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 #9@UzfZAwT o<i\1<eI 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: "v5jYz5M RLE !读取镜头文件 43o!Vr/S ID F10 APO !镜头标识 [!>DQE WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 Z oQPvs7_ 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。 OC_i, UNITS INCH !透镜单位为英寸 fTV}IP
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 ]dQ 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 E'F87P ^> 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 ](sT,' 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 MDOP2y`2i 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 ZD`0(CkXb 2 AIR !表面2处于空气中 ]MV=@T^8# 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 iig@$
i# 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 '645Fr[lg 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 @hIHvLpRB 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 Vi\kB% 4 AIR !表面4处于空气中 >R2o7~ 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 'n4
iW 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 S"Mm_<A$@ 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 dp#'~[ j 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 [[VB'Rs 6 AIR !表面6处于空气中 qb7ur; 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 J={IGA
6 UMC -0.05000000 !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。 6 TH 39.24611007 !表面6的厚度 b0lZb' 6 YMT 0.0000000 !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 R{SN.% {; 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 RI-)Qx&!f END !以END结束 Tn(c%ytN nM6/c '7/c7m/$X< 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] xBKis\b
kJG0X%+w
图1 消色差透镜的初始设计 s2iL5N|"Q 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: |;(0]
[attachment=98447] CxJkT2
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。 tAH0o\1; 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’。 1JSKK.LuJV
[attachment=98448] Pvu*Y0_p
得到玻璃的色散图如下: 2vx1M6a)L
[attachment=98450] @6:J$B~)u
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: )MU)'1jc,
[attachment=98451] +JRPd.B"@
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。 =hDFpb,mr 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。 D0a3%LBS/2 oBZzMTPe
[attachment=98452] Z^SF $+UN
kxVR#: 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。 =P\Tk)(` ]J>{ZL 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。 ?wYvBFRn7"
[attachment=98453] l!YjDm{E
S67>yqha 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: :ZP`Y%dt'
[attachment=98454] ^=V b'g3P~
$ @Fvl-lK 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: z]O,Vqpl? NoG`J$D
[attachment=98429] |>L|7>J{<d
GtSvb6UNn 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 hj|P*yKV 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: Ec;{N PANT !参数输入 1feS/l$ 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 -cW'g VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 ^t#W?rxp& END !以END结束 hAv.rjhw_
( :ObxJ* AANT !像差输入 huw|J<$ 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 oD>j26Q ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 {Mx3G*hr 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; ?,0 5!] GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 |'" 17c& GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 [$[1|r
*Q END !以END结束 +X &b "o.g}Pv SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 F1aI4H<(T SYNO 30 !迭代次数30次 h8me.=S& 优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 g(Dr/D
S LSbEm
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 [h^>Iq
(Z 接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: 6~_TXy/ CHG !改变镜头 tjIT4 NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 Hp!c\z; END !以END结束 mcB8xE PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 //_aIp H6I]GcZ$
[attachment=98455] 7-u['nFJ
c
Oi:bC@ 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。 )lsR8Hi8
[attachment=98456] X|iWnz+^
@CJ`T& 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。 sa26u`?
[attachment=98457] ]gHi5]\NC
2y0J~P! 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: ,-GkP>8f( CHG D#I^;Xg0h 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 =T0;F0@#4 END ySEhi_)9^ ~&
@UH 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: fi.[a8w:W
[attachment=98458] +4Uxq{.K
$V0G[!4 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。 wVms"U. 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。 5RysN=czA
[attachment=98436] ][IEzeI_LN 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。 BlrZ<\-/ 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。 h/a|-V}m& RMfKM!
vE
[attachment=98434] 1'G&PX 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? SZhW)0 在CW中输入THIRD SENS: i6@c@n XFiP8aX<
[attachment=98426]
RrG5`2 \(db1zmS~ 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。 *49lM; x&kM /z?/ 优化宏代码如下: [10y 13 PANT c :{#H9 VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 UbnX%2TW VLIST TH 2 4 Mt93YD-2+ END G'M;]R9EP AANT $xK2M AEC aGR!T{` ACC KT>eE M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; y|7sh GSO 0 1 5 M 0 0 Hv~&RZpe GNO 0 .2 4 M .75 0 ]#fmih^ GNO 0 .1 4 M 1.0 0 &P@dx=6d END (1pR= SNAP B,_/'DneQK SYNO 30 z3bRV{{YqN ,_$}>MY; $q
iY)RE 优化后的透镜结果,如图4所示: a^ __Z3g, oE
H""Bd
[attachment=98431] s6k@W T?"^
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 [@&0@/s*t' IOjp'6Yr 现在的THIRD SENS为: YXi'^GU@
[attachment=98427] bl8EzO
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 ^]cl:m=* ,DZoE~ 新BTOL宏代码如下: x/B1\U
I CHG (T9Q6\sa NOP `Nnaw+<] END =Lc!L
!(,b >STAPrBp+ BTOL 2 !设置置信区间 L2,.af6+ )43\q Iu\ EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 v/m} {&K EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 ,'nd~{pX"( l:i&l?>_ TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 QH d^?H* TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 ]VCVV!G_=n 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 tpY]Mz[J 数字100是指允许的最大调整值; $5]}] 5{"v/nXV 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 wqnHaWd* nZbINhls GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 d:X@zUR*) STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 i!a.6Gq 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: VL?sfG0
[attachment=98435] X7g@.Oy` 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。 mM $|cge"
[attachment=98459] Lhz*o6)
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: 6L!/#d0
[attachment=98460] +v.<Fw2k#
h]>QGX[kC
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。 %4QpDt
[attachment=98432] {O=PVW2S
=]
+owl2
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 Ct<]('Hm( 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: B4Fuvi 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 CiNOGSlDj PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数
F%tV^$% FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 Dx5X6 t9= M/mm2?4 PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 LsI8T
uv PANT GiK4LJ~cH) VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 Q;xJ/4 Z" VLIST TH 2 4 6 }`~n$OVx END ib\_MNIb B6 yTD7 AANT 6KRC_- GSO 0 1 5 M 0 }1#prQ0F GNO 0 1 5 M 1 bk=ee7E7> END xjy(f~' SNAP 0g`$Dap 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 FPE%h=sw OfK>-8 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 S?[@/35)
PANT ;EB^1*AEw 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 %#<MCiaK VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 0NF=7 j VY 5 YDC 2 100 -100 TYKs2+S6 VY 5 XDC 2 100 -100 ^)UX#D3b VY 6 TH !改变表面6的厚度 AnK~<9WQj END DS1{~_>nFu AANT vB%os Qm GNO 0 1 4 M 0 0 0 F 7|PB6h3 GNO 0 1 4 M 1 0 0 F i*((@: END 4q"4N2 SNAP .%EYof SYNO 30 B#G:aBCM o/6VOX PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 U0;pl2 ni85Ne$ 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 Ki
[attachment=98433] SJ2l6
$Jo4n>/
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 `=$p!H8 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: TI|h
[attachment=98462] DF>3)oTF
w>o/)TTJL
[attachment=98463] *M^<oG
7^7Jh&b)/
相应的局部放大轴上视场直方图 PX*}.L *x
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: bC/Ql [attachment=98465] 9:P\)'y?
TwsI8X
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: suS[P?4 [attachment=98464]
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