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 :LD+B1$y D 6F/9| 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: ypY7uYO^" RLE !读取镜头文件 iBqIV ID F10 APO !镜头标识 #s-li b WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 kk/vgte-)e APS 3 !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 D o!]t7Y$ UNITS INCH !透镜单位为英寸 =
8\'AU
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 ~#iAW@ 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 jHc/ EZB 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 _B\X&!G. 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 fq0[7Yb 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 s *<T5Z 2 AIR !表面2处于空气中 &sS]h|2Z5 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 bt?)ryu 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 Nv\<>gA: 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 |r53>,oR<: 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 CIf""gL9 4 AIR !表面4处于空气中 #pX +~{ 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 Bh!J&SM: 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 z0 _/JwJn 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 .n)0@X! 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 A>}]=Ii/ 6 AIR !表面6处于空气中 {>.qo<k 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 p9iCrqi
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 H3qL&xL 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 g?!;04 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 JT 5+d , END !以END结束 p2o66t O}"fhMk XBHv V05mv 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] OTwXc*2u]
2N_9S?a3sK
图1 消色差透镜的初始设计 ,5Tw5<S 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: DZ0\pp?S
[attachment=98447] Vq#_/23=$y
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。 F84?Mi{r2 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’。 2v\-xg%1
[attachment=98448] hdee]qLS
得到玻璃的色散图如下: ]mvVX31T
[attachment=98450] DR#[\RzNI
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: Q@#Gm9m
[attachment=98451] Qmn'G4#@E
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。 BcD%`vGJ 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。 K?aUIkVs t8FgQ)tk
[attachment=98452] +v'n[xa1v
XvW
$B| 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。 auQfWO[ u +)K yG 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。 9
!qVYU42(
[attachment=98453] ?GKm_b]JC
p h=[|P) 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: $~*d.
[attachment=98454] &:)e
VR0#" 现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: E.~~.2
%uLyL4*L(p
[attachment=98429] Sf0[^"7
4Vi&Y')f 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 QabYkL5@ 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: LlG~aGhel PANT !参数输入 \M`fkR,,' VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 ^@..\X9 VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 D?"TcA END !以END结束 %S<( z5 T"m(V/L$W AANT !像差输入 mDp|EXN 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 ~0>{PD$@ ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 tY=n("=2 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; 3M&75OE GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 lCyp&b#(L GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 &Wup
7 END !以END结束 {m%X\s;ni 5K*-)F
] SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 Sm%MoFf SYNO 30 !迭代次数30次 ]& qmV 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'。 %C[ ;&
cAc i2e
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 4q<:%
0M| 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: $0zH2W CHG !改变镜头 XDJQO /qN NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 2v<[XNX END !以END结束 o^!
Zt 9 PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 -h8!O+7 . %j=,c{`Q
[attachment=98455] ?%HtPm2< %
k|7XC@i]% 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。 ?Y~>H2
[attachment=98456] Pz"!8b-MN
LHWh-h(s 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。 *{)![pDYd
[attachment=98457] \(LHcvbb
6X:-Z3 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: {hM*h(W~3 CHG 5\tYs=>b< 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 w`VmN}pR END 'vTD7a^ 8C=Y(vPk2 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: N3H!ptn37
[attachment=98458] ;r[=q u\
8X]j;Rb 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。 I=^%l7 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。 Nu{RF
[attachment=98436] $/45* 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。 [:!#F7O- 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。 |P2GL3NR ^\mN<z(
[attachment=98434] k 9Kv 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? 4#=!VK8ZH 在CW中输入THIRD SENS: Pwz^{*u] 9#6ilF:F
[attachment=98426] g m], M)EUR0>8 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。 4aB`wA^x rsP-?oD8) 优化宏代码如下: gpr];lgS PANT =fi.*d?$7 VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 +.\JYH=yEr VLIST TH 2 4 [;5HI'px END !,\9,lc AANT uD:O[H-x AEC ~rY<y%K ACC +I\bs.84 M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; /yrR
f;}<O GSO 0 1 5 M 0 0 G';oM;~/| GNO 0 .2 4 M .75 0 r?/>t1Z GNO 0 .1 4 M 1.0 0 o
ohf)) END W {dx\+ SNAP +S%@/q SYNO 30 N'm:V )_2!1 s9`T% pg 优化后的透镜结果,如图4所示: KS(T%mk\ D|-]"(2i
[attachment=98431] u{p\8v%7
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 /e{Oqhf[n EUna_ 4= 现在的THIRD SENS为:
9CBB,
[attachment=98427] )cs
y^-qw
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 <"[}8 n{'
[[2U 新BTOL宏代码如下: <U,T*Ql1x CHG ,CM$A}7[ NOP i,yK&*>JJ END P<4jY?. #{
Uk4 BTOL 2 !设置置信区间 `XWxC:j3% ki+9Ln; EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 T.`%1S EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 (J^
Tss !&'xkw ` TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 ~C!vfPC TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 H8-,gV 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 1;:2 =8 数字100是指允许的最大调整值; [?IERE!xQ 1@nR.v"$ 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 uqO51V~ \GvVs GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 x(=kh%\; STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 f1~3y}7^Jq 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: v\MH;DW^Z
[attachment=98435] |[{;*wtv 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。 ;D^)^~7dh
[attachment=98459] l
E&hw
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: BklB3*n
[attachment=98460] 5W{>5.Arx)
`jZX(H
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。 ~hxB Pn."
[attachment=98432] TM^1{0;r5
.i=%gg
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 }zobIfIF 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: HRb_ZJz 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 5r+0^UAO:J PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 f^%E]ki FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 ]nQ$:%HP x1}q!)e PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 Czci6Lz PANT KqS2 VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 x!$,Hcph, VLIST TH 2 4 6 5AjK7[<L END .nSupTyG G1nW{vce AANT \YKh'|04 GSO 0 1 5 M 0 cUm9s>^)/ GNO 0 1 5 M 1 ,X$Avdc2 END t~a$|(
9 SNAP 6szkE{-/? 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 NuooA @LE?XlhD 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 3w9
]@kU PANT v|/3Mi9mz 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 o6y,M!p@ VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 XOeh![eMX VY 5 YDC 2 100 -100 !}PFi T^ VY 5 XDC 2 100 -100 z\E"={P& VY 6 TH !改变表面6的厚度 z1FbW&V END dI 5sqM: AANT 4bxkp3~h; GNO 0 1 4 M 0 0 0 F (O-)uC GNO 0 1 4 M 1 0 0 F x ?V/3zW END ZKR z=( SNAP ~`})x(! SYNO 30 ~4>Xi*
B -oZac PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 h/fCCfO, mWusRgj+8 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。 y{{EC#
[attachment=98433] vaf9b}FL
4'd{H
Rs
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 0`P]fL+& 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: }]~}DHYr
[attachment=98462] E?XCL8NC
I1myu Z
[attachment=98463] @gqw]_W
N#u8{\ |8]
相应的局部放大轴上视场直方图 Z M+Hb_6f
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: 0lRH
Yu [attachment=98465] NVjJ/
=_'cG:=)
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: reA8=>b/ [attachment=98464]
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