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 ve.4""\a $nVTN.k 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: ?;*mSQA`J RLE !读取镜头文件 1"'//0
7 ID F10 APO !镜头标识 7e40 }n WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 Gzs x0%`) APS 3 !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 kxdLJ_ UNITS INCH !透镜单位为英寸 DB*IVg
OBB 0 0.5 2 -0.01194 0 0 2 !物体类型为OBB,0-入射边缘光线角度(针对无限远物),0.5-半视场角,2-半孔径,-0.01194-表面1上主光线高度,负号是指光线在图像下端;后面三个参数表示光线在X-Z平面的相应值 0 AIR !物面处于空气中 2"mO"2d% 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 s<5t}{x 1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887 !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 H"-p^liw 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 \nJrjHA 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 3!d|K%J 2 AIR !表面2处于空气中 Pc$<Cv|vz
3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 ja:%j&: 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 $$8"i+,K 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 %xg"e
O2x 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 <1@_MYo 4 AIR !表面4处于空气中 8U8"k 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 ;Y~;G7 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 3QF!fll^ 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 bc&:v$EGy 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 S`R
( _eD@ 6 AIR !表面6处于空气中 0zEn`rq& 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 n3)g{K^
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 W=|B3}C? 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 nyMA%9,B 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 2L,e\]2Z END !以END结束 #fFEo)YG f2d"b+H# X&McNO6" 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] 2V
=}V`O>
图1 消色差透镜的初始设计 S'A~9+ 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: p%G\5.GcJL
[attachment=98447] FV^kOz
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。 GI~;2 `V 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’。 r67 3+
[attachment=98448] ;%%=G;b9
得到玻璃的色散图如下: 5%W3&F6%
[attachment=98450] N.VzA
6C
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: `yVJ `}hm
[attachment=98451] *|4~
0w
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。 %;zA_Wg 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。 R{*p\; G q:7d]c~T
[attachment=98452] x^SE>dy ?z
."h;H^5 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。 Tn-H8;Hg gHm^@ 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。 f[%iRfUFw
[attachment=98453] @@I2bHyvb
E(S}c*05O 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: jm*v0kNy
[attachment=98454] J"SAA0)@
bhg"<I 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: fygy#&}~ PS6G 7
[attachment=98429] zL>nDnL 4
MLp5Y\8* 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 !Hgq7vZG 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: 1~_]"Y' PANT !参数输入 2
{31" 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 u2F
3>s VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 ~fS#)X3 D END !以END结束 s~TYzfA NcPzmW{#;g AANT !像差输入 tw.%'oJ7 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 M ,<%j ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 'QkL%z0 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; x-q er- GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 L6',s4 GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 Q}1PPi, END !以END结束 j7i[z>:Y *ZY{^f SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 v_Jp9 SYNO 30 !迭代次数30次 m(&ZNZK 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'。 / P{f#rV5
2Ejs{KUj
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 T$k) ^' 接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: Ib!`ChZ CHG !改变镜头 y_a~>S NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 [.0R"|$sy+ END !以END结束 8mMrGf[Q\ PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 ";xG[ne$Be Ot(EDa9}IJ
[attachment=98455] 56L>tP
6KV&E8Gn 离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 4cs`R+]o
[attachment=98456] eyy&JjVs
Kr8p:$D}; 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。 rYc?y
[attachment=98457] lMlXK4-
<}B]f1zX 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: CjIkRa@!x CHG uD<*g(R 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 R`/nsou END koaH31Q )0/DY 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: @aBZ|8
[attachment=98458] Z\NC+{7k]
jp2l}C 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。 DGp'Xx_8 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。 )%)?M
*
[attachment=98436] ;)UZT^f`)K 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。 eZf-i1lJ 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。 G&:YgwG 9t;aJFI
[attachment=98434] Lw-)ijBW 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? EjvxfqPv 在CW中输入THIRD SENS: hcM 0?= e}aD<EG
[attachment=98426] L(}T-.,Slr I'J=I{p* 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。 TN` pai0 a_FJN zL 优化宏代码如下: F4d L{0;j PANT -rU *)0PR VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 <udp:s3#T VLIST TH 2 4 hC~lH eH END _RhCVoeB AANT ~)WE AEC l6)*u[}E ACC 3\6jzD M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; !AP|ozkL GSO 0 1 5 M 0 0 XPb7gd"%W GNO 0 .2 4 M .75 0 :m-HHWMN GNO 0 .1 4 M 1.0 0 QNn$`Qz. END #y2="$V SNAP /ptIxe SYNO 30 2 }+V3/ Y#C=ku +5 @8't 优化后的透镜结果,如图4所示: [ bE9Y; `W{Ye=|[d#
[attachment=98431] 7nfQ=?XNK
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 5LXK#+Z {Pu\KRU 现在的THIRD SENS为: BQt!L1))
[attachment=98427] Kkdd }j
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 Z#MPlw0B F|Jo|02 新BTOL宏代码如下: ;V`~'357% CHG 8v c4J5 NOP O:#t>
; END Gz$DsaG ^yjc"r%B BTOL 2 !设置置信区间 .2Gn)dZU x@ (91f EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 >.QD:_@: EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 Ca]vK'( +-`Q}~s+ TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 F5{~2~Cw( TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 N!r@M." ADJUST 6 TH 100 100 !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 Vh4z+JOC 数字100是指允许的最大调整值;
X1y1 0;r+E*`DA PREPARE MC !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 '2v,!G]^
0 UjT<t^F GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 Y!CZ?c)@ STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 |L<oKMZY 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: # 1I<qK
[attachment=98435] u!X[xe; 接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 _9""3O
[attachment=98459] O. @_2
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: .kvuI6H
[attachment=98460] 6^}GXfJAc
4s.wQ2m
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。 Yq3(,
[attachment=98432] ;sCX_`t0E
/V-7 u
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 e2k!5OS 于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: rJKX4,M FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 x>p=1(L PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 .KTDQA\ FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 nEyPNm) 5|wQeosXxI PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 wzT+V, PANT C&K%Q3V VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 <iv9Mg} VLIST TH 2 4 6 ZXe[>H END q$~S?X5\ 1 NLawi6 AANT "EQ}xj GSO 0 1 5 M 0 r]"
> GNO 0 1 5 M 1 |4x&f!%m END 3zMmpeq SNAP qS+'#Sn 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 FxD\F ?^5W.`Y2i 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 Y-7x**I PANT h9&<-k 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 %[&cy' VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 nS]/=xP{ VY 5 YDC 2 100 -100 W;Ox H"eC VY 5 XDC 2 100 -100 >LwAG:Ud VY 6 TH !改变表面6的厚度 M'R^?Jjb END /Y|9!{. AANT )u'oI_ GNO 0 1 4 M 0 0 0 F 2m/1:5 GNO 0 1 4 M 1 0 0 F VOp8 ,! END Kx ?}%@b SNAP DTAEfs!ZW SYNO 30 Xj?j1R>GB 6EP5n PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 KvkiwO( nLJ]tpw^DH 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。 0'c<EJ
[attachment=98433] IgR_p7['.
u.1u/o1"
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 nRb#M 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: R8O<}>3a
[attachment=98462] /M\S^!g@
3,S5>~R=
[attachment=98463] v=iz*2+X
M@
! {m
相应的局部放大轴上视场直方图 akrEZ7A
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: e8--qV#< [attachment=98465] 8 mV`|2>
YmNBtGhT
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: }eULcgRG [attachment=98464]
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