首页 -> 登录 -> 注册 -> 回复主题 -> 发表主题
光行天下 -> SYNOPSYS -> SYNOPSYS代码详解-消色差透镜设计及公差分析 [点此返回论坛查看本帖完整版本] [打印本页]

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
=F-^RnO%\  
F"TI 9ib  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: j1CD;9i)%  
RLE                                                     !读取镜头文件 aC]l({-0  
ID F10 APO                                        !镜头标识 !! #ale&  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 R[-:-8  
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。 &rWJg6/  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 nt`l6b  
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 ?vNS!rY2&  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 3n)iTSU3  
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 |MrH@v7S  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 uM<+2S  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度  o%4+I>  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 sU!q~`; J  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 > V}NG  
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 ;mxT >|z  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 m D q,,  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 .Vjpkt:H  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 Y }d>%i+  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 5h7DVr!  
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 J(VZa_  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 sb5kexGxkc  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 sgsMlZ3/  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 U}Fk%Jj  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 G ~\$Oq8  
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 EwZt/r  
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 ;9sVWJJCw  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 HJrg  
END                                                                                  !以END结束 Gukq}ZQd  
e%>E| 9*u  
b#^D8_9h  
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] 4f-C]N=  
NFPkK?+  
图1 消色差透镜的初始设计
J>v>6OC6i  
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: NtL?cWct  
[attachment=98447] (o=iX,@'2  
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。 o#b9M4O  
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’。 Q+N @j]'  
[attachment=98448] Ms3/P|{"p  
得到玻璃的色散图如下: a]ey..m  
[attachment=98450] }N!8i'suz9  
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: <#` L&w.  
[attachment=98451] QKQy)g  
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。 f& *E;l0  
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。 %"V,V3kw4  
@@&;gWr;  
[attachment=98452] XA%?35v~  
d|lzkY~  
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。 7.-|3Wcg  
7n.J.<+9  
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。 s5@^g8(+C  
[attachment=98453] #+ =afJ  
=!aV?kNS8  
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: GM~jR-FZ  
[attachment=98454] Pr'py  
KDk^)zv%!  
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: F"I@=R-n  
<jjaqDSmz  
[attachment=98429] mmti3Y  
ZN/")  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 BZsxf'eN'  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: 'UCL?$  
PANT                                            !参数输入 >~k Y{_  
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 *2Kte'+q  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 b9Nw98`  
END                                              !以END结束 &40d J~SQ  
gUl Z cb  
AANT                                           !像差输入 Pc-HQU  
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 NO)* UZ  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 mqpZby  
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; 1l{n`gR  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 -i4gzak  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 [a2/`ywdV  
END                          !以END结束 H>?@nYP  
-lHJ\=  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 v?J2cL  
SYNO 30                  !迭代次数30次 Fej$`2mRH  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 Z]dc%>  
6$Y1[  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
a+d|9y/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: Fwtwf{9I  
CHG                    !改变镜头 ,wjL3c  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 C" {j0X`  
END                     !以END结束 0nX5 $Kn  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 5 ,HNb  
(s~hh  
[attachment=98455] N|; cG[W  
m`|+_{4[n  
离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 /TdTo@  
[attachment=98456] S<44{ oH  
6+>rf{5P7  
透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 f>o@Y]/l  
[attachment=98457] 6_7d1.wv9  
q~Ud>{  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: 1*5n}cU~  
CHG q\\J9`Q$J  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 94+#6jd e  
END 5|Uub ,  
+oc}kv,h]  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: 6 J#C  
[attachment=98458] ZD*>i=S  
Jx_4:G  
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。 a v/=x  
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。 ^^Y0 \3.  
