切换到宽版
  • 广告投放
  • 稿件投递
  • 繁體中文
    • 4046阅读
    • 3回复

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

    上一主题 下一主题
    离线小火龙果
     
    发帖
    932
    光币
    2176
    光券
    0
    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
    b#bdz1@s  
    @qmONQ eb  
    首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: %VOn;_Q*B  
    RLE                                                     !读取镜头文件 py`RH )  
    ID F10 APO                                        !镜头标识 `*cT79  
    WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 s\i=-`  
    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。 [SgWUP*  
    UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 4d4le  
    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 zvf:*Na")  
    1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 3t22KY[`  
    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 ^29w @*  
    1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 Zq=t&$*  
    2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 OLJb8kO  
    2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 u3vBMe0v[  
    3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 Z)EmX=  
    3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 bq[j4xH0X  
    3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 4J0{$Xuu 0  
    4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 J;h4)w~9H3  
    4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 z"*X/T  
    5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 XIh2Y\33ys  
    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 ez=$]cln  
    5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 })!d4EcZf  
    6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 +]uW|owxo  
    6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 hO(8v&ns3  
    6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 Hy5_iYP5  
    6 UMC -0.05000000       !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。
    6 TH     39.24611007      !表面6的厚度 ^ AxU  
    6 YMT 0.0000000          !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 _ vVw2HH  
    7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 ,X(P/x{B  
    END                                                                                  !以END结束 5QB] 2c^  
    4[a?. .X  
    ?(Q" y\  
    运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:
    x?Z)q4  
    zIt-mU  
    图1 消色差透镜的初始设计
    qH!}oPeU'  
    点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: ' Bb]< L`  
    J2Y-D'*s  
    绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 "r @RDw   
    而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 J~KWn.  
    @*q WV*$h  
    得到玻璃的色散图如下: 4*MjDb  
    8v@6 &ras@  
    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: EW*!_|  
    pg~vteq5  
    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。 IGv_s+O-*  
    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。 . +> w0FG.  
    Q:eIq<erY  
    H`q" _p:  
    i3t=4[~oL  
    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。 8^M5k%P  
    $'e;ScH  
    于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 }Uki)3(  
    r9z_8#cR  
    txQyHQ)@  
    另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: _ _cJ+%e  
    N ?Jr8  
    Yao>F--?  
    现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: WsRG>w3"  
    D}'g4Ag  
    ]\5@N7h  
    fgg^B[(Y  
    图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 <_@ K4zV  
    接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: 6g4CUP'Y  
    PANT                                            !参数输入 4 r#O._Z  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 6la# 0U23  
    VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 u\=gps/Z  
    END                                              !以END结束 _d6mf4M]5  
    loN!&YceW  
    AANT                                           !像差输入 ='u'/g$'&  
    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 f gI.q  
    ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 #S2LQ5U  
    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; kwNXKn/   
    GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 ^Dhj<_  
    GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 c'OJodpa  
    END                          !以END结束 |t CD@M  
    6-va;G9Fc  
    SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 vLn<=.  
    SYNO 30                  !迭代次数30次 k| 0Fa}Z[  
    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'。 1Lz`.%k`:  
    q88p~Ccoa  
    图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
    oc' #sE  
    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: `%;n HQ"  
    CHG                    !改变镜头 F7a &-  
    NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 7Z5,(dH>  
    END                     !以END结束 WI9'$hB\  
    PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 9\3%5B7  
    YM{Q)115  
    >C"cv^%c  
    GDw4=0u-  
    离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 B[ae<V0 k  
    !jY/}M~F1  
    "L@qjSs8  
    透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 ,{ CgOz+Ul  
    i0/gyK  
    hR b k-b  
