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 ]g/:l S4 r4X0.
mPY* 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: !xqy6%p RLE !读取镜头文件 @y"/hh_? ID F10 APO !镜头标识 5uo?KSX% WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 !06
!`LT 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。 &oU) ,H UNITS INCH !透镜单位为英寸 6"OwrJB
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 [9hslk 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 O_gr{L} 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 1KHFzx, 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 5ov F$qn 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 nM=5L:d 2 AIR !表面2处于空气中 2rzOh},RS 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 YI877T9> 3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445 !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 Ci?BJ, 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 ){D6E9 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 ZmXO3,sf) 4 AIR !表面4处于空气中 >EacXPt-O 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 ?j'Nx_RoX 5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133 !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 K@RE-K6{ 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 sxP1.= W 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 h?8I`Z)h 6 AIR !表面6处于空气中 nfj8z@! 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 6h?v/\
6 UMC -0.05000000 !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。 6 TH 39.24611007 !表面6的厚度 e$vvm bK. 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 >TKl`O 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 \H^A@f END !以END结束 .!oYIF*0zC SV?^i ` 8LPvb#9= 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] 4\#b@1]}
# $N)
图1 消色差透镜的初始设计 rDD,eNjG 点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: t.s;dlx[@
[attachment=98447] N I*x):bx
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 d~|/LR5 而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 X2[d15!9
[attachment=98448] s7 789pR
得到玻璃的色散图如下: 9%^IMUWA
[attachment=98450] +46m~" ]
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: 2F
z;TNS
[attachment=98451] lihV! 1
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 @L-] %C 如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 0etJ, _"> qr<+@Q
[attachment=98452] a,/wqX
jYxmU8 从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 "0V8i%a ~d9@m#_T#~ 于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 LQo>wl
[attachment=98453] =[
+)T[
(fTi1
I! 另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: n>o0PtGxC
[attachment=98454] l&2pUv=
Qt~QJJN?oF 现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: GV"X) tGo e.>>al
[attachment=98429] `h(*D
[
U`}) 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 Y+ Qm. 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: -qDM(zR PANT !参数输入 M3EB=tU VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 gP^p7aYwn VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 QcN$TxU > END !以END结束 jTh^#Q aj|gt AANT !像差输入 DxvD 1u 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 S O#R5Mu2N ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 0;X0<IV 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; @&F\ M} GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 'VQ
mK# GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 Be4n\c. END !以END结束 qN@-H6D1= *S?vw'n SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 `9vCl@"IV SYNO 30 !迭代次数30次 '7ps_pz 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'。 LEgx"H=c
CY?19Ak-xd
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 79y'PFSms 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: 9`|
^cL*6 CHG !改变镜头 8)m NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 ?>}&,:U} END !以END结束 {{+woL'C PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 WvVf+|Km >=VtL4K^
[attachment=98455] 6d#:v"^,
dp=#|!jc 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。 '>aj5tZ>R
[attachment=98456] S>N/K
AfqthI$*m 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 G8hq;W4@]/
[attachment=98457] .0ExHcr
x/]]~@: 现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: tEC`->| CHG m{VC1BkZ 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 E#^?M#C END #
ZcFxB6) n| [RXpAp3 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: Hp1n*0%dZ&
[attachment=98458] kA/V=xO<
<}z,!w8 其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 >}|Vmy[/ 在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 #>[5NQ;$'
[attachment=98436] LE>b_gQ$
2 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。 ?T\_"G 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。 g0M9v]c
q#|,4(Z
[attachment=98434] go[(N6hN 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? n>##,o|Vr# 在CW中输入THIRD SENS: dxwH C\"5 ??g `c=R!V
[attachment=98426] `GQ'yv k2t#O%_f 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。 idLCq^jnJ 4&a,7uVer 优化宏代码如下: O9Fg_qfuT_ PANT Ua](o H VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 .V'=z| VLIST TH 2 4 iTpU4Qsj END _=d
X01 AANT b :J$ AEC &
~*qTojj ACC szG 0?e M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; MRZ/%OZ. GSO 0 1 5 M 0 0 RbA.%~jjx* GNO 0 .2 4 M .75 0 Or9`E( GNO 0 .1 4 M 1.0 0 xOgUX6n END oyt#C HX SNAP r@9qjva SYNO 30 6~b]RZe7 9YjO
Xj+oV 优化后的透镜结果,如图4所示: Ohe*m[ LnY`f -H
[attachment=98431] zbM*/:Y
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 Y#[>j4<T Bx&F* a;5 现在的THIRD SENS为: ``j8T[g
[attachment=98427] MV.$Ay
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 Z/hk)GI MG6y 新BTOL宏代码如下: ))z1T 8 CHG K,o@~fj NOP zEu15!~ END \XI9 +::% w6w'Jx BTOL 2 !设置置信区间 HGJfj*JH qV`JZ\n EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 v7kR]HU[y EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 <GthJr>1D fvUD'sx TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 $F,&7{^ TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 pHpHvSI ADJUST 6 TH 100 100 !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 OYC\+
= 数字100是指允许的最大调整值; qp6*v& vKCgtk PREPARE MC !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 7:>VH>?D Zagj1OV| GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 Q'mLwD3> STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 6QC=:_M; 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: /e0cx:.w
[attachment=98435] 1; "t8.*%e 接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 zJJ6"9sl
[attachment=98459] M zbs#v0
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: *~0Ko{Avc
[attachment=98460] w_ sA8B
ggR--`D[
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。 8!c#XMHV
[attachment=98432] e yLVu.
mGK-&|gq
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 X%>Sio 于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: U.[?1:v FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 \f AL:mJ PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 1>!wm0;x FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 7wU$P jD
eNCJ PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 {ta0dS;1 PANT ?<#2raH- VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 i(k]}Di: VLIST TH 2 4 6 c T!L+zg END DrTo")T $j\UD8Hj'- AANT p`i_s(u GSO 0 1 5 M 0 +C(v4@=nd GNO 0 1 5 M 1 -a}d
@& END 3N] SNAP /W6r{Et EVAL !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 T|c9Swur t`XYY PHASE 2 !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 8?S)>-mwv PANT P2+Z^J`Y> VY 3 YDC 2 100 -100 !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 8jnz;;| VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 ,;2x.We VY 5 YDC 2 100 -100 )/hb9+S VY 5 XDC 2 100 -100 N1LZ XXY{ VY 6 TH !改变表面6的厚度 "^~>aVuXf END t1I` n(]n AANT ET&Q}UO E GNO 0 1 4 M 0 0 0 F
'kD~tpZ GNO 0 1 4 M 1 0 0 F O-M4NKl]6 END B>11 SNAP R tR5ij1 SYNO 30 c
4<~?L c==` r
C PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 ^r7-| W|PKcZ ]Uc 运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 nj7wc9z4
[attachment=98433] ?}N@bsl08w
+N9(o+UrU
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 }- Jw"|^W 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: t^=6czk
[attachment=98462] j]#-DIL
kW#{[,7r
[attachment=98463] #l(cBM9sz
(L)tC*Qjc
相应的局部放大轴上视场直方图 DO!?]"
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: u0md ^ [attachment=98465] !KUV,>L
0aMw
打开MPL对话框设置后,点击DWG得到透镜装配图,图中添加了空气间隙,倾斜角,还有偏心公差: Ba$Ibq,r/ [attachment=98464]
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