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小火龙果 2020-02-20 17:28

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  
$nVTN.k  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: ?;*mSQA`J  
RLE                                                     !读取镜头文件 1"'//0 7  
ID F10 APO                                        !镜头标识 7e40 }n  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 Gzs x0%`)  
APS 3           !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 kxdLJ_  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 DB*IVg  
OBB 0 0.5 2 -0.01194 0 0 2     !物体类型为OBB,0-入射边缘光线角度(针对无限远物),0.5-半视场角,2-半孔径,-0.01194-表面1上主光线高度,负号是指光线在图像下端;后面三个参数表示光线在X-Z平面的相应值
0 AIR                                                                        !物面处于空气中 2"mO"2d%  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 s<5t}{x  
1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887  !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 H"-p^liw  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 \nJr jH A  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 3!d|K%J  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 Pc$<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@_MY o  
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 ny MA%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&Mc NO6"  
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 6 C  
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] @@I2bHy vb  
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_Jp 9  
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$Be  
Ot(EDa9}IJ  
[attachment=98455] 56L>tP  
6KV&E8Gn  
离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 4cs`R+]o  
[attachment=98456] ey y&JjVs  
Kr8p:$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` /n sou  
END koaH31Q  
)0/ D Y  
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 <E G  
[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_FJNzL  
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
5 LXK#+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 8vc4J5  
NOP O:#t> ;  
END Gz$DsaG  
^yjc"r%B  
BTOL 2                      !设置置信区间 .2Gn)dZU  
x@(91f  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 >.QD:_@:  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 Ca]vK'(  
+-`Q}~s+  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             F5{~2~Cw(  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 N!r@M."  
ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 Vh4z+JOC  
                                             数字100是指允许的最大调整值;  X1y1  
0;r+E*`DA  
PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 '2v,!G]^  
0 UjT<t^F  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 Y!CZ?c) @  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 |L<oKMZY  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: # 1I<qK  
[attachment=98435]
u!X[xe;  
接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 _9""3O  
[attachment=98459]
O. @_2  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
.kvuI6H  
[attachment=98460] 6^}GXfJAc  
4s.wQ2m  
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
Yq3(,  
[attachment=98432] ;sCX_`t0E  
/V-7u  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
e2k!5O S  
于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: rJ KX4,M  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 x>p=1(L  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 .KTDQA\  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 nEyP Nm )  
5|wQeosXxI  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 wz T+V,   
PANT C&K%Q3V  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 <iv9Mg}  
VLIST TH 2 4 6 ZXe[>H  
END q$~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;OxH"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] 8mV`|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]
怀儿你大哥 2022-01-10 17:14
很好的文章
zh_rj 2022-01-26 11:31
谢谢楼主分享!!
coollwl 2023-05-04 22:48
资料非常不错,必须点赞!
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