    现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: T~8` {^  
    CHG ]W<E#^  
    6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 EA7]o.Nm*{  
    END GJWC}$#T Y  
    A> +5~u  
    然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: 5Zs"CDU  
    A}C&WT~  
    -aG( Yx  
    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。 }#z E`IT  
    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。 {l{p  
    d hiLv_/  
    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。 0uzis09  
    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。 X0b :Oiw  
    S1uW`zQ!+_  
    E#Ynn6  
    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? 0K>rc1dy  
    在CW中输入THIRD SENS: QNFA#`H  
    p`gg   
    \sHM[n F0  
    GiHJr1  
    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。 ~B>I?j  
    -qfd)A6]  
    优化宏代码如下:  Cih}  
    PANT FePJ8  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 ~U*2h =]  
    VLIST TH 2 4 8"wA8l.  
    END c}Jy'F7&f  
    AANT dDW],d}B;  
    AEC hw_7N)}  
    ACC 0LoA-c<Ay  
    M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; v3S{dX<  
    GSO 0 1 5 M 0 0   Wr`=P,  
    GNO 0 .2 4 M .75 0   l,h#RTfry  
    GNO 0 .1 4 M 1.0 0   Bp^>R`,  
    END d(, -13  
    SNAP OW)8Z 60  
    SYNO 30 ;Iw'TF   
    *[ Wh9 ,H  
    ~J)4(411  
    优化后的透镜结果,如图4所示: ( NjX?^  
    yN{Ybp  
    <S $Z  
    图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
    fouy??  
    S7aSUt!  
    现在的THIRD SENS为: wX#\\Jgi  
    ] 5P{*  
    接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
    WSDNTfpI  
    f: 7Y  
    新BTOL宏代码如下: Uvf-h4^J]:  
    CHG C'n 9n!hR  
    NOP a6WE,4T9  
    END rC_K L  
    ./#K@V1  
    BTOL 2                      !设置置信区间 z-7F,$  
    P_-zkw  
    EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 q,u >`]}  
    EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 -rH4/Iby  
    fhH* R*4  
    TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             xO1d^{~^^  
    TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 e-qr d  
    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 nkJ*$cT1o  
                                                 数字100是指允许的最大调整值; 'U1r}.+b>  
    2"<}9A<Xs  
    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#zp;=  
    9-Ib+/R0  
    GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 % Pa-fee  
    STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 Crpk q/M  
    运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: Om}&`AP};  
    "45BOw&72G  
    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。 i":-g"d  
    F,:F9r?l,H  
    在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
    e1<28g  
    iZSj T"l^  
    SI;G|uO;/  
    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。
    'c &Bmd40  
    <V6#)^Or  
    DN^ln%#  
    图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
    <wE2ly&x  
    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: $S,Uoh  
    FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 @ K@~4!  
    PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 saRB~[6I  
    FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 `M7){  
    ^f`#8G7(  
    PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 -3 W 4  
    PANT l}O`cC  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 i"e) LJz  
    VLIST TH 2 4 6 ;U7\pc;S  
    END k*!J,/=k  
    B;K{Vo:C  
    AANT 'HqAm$V+  
    GSO 0 1 5 M 0 1H[lf B  
    GNO 0 1 5 M 1   J2 5>t^  
    END *=2jteG=3.  
    SNAP 3ZB;-F5v  
    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 x_@ev-  
    zP9 HYS  
    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 6@I7UL >  
    PANT uWfse19  
    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 T.1z<l""  
    VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 <0kRky$  
    VY 5 YDC 2 100 -100 L7jz^g^  
    VY 5 XDC 2 100 -100 qp{NRNkQ  
    VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 )>[(HxvfJU  
    END [9LYR3 p  
    AANT 3BSeZ:j7  
    GNO 0 1 4 M 0 0 0 F 3Q;^X(Ml*  
    GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   lO9>?y8.y  
    END '[juPI(!  
    SNAP yNDyh  
    SYNO 30 ,LMme}FFeb  
    71 A{"  
    PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 K^w9@&g6  
    qC 6Q5F  
    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。 $PTedJ}*Y  
    6*LU+U=`  
    DC$ S. {n  
    图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
    FF_$)%YUp  
    再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: NF a ;  
    i#-Jl7V[a  
    w"BTu-I  
    .i. |wY  
    E"" /dC:B  
    相应的局部放大轴上视场直方图
    HOUyB's'  
    打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: {jc~s~<#  
    q2 f/#"k  
    2fLd/x~  
    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: _Ng*K]0/E  
    本主题包含附件,请 登录 后查看, 或者 注册 成为会员
    1条评分光币+1
    elsaqueen 光币 +1 优秀文章,支持! 2020-02-26
     
    分享到
    发帖
    52
    光币
    34
    光券
    0
    只看该作者 1楼 发表于: 2022-01-10
    很好的文章
    离线zh_rj
    发帖
    196
    光币
    0
    光券
    0
    只看该作者 2楼 发表于: 2022-01-26
    谢谢楼主分享!!
    离线coollwl
    发帖
    711
    光币
    138
    光券
    0
    只看该作者 3楼 发表于: 2023-05-04
    资料非常不错,必须点赞!