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 _Xqa_6+/ {}n]\zO % 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: R9&3QRW| RLE !读取镜头文件 uGc0Lv4i/ ID F10 APO !镜头标识 IDY2X+C#U WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 ` ;}w!U 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。 "*bP @W UNITS INCH !透镜单位为英寸 94}y,\S~
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 mx!EuF$I 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度
Nd h 1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887 !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 /prR;'ks 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 si,)!%b 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 {y%|Io`P 2 AIR !表面2处于空气中 RxYC]R^78 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 %Q080Ltet 3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445 !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 T!jMh-8 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 1\X_B`xwD 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 <~Oy3#{ 4 AIR !表面4处于空气中 xG1(vn83gq 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 #z5$_z?_ 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 u- }@^Y$M 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 6pdek3pOCt 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 }rQ0*h 6 AIR !表面6处于空气中 <'N~|B/yZ 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 Y '+mC
6 UMC -0.05000000 !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。 6 TH 39.24611007 !表面6的厚度 0JXXJ:d B 6 YMT 0.0000000 !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 7$JOIsM 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 -y'tz,En. END !以END结束 DP.Y<V)B >H,5MM!
.Q!p Q"5 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] @x@wo9<Fc
emMk*l,
图1 消色差透镜的初始设计 -7IRlP& 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: (XNd]G
[attachment=98447] Kw =RqF
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。 "!R*f $ 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’。 w&>*4=^a
[attachment=98448] 8
+mW
得到玻璃的色散图如下: {yFMY?6rf
[attachment=98450] f%/6kz
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: 8K9RA<
[attachment=98451] #('GGzL6c
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。 J6mUU3F9f 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。 2<E@f0BVAy G2dPm}s ZG
[attachment=98452] Dn48?A[v
6t{G{ ] 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。 TPA*z9n+B 5^Ny6t 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。 tP89gN^PA|
[attachment=98453] o]B2^Yq;x
tN;^{O-(V 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:
N8)]d
[attachment=98454] c27Zh=;Tj
a5/r|BiBK 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: v.53fx +bk+0k9k5
[attachment=98429] {8556> \~
BKK@_B" 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 ~xJ^YkyH 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: _^D -nk? PANT !参数输入 #V.u[:mO 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 "iJAM`Hi VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 G_}oI|B END !以END结束 Rl'xEtaN j:$Z-s AANT !像差输入 +hcJ!$J7 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 (ZP e{;L. ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 f\z9?Z(~ 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; {KSy I# GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 hyY^$p+ GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 SduUXHk END !以END结束 . |`) k AD>/#Ul SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 |M EJ)LE7 SYNO 30 !迭代次数30次 hVdGxT]6 优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 !Pu7%nV.
Q6n8 ,2*
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 Ch]q:o4 接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: Mo]iVj8~ CHG !改变镜头 +&*>FeJY NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 G+WCE* END !以END结束 bd3>IWihp PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 `FK qVd .UU)
[attachment=98455] W+.?J
60
r#d]"3tH 离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 <)+;Bg
[attachment=98456] ;1k_J~Qei
OA7=kH@3c 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 wKJK!P
[attachment=98457] v%QCp
)5TX3#=;(G 现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: :~p_(rE CHG BbI),iP 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 ?[
D6|gp END nZ`=Up p) .yb8<q s 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: vIFx'S~D
[attachment=98458] /sVmQqVY
0qBXL;sE 其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 O>ZJOKe 在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 U}{\qs-z t
[attachment=98436] Q8DKU 预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 `U;V- 透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 ^fM=|.? iz-O~T/^
[attachment=98434] ?#__# 现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? }J=z O8OL 在CW中输入THIRD SENS: 7.C]ZcU K$M,d-
`b
[attachment=98426] tdC
kvVE &HJ~\6r\ 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。 ,aa
%{ 4;w#mzd 优化宏代码如下: .|K\1qGW0 PANT 87nsWBe VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 *kDV ^RBfq VLIST TH 2 4 b*a}~1 END cH7D@p} AANT 98WJ"f_ # AEC =k+i5:@] ACC n6*;
~h5 M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; g:"Hg-s GSO 0 1 5 M 0 0 ? oGmGKq GNO 0 .2 4 M .75 0 fVBRP[, GNO 0 .1 4 M 1.0 0 T0}P 'q END ;}k_2mr~ SNAP " 2@Ys*e SYNO 30 CY9`HQ1 J~G"D-l<9/ p|w;StLy 优化后的透镜结果,如图4所示: dk2o>jI4; o6
[i0S
[attachment=98431] yM34G S=,J
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 0M>%1* *$>$O% 现在的THIRD SENS为: Eb9M;u
[attachment=98427] 7h/{F({r=
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 M,UYDZ', GgjBLe=C 新BTOL宏代码如下: AwL;-|X CHG __||cQ NOP jfrUOl'l END 2!Ex55 ~LzTqMHM BTOL 2 !设置置信区间 ';7|H|,F ,K[B/tD{j EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 ^SRa!8z$W EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 FJ&zU<E 1')/ BM2 TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配
( ]o6Pi TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 Sq==)$G 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 J XnPKAN 数字100是指允许的最大调整值; 63-
YWhs; @.iOFY 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 >Y< y]vM: E]Hl&t/} GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 I@q>ES!1H STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 Qi7^z; 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: (jYs_8;
[attachment=98435] 9Au+mIN 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。 XT_BiZ%l5O
[attachment=98459] Vt4}!b(O
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: ig/716r|
[attachment=98460] 49Ue2=PP#
Tm^zoVi
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。 )Bk?"q
[attachment=98432] .]H]H *wC
[l5"'{x
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 emS +%6U 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: HNuwq\w 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 2i(|? XJ^ PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 7<^D7 FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 n7q-)Dv_U PvT8XSlTx! PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 M7Hk54U+t PANT \a]\jZb VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 6eK^T= VLIST TH 2 4 6 83l)o$S END {Rj' =%h (Fgt #H(B AANT r IK|} 5 GSO 0 1 5 M 0 ?s"v0cg+ GNO 0 1 5 M 1 *u{.K:.I END F<(xz= SNAP kyo ,yD 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 dju&Ku
NxX1_d 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 wD,F=O PANT }lb.3fqiA 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 V!<#E)-?< VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 S8)awTA9 VY 5 YDC 2 100 -100 VD3[ko VY 5 XDC 2 100 -100 +li^0+3-' VY 6 TH !改变表面6的厚度 =W|Q0|U END ,6buo~?W: AANT L2h+[f GNO 0 1 4 M 0 0 0 F 3CHte*NL= GNO 0 1 4 M 1 0 0 F G\NCEE'A END ]Ojt3)fB SNAP $WPN.,7 SYNO 30 pq&c]8H `WW0~Tp3 PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 9,c>H6R7 `cv:p|s 运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 /&dt!.WY^
[attachment=98433] 2$ rq
mDmWTq\
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 &sRJ'oc 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: l&A`
[attachment=98462] *sG<w%%
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[attachment=98463] '~cEdGD9H
UiEB?X]-l'
相应的局部放大轴上视场直方图 Vi|jkyC8
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: .e AC!R [attachment=98465] W%W.
+f
t}FMBGo[
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: yW&iUh=0 [attachment=98464]
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