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 Fp@TCPe# .zS?9MP 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: , 3,gG" RLE !读取镜头文件 %T X@I$Ba ID F10 APO !镜头标识 ^m?KRm2 WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 /3A^I{e74
APS 3 !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 }MRd@ 0-?! UNITS INCH !透镜单位为英寸 0QPH}Vi5}
OBB 0 0.5 2 -0.01194 0 0 2 !物体类型为OBB,0-入射边缘光线角度(针对无限远物),0.5-半视场角,2-半孔径,-0.01194-表面1上主光线高度,负号是指光线在图像下端;后面三个参数表示光线在X-Z平面的相应值 0 AIR !物面处于空气中 zV:pQRbt. 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 EPS={w$'s 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 cj+ FRG~u 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 9l}FU$ 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 7G.#O}).b 2 AIR !表面2处于空气中 $SM#< @ 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 MxWy*|J} 3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445 !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 Nndddk` 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 /E
Bo3` 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 u @~JiiC% 4 AIR !表面4处于空气中 mu?Eco`~ 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 fNb`X 5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133 !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 -`<kCW" 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 hc~s"Atck 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 CF+_/s#j^ 6 AIR !表面6处于空气中 SGh1 DB 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 i-bJS6
6 UMC -0.05000000 !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。 6 TH 39.24611007 !表面6的厚度 %FXfqF9 6 YMT 0.0000000 !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 T_sTC)&a 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 .jS~By|r END !以END结束 V2$h8\a s4 6}s{6 f` :i.Sr 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] ]04e1F1J
H2Z1TIh
图1 消色差透镜的初始设计 D<8HZ%o 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: z74in8]
[attachment=98447] R<sJ^nx
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。 \]P!.}nX# 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’。 &8%e\W\K:/
[attachment=98448] Vy*:ne
得到玻璃的色散图如下: Z-E`>
[attachment=98450] 1U^A56CN
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: j6>.n49_
[attachment=98451] F;=4vS]\
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。 N-I5X2 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。 P`#Z9 HM4 L,mQ
[attachment=98452] IB#
@yH
p!sWYui 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。 pX&pLaF v-yde>( 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。 o&`<+4
i
[attachment=98453] .q[SI$qO/
#+$G=pS'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: c6nflk.l
[attachment=98454] 8>X d2X
mjWU0Gh%* 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: ][W_[0v 0j30LXI_
[attachment=98429] h3*Zfl<]
UNPezHaz 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 w"SoeU 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: ogL EtqT PANT !参数输入 AZa6Cw 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 DA2}{ VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 .C2TQ:B, . END !以END结束 @O@GRq&V 3 n'V\Hvz AANT !像差输入 M7ers|&{ 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 t5'V6nv ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 n) k1 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; DyeQJ7p GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 N@Y ljz| GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 vC1v"L;[o/ END !以END结束 OE4+GI.r- &VV~%jl;k SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 s<9RKfm SYNO 30 !迭代次数30次 DXa=|T 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'。 ]u4Hk?j~<
~er\~kp
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 ;9~6_@,@o 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: .&9 i CHG !改变镜头 PH>
b-n NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 '@jXbN END !以END结束 %{/%mJoX PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 3t<a $i Y$Q|J4z
[attachment=98455] O~59FuL
br0++}vwL 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。 U5-@2YcH
[attachment=98456] ?p(/_@
\0mb
3Q' 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。 ;Ra+=z}>
[attachment=98457] [@Q_(LQ-U
7zHh@ B:] 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: ]S(%[| CHG e.@uhB. 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 7ULqo>j END yv\#8I:qh iJZ/jCI 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: n Ps7c %
[attachment=98458] )ZBY* lk9
E\IlF 6 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。 H(Q.a=&4!p 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。 *;m5'}jsy
[attachment=98436] WdZ: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。 esHQoIhd 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。 \mw(cM#: ;b`[&g
[attachment=98434] XuD=E 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? MY/3]g< 在CW中输入THIRD SENS: !!4Qj Kh4$ wwn
[attachment=98426] (`6T&>(4 _:X|.W 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。 *J+_|_0nlW u~3%bJ] 优化宏代码如下: k51Eyy50( PANT <`jLY)sw VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 ,(.MmP` VLIST TH 2 4 N gLU$/y; END Iw<j T|y) AANT f8SL3+v AEC etoo
#h"]1 ACC sTOa M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; Up:<=Kgci GSO 0 1 5 M 0 0 @h*fFiY&{ GNO 0 .2 4 M .75 0 ,o^y`l GNO 0 .1 4 M 1.0 0 25NTIzI@@ END I+!:K|^ SNAP n.sbr SYNO 30 mo1oyQg8 CH
fVQ|!\ :> & fV 优化后的透镜结果,如图4所示: M:P0m6ie }lK3-2Pk
[attachment=98431] e5.h ?
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 Ug:\ dgDy5{_ 现在的THIRD SENS为: [HN|\afz
[attachment=98427] !r`, =jK"
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 ]uspx[UIc RJy=pNztm 新BTOL宏代码如下: >Bs#Xb_B] CHG \o\nr!=k NOP V97,1` END CiR%Ujf it>r+% BTOL 2 !设置置信区间 A<\JQ Hg9CZMko EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 JT9N!CGZ EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 tX!nsm1 EwS!]h? TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 i5>+}$1 TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 G60R9y47c ADJUST 6 TH 100 100 !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 l<Q>N|1#k% 数字100是指允许的最大调整值; '+
xu#R x!_<z'' PREPARE MC !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 ,-+"^> ,*]d~Y GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 `xiCm': STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 GabYfUkO 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: }Z
TGi,Pc
[attachment=98435] (~$/$%b 接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 Qu<Bu)`
[attachment=98459] px SX#S6I
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: U$H@ jJ*
[attachment=98460] v`V7OD#:j]
?0_7?yTR/
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。 oo=#XZkk
[attachment=98432] QRLJ_W^&u
-o+74=E8[?
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 tA$)cg+. 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: /%4_-C pm 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 pG^}Xf2a PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 cECi') FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 u*7Z~R aZKOY PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 q8:{Nk PANT {B*W\[ns VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 'cNKjL; VLIST TH 2 4 6 ]O{u tm END zq1mmFIO g(O;{Q_ AANT g\GdkiIj GSO 0 1 5 M 0 $|KaBx1 GNO 0 1 5 M 1 Y${l!+q END iqhOi|! SNAP PuxK?bwC 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 M[~{Vd `]$?uQ 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 x'Pi5NRE PANT kCUT ^ 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 aTGdmj! VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 7ou46v|m5 VY 5 YDC 2 100 -100 bXYA5wG VY 5 XDC 2 100 -100 E3a_8@ZB7 VY 6 TH !改变表面6的厚度 ~#}Dx
:HH END `>D9P_Y"jI AANT &V7>1kD3 GNO 0 1 4 M 0 0 0 F Fv?=Z-wk GNO 0 1 4 M 1 0 0 F (#q<\` END iRG?# " SNAP }<MR`h1 SYNO 30 b'ml=a#i0 8*g ^o\M PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 SbsouGD,{ %lr|xX 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。 .Qt4&B
[attachment=98433] O`cu_
,J mbqOV?!
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 Fk^3a'/4KJ 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: -Uo?WXP]B'
[attachment=98462] N0n^L|(R
7.<^j[?
[attachment=98463] LF*Q!
e=/&(Y
相应的局部放大轴上视场直方图 1xnLB>jP#
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: v|
z08\a[ [attachment=98465] Qq0l*)mX
7s'- +~
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: o%M<-l"!/ [attachment=98464]
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