[attachment=98436]
X^?-U ne  
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。 p"ZPv~("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。 q /#O :Q  
m{X;|-DK[  
[attachment=98434]
ezL*YM8?@  
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? M9MEQK  
在CW中输入THIRD SENS: @{j-B IRZ0  
{Su]P {oJ  
[attachment=98426]
8.@ yD^'  
k[][Md2Vh  
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。 l{ k   
Z]aSo07  
优化宏代码如下: *J6qL! ["  
PANT $*tuv ?  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 \.{?TB  
VLIST TH 2 4 lB,MVsn18  
END 79&Mc,69  
AANT &" b0`&l  
AEC Vi]D](^!  
ACC d;f,vN(  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; SkxTgX5  
GSO 0 1 5 M 0 0   T_r[#j  
GNO 0 .2 4 M .75 0   M 3^p,[9r#  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   ~_K   
END Od"-w<'  
SNAP m^`X|xK-  
SYNO 30 pt=[XhxC(>  
NKd):>d%  
RgEUTpX  
优化后的透镜结果,如图4所示: GU!|J71z  
n32?GRp  
[attachment=98431]
]TGJ|X  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
4((Z8@iX/  
%$b 5&>q  
现在的THIRD SENS为: $ \jly  
[attachment=98427]
u+{5c5_  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
|%$d/<<PZ  
ow+NT  
新BTOL宏代码如下: L&l> ?"_  
CHG 2t_E\W7w+  
NOP #* w$JH  
END \2 W( >_z  
2-2'c?%  
BTOL 2                      !设置置信区间 CvlAn7r,@  
)U8F6GIC&}  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 MECR0S9  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 Yzd-1Jvk  
!zD| @sX{  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             N#|c2n+  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 IN_GL18^MV  
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 >GqIpfn  
                                             数字100是指允许的最大调整值; <OpiD%Ctx  
Dz.U&+*  
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![h  
gJ2R(YMF  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 w W-GBY3  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 !5x"d7  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: i;yz%Ug  
[attachment=98435]
N+h|Ffnp  
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。 Ie``W b=  
[attachment=98459]
bvZmo zbD  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
t,+p!"MRY  
[attachment=98460] u{8Wu;  
%Sj;:LC  
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。
nLYyS#  
[attachment=98432] B,}%1+*  
'v4AM@%u  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
P%.9g  
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: vw3%u+Z&  
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 owQLAV  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 8> Gp #T  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 ](^VEm}w;  
AQ@A$  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 `Q}.9s_ri  
PANT q18dSu  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 {_PV~8u  
VLIST TH 2 4 6 8&H1w9NrX_  
END iQ~cG[6  
G| ^tqI  
AANT ("wPkm^  
GSO 0 1 5 M 0 jUdW o}/  
GNO 0 1 5 M 1   3)I v8mA  
END >(*jL  
SNAP h (jg7R  
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 ykM(` 1` m  
foaNB=,  
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 L<J%IlcfO  
PANT wN"irXG  
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 BB=%tz`B  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 BwrMRMq"  
VY 5 YDC 2 100 -100 7vgz=- MZ#  
VY 5 XDC 2 100 -100 `ffWV;P  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 B +_D*a  
END NcRY Ch  
AANT h?fv:^vSi  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F `<q{8  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   O3B\K <l  
END Va?wG3w  
SNAP dLG5yx\js  
SYNO 30 ExV>s*y  
GXJJOy1"!  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 866n{lyL  
&&TQ0w&T  
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。 cD]{ Nn  
[attachment=98433] '9H]S Ew  
#W'jNX,h  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
3>/Yku)t  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: &PgbFy  
[attachment=98462] 3x.|g   
^=FtF9v  
[attachment=98463] M%sWtgw(  
M*{ EK  
相应的局部放大轴上视场直方图
?,TON5Fl-  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: Yc+ /="&z  
[attachment=98465] #Z(8 vA^@  
zr2%|YF  
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: OT\[qaK  
[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!
查看本帖完整版本: [-- SYNOPSYS代码详解-消色差透镜设计及公差分析 --] [-- top --]

Copyright © 2005-2024 光行天下 蜀ICP备06003254号-1 网站统计