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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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    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
    yLPP6_59$  
    c h}wXn  
    首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: pu5%$}dBE  
    RLE                                                     !读取镜头文件 UA|\D]xe  
    ID F10 APO                                        !镜头标识 O?ODfO+>  
    WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 Lt ^*L% x  
    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。 i+F*vTM2,  
    UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 1'N<ITb  
    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 rp+]f\] h  
    1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 T%Bz>K  
    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 D|*yeS4>  
    1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 HX)]@qL  
    2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 O>'tag  
    2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 70'gVCb  
    3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 a@J/[$5  
    3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 xS>vmnW  
    3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 w{t]^w:  
    4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 {1qr6P,"  
    4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 icb *L~qm  
    5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 OADW;fj  
    5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133   !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 Npi) R)  
    5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 *nYg-)  
    6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 .9N7`  
    6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 zk"8mTg  
    6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 RL$%Vy0  
    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 P*H0Hwn;  
    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 TyjZ  
    7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 k>\v]&|T`  
    END                                                                                  !以END结束 8t. QFze?  
    fs?H  
    a#k7 aOT0  
    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:
    >cLh$;l  
    ^/6P~iK'  
    图1 消色差透镜的初始设计
    YWs?2I  
    点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: S~hu(x#  
    |j81?4<)v  
    绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 %<!YjJ  
    而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 wZN_YFwQ  
    D6H?*4f]  
    得到玻璃的色散图如下: R7U%v"F>`  
    O@4J=P=w  
    现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: -7]j[{?w  
    M9afg$;.xe  
    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。 JXMH7  
    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。 zj(V\y&H  
    R :(-"GW'  
    7~F~'V  
    Sb> &m  
    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。 %1:caa@_p  
    3h:y[Vm#9y  
    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。 e0h[(3bXs$  
    fIl!{pv[  
    \1LfDlQk)  
    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: pu+Q3NfR  
    ~ !!\#IX  
    92t.@!m`  
    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: \hZ%NL j  
    3F@P$4!#l  
    vsZ?cd  
    vy *-"=J  
    图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 I8j:{*h  
    接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: -F[@)$L  
    PANT                                            !参数输入 DJ@n$G`^^  
    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 [!yA#{xl,  
    VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 g_`a_0v  
    END                                              !以END结束 g27'il  
    >Rd~-w)!|  
    AANT                                           !像差输入 3V?x&qlP>  
    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 5.oIyC^Ik  
    ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 "GQ Q8rQ  
    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; @qan&?-Y  
    GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 <JH,B91  
    GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 TKv!wKI  
    END                          !以END结束 w $6Z}M1d  
    3,Yr%`/5'  
    SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 n\l?+)S *  
    SYNO 30                  !迭代次数30次 |[IyqWG9  
    优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 #}FUau$  
    z__?kY  
    图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
    @;tfHoXD  
    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: .WqqP  
    CHG                    !改变镜头 >*8V]{f9  
    NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 )\=xPfs  
    END                     !以END结束 5C9b*]-#  
    PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 =I546($  
    8zD>t~N2C  
    fDf[:A,8  
    gK`w|kh`  
    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。 X<}}DZSu a  
    $vfgYl4q  
    8ROKfPj;z  
    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。 Ze eV-  
    fk5'v   
    Td|u@l4B  
    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: P,{Q k~iu  
    CHG )6C+0b*  
    6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 $M 8& &M  
    END 'R79,)|;[  
    {:K_=IRZ  
    然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: GDL/5m#  
    igfQ,LWe!  
