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 $<=d[6 n|T$3j) 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: )mAD <y+ RLE !读取镜头文件 OXZK|C;M} ID F10 APO !镜头标识 T
;84Sv WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 ~mvv
:u APS 3 !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 b^<7a& UNITS INCH !透镜单位为英寸 SJc*Rl>
OBB 0 0.5 2 -0.01194 0 0 2 !物体类型为OBB,0-入射边缘光线角度(针对无限远物),0.5-半视场角,2-半孔径,-0.01194-表面1上主光线高度,负号是指光线在图像下端;后面三个参数表示光线在X-Z平面的相应值 0 AIR !物面处于空气中 gkTwGI+w 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 [giw(4m#y 1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887 !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 4_2oDcdf 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 !]7b31$M_ 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 ;D-k\kv 2 AIR !表面2处于空气中 Hr] 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 7)O+s/.P) 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 9X1vL 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 k[ pk R{e 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 sAA;d 4 AIR !表面4处于空气中 !.iFU+?V 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 kuLur)^ 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 Je"XIhBr 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 Ap"%%D^{: 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 >e.vUUQ{ 6 AIR !表面6处于空气中 =d~pr:.F 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 L`O7-'`
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 s/>0gu]A8 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 *yZta:(w-W 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 A=ez,87 END !以END结束 ??#EG{{ ~z41$~/ e50xcf1u 运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:[attachment=98428] S+eu3nMq
6v}q @z
图1 消色差透镜的初始设计 DBu8}2R 点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: xrNe:Aj
[attachment=98447] 6r%i=z
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 R;U4a2~ 而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 #U3q
+d+^
[attachment=98448] N`X|z
得到玻璃的色散图如下: &>Y.$eW_
[attachment=98450] it>l?h7 I
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: 8WQc8
[attachment=98451] +#UawYLJ
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。 ?hp,h3s;n$ 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。 KdTWi;mV2- 2}.~
6EU/
[attachment=98452] Jfv'M<I
6>&(OV 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。 S;#7B?j !iX/Ni: 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。 hSps9*y
[attachment=98453] K-c>J
uv&,
?vik2RW 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: ,k@iNid
[attachment=98454] t!FC) iY
"9 vL+Hh 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: d[H`Fe6h :UKc:JVNM
[attachment=98429] hv|-`}#0
EuVA"~PA 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 NP!LBB)=Y 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: u?z,Vs" PANT !参数输入 d?/g5[ 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 R$eEW"] VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 ]R09-s 0$7 END !以END结束 ka`}lR iK5[P AANT !像差输入 t="nmjQs AEC !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 XVKRT7U ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 p gv, Su GSO 0 1 4 M 0 0 !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; Z%
`$id GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 OwDwa~ GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 G ,`]2'(@ END !以END结束 UQb|J9HY4 7D~~<45ct SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 I34
1s0 SYNO 30 !迭代次数30次 Z#kB+.U 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'。 %w!x \U V
i8*(J-M
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 s,|v,,<+ 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: >V%.=})K CHG !改变镜头 G]Im.x3O- NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 Y$ KR\ m END !以END结束 +}mj;3i PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 r"VNq&v]9 }_+) :<Db
[attachment=98455] lm{4x~y$h
@c>MROlrlF 离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 3?+t%_[
[attachment=98456] je%y9*V
aOUTKyR ~ 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 TTo?BVBK
[attachment=98457] M@pF[J/
'+GYw$ 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: m&MZn2u[4i CHG $9G".T 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 x|Ms2.! END M~9IL\J^G VAdUd { 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: i\K88B&24
[attachment=98458] {s2eOL5I|%
90=gP 其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 g6][N{xW0 在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 lI9|"^n7F
[attachment=98436] I5Rd~-="G 预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 3)(uC+?[ 透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 b:
I0Zv6 P;IM -]
[attachment=98434] !H9zd\wc 现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? IY@N 在CW中输入THIRD SENS: lvR>%I0`* :vFYqoCn
[attachment=98426] J8&0l&~6 PaDm"+H@ SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。 E6?0/" m9ky?A, 优化宏代码如下: \rH0=~F-P PANT F]RZP/D` VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 8b25D|8l VLIST TH 2 4 HoZsDs.XZ END v\=k[oOu
AANT hXc:y0
0 AEC V#~.n;d ACC C&.Q|S2_ M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; l%
{<+N GSO 0 1 5 M 0 0 U@}P]'`'f GNO 0 .2 4 M .75 0 7aHP;X~0 GNO 0 .1 4 M 1.0 0 | tFg9RT END Ece=loV*l SNAP {@t6[g++ SYNO 30 87R$Y> V @3?dI@i( 1f$1~5Z 优化后的透镜结果,如图4所示: 5^N`~ ?oU5H
[attachment=98431] 8HWEObRY
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 V~QOl=`K: Et;Ubj"+ 现在的THIRD SENS为: H<l0]-S{
[attachment=98427] W: 3fLXk+
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 M1K[6V! jf=90eJc 新BTOL宏代码如下: 6D4 j];~X CHG *nHkK!d<N NOP U;Yw\&R |