  
    S ;8=+I,  
    优化后的透镜结果,如图4所示: F/j ; q  
    a5pM~.]  
    o@j!JI&  
    图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
    `-b{|a J  
    'aD"v>  
    现在的THIRD SENS为: Sa.nUj{M=  
    Zg4wd/y?  
    接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
    5RO6YxQ  
    uP8 cW([  
    新BTOL宏代码如下: e(1{W P  
    CHG g%m-*v*  
    NOP  myOW^  
    END =*+f2  
    ErsJWp  
    BTOL 2                      !设置置信区间 tId,Q>zH  
    D0S^Msk9L  
    EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 RCK*?\m5  
    EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 #jj (S\WY  
    lSd tw b  
    TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             M 0G`P1o  
    TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 G$Fo*;Fl  
    ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 -{d(~XIo  
                                                 数字100是指允许的最大调整值; ab)ckRC  
    #zSNDv`  
    PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 _x!/40^G  
    }PDtx:T-  
    GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 -(%Xq{  
    STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 YLSDJ$K6  
    运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: ?=kH}'igq  
    YCzH@94QeV  
    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。 ~\u>jel  
    ^$oEM0h  
    在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
    9 v ,y  
    E J6|y'  
    V!+<  
    现在测试最坏的透镜。点击 ,在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
    f!GFRMM1  
    2#UVpgX?  
    %^"i\- *|S  
    图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
    f|s,%AU"i  
    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: += gU`<\  
    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 'q8:1i9\[  
    PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 Y~lOkH[z  
    FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 Yc5) ^v  
    1mfB6p1Z(  
    PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 `VglE?M  
    PANT n4+ ^f~Y  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 i5*/ZA_  
    VLIST TH 2 4 6 LR"7e  
    END Gh%dVP9B@P  
    ('=Q[ua7-(  
    AANT HGj[\kU~  
    GSO 0 1 5 M 0 6-{wo)p  
    GNO 0 1 5 M 1   "88<{xL  
    END %]F{aR  
    SNAP a'my0m  
    EVAL   !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 F22]4DLHO  
    3%N!omAe  
    PHASE 2              !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 "(\]-%:7  
    PANT 6?0QzSpfC#  
    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 }:b) =fs  
    VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 7#26Smv  
    VY 5 YDC 2 100 -100 Et)j6xz/F  
    VY 5 XDC 2 100 -100 #'y^@90R  
    VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 >lO]/3j1  
    END lOIf4  
    AANT R}OjSiS\  
    GNO 0 1 4 M 0 0 0 F dW|S\S'&  
    GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   >- CNHb  
    END h~&5;  
    SNAP C7 9~@%T  
    SYNO 30 )OQih+#?W  
    P[Id[}5Pw  
    PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 :C#(yp  
    p,OB;Ncf/  
    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。 %i.;~>  
    gvxOo#8]  
    3 k)P*ME#  
    图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
    *;<oM]W_  
    再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: @c%h fI  
    E-$N!KY  
    M >s,I^  
    ~NwX,-ri  
    F8*P/<P1cK  
    相应的局部放大轴上视场直方图
    r@H7J 5<Y-  
    打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: R%r<AL5kJk  
    *U|2u+| F  
    +"[}gss!@  
    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: FS6ZPjG)  
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    elsaqueen 光币 +1 优秀文章,支持! 2020-02-26
     
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    只看该作者 1楼 发表于: 2022-01-10
    很好的文章
    离线zh_rj
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    只看该作者 2楼 发表于: 2022-01-26
    谢谢楼主分享!!
    离线coollwl
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    只看该作者 3楼 发表于: 2023-05-04
    资料非常不错,必须点赞!