    q[a\a7U z  
    其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 %S^hqC  
    在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 &sWr)>vs  
    4SJ aAeIZ  
    预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 QDg5B6>$  
    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。 P3&s<mh  
    D4!;*2t  
    FOsd{Fw  
    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? i D IY|  
    在CW中输入THIRD SENS: 1@}F8&EZ  
    M?eP1v:<+G  
    112 WryS  
    rMDvnF  
    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。 PN l/}'  
    K=[7<b,:3  
    优化宏代码如下: 2{rWAPHgz  
    PANT -[7+g  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 @kFZN6  
    VLIST TH 2 4 #:gd9os :  
    END 5qtk#FB  
    AANT 2`$*HPj+G  
    AEC 3\XNOJH  
    ACC w*VN =  
    M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; L/tpT?$fi  
    GSO 0 1 5 M 0 0   NZvgkci_(u  
    GNO 0 .2 4 M .75 0   !E 5FU *s  
    GNO 0 .1 4 M 1.0 0   :W*yfhLt  
    END u /F!8#  
    SNAP F?Lt-a+  
    SYNO 30 avRtYL  
    f1 x&Fk  
    T7 ,]^ 1  
    优化后的透镜结果,如图4所示: *#Cx-J  
    _`udd)Y2  
    V!He2<  
    图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
    5~[7|Y  
    m^3x%ENZ  
    现在的THIRD SENS为: ^5sA*%T4  
    D;pI!S<#  
    接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
    r N$0qo  
    ]].~/kC^3k  
    新BTOL宏代码如下: 4E^ ?}_$  
    CHG e'3V4iU]  
    NOP YhN<vZ}U!~  
    END /mex{+p>tO  
    _Vr- bpAf  
    BTOL 2                      !设置置信区间 C t,p  
    9&Jf4lC94  
    EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 "JB4 Uaa  
    EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 RpivO,   
    X0;u7g2Yz  
    TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             }nd>SK4  
    TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 SOOVUMj  
    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 \?xM% (:<Q  
                                                 数字100是指允许的最大调整值; %biie  
    g< j)  
    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 [CJ<$R !  
    fqgp{(`@>  
    GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 MGR:IOTa  
    STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 >WSh)(Cg  
    运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: ;qWu8\T+  
    9J3fiA_  
    接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 >yC=@Uq+  
    a^ %iAe  
    在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
    Ehx9-*]  
    eYUb>M)  
    r2=@1=?8  
    现在测试最坏的透镜。点击 ,在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
    ,s[%,ep`  
    N p"p*O  
    w2DC5ei'  
    图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
    u} ot-!}Q  
    于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: =^4Z]d  
    FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 +RooU?Aq  
    PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 N:lfKI  
    FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 ~|+ ~/  
    t(z]4y  
    PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 s)1-xA{'.  
    PANT 9;@p2t*v  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 ~lj[> |\Oj  
    VLIST TH 2 4 6 `Lr], >aG  
    END yvd)pH<a2  
    sA2-3V<t8  
    AANT 2HeX( rB  
    GSO 0 1 5 M 0 j"qND=15  
    GNO 0 1 5 M 1   \&Yn)|!  
    END M"3"6U/e  
    SNAP jK w 96  
    EVAL   !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 =-U0r$sK+F  
    Z8SwW<{ $  
    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 k\f _\pj6  
    PANT pfN(Ae Pt  
    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 CHgip&(.F  
    VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 $[|(&8+7  
    VY 5 YDC 2 100 -100 o[ 5dR<  
    VY 5 XDC 2 100 -100 !&:=sA  
    VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 Bj@>iw?g'  
    END bZ`v1d (r  
    AANT vIV|y>;g  
    GNO 0 1 4 M 0 0 0 F CWdsOS=  
    GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   2K}49*  
    END QEyL/#Q  
    SNAP ~i.*fL_Y  
    SYNO 30 X*2W4udF  
    PT/Nz+  
    PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 eCGr_@1  
    N~)-\T:ap  
    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。 =D1  
    SQN?[v  
    "Rj PTRe:  
    图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
    ~q`!928Gu  
    再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: H*W>v[>  
    x%mRDm~-  
    /QXUD.( 8  
    B>2R-pa4~  
    '<Zm>L&  
    相应的局部放大轴上视场直方图
    noWF0+ %  
    打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: 7]VR)VAM  
    s#X/ F  
    F6\{gQ<E  
    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: B;9,Qbb  
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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!