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 r?64!VS; jZXVsd 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: E4Y"X RLE !读取镜头文件 L7SEswMti ID F10 APO !镜头标识 wn
&$C0 WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 Y.DwtfE APS 3 !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 d32@M~vD UNITS INCH !透镜单位为英寸 90Xt_$_}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 %z(9lAe 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 Px'R`1^ 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 9aT L22U? 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 )r ULT$;i@ 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 ^[ET&" 2 AIR !表面2处于空气中 T1l&B 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 8ou e-:/a 3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445 !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 HDyQzCG, 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 YV*b~6{d 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 zLh Fbyn( 4 AIR !表面4处于空气中 Oc7 >S.1 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 -Bj.hx* 5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133 !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 ;xL67e%? 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 Uf# PoQ!y 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 hO#HvW 6 AIR !表面6处于空气中 ]x1p!TSU 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 smV!y8&
6 UMC -0.05000000 !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。 6 TH 39.24611007 !表面6的厚度 \0D$Mie 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 TW>?h=.z 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 e[s5N:IUd3 END !以END结束 ICk(z~D~ .
=&Jo9 pP3U,n
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] ,NDh@VYe
3Q",9(D
图1 消色差透镜的初始设计 G OpjRA@ 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: @\ }sb]
[attachment=98447] QW2?n`Fa9-
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。 P2Onkl 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’。 CQ<8P86gt
[attachment=98448] U M@naU
得到玻璃的色散图如下: Yr+d1(
[attachment=98450] V7P6zAJy
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: SWT:frki`
[attachment=98451] M2dmG<
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。 *.8JP 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。 8\DME L7m`HVCt&
[attachment=98452] 90p3V\LO
82|q7*M*. 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。 `0?^[;[u[ '| &,E#` 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。 Z9xR
[attachment=98453] D{R/#vM jk
<^Nk.E 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: ZY)%U*jWU
[attachment=98454] U,HIB^=
R
XoJgs$3B 现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: /tP7uVL
R YxJ`-6
[attachment=98429] [.a;L">
C%]."R cMC 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 YwXXXh 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: Evkt_vvf PANT !参数输入 EMhr6</ VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 .liyC~YW VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 Q<yAT(w END !以END结束 O^0" _W |R;Cz] AANT !像差输入 0Z,{s158L AEC !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 PPj[;(A ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 n8$=f'Hgb 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{Sd
P$ GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 2 h<U GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 [fxuUmU END !以END结束 Pcdf$a"` U{}!y3[wK SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 y
AOg\+ SYNO 30 !迭代次数30次 JpmB;aL#% 优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 ]\BUoQ7I/
]`d2_mu
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 [f/.!@sj 接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: JOHRmfqR CHG !改变镜头 d=y0yq{L NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 sP y2/7Wqd END !以END结束 z,x"a PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 :+:6_x <s}|ZnGE
[attachment=98455] x'qWM/
.=XD)>$ 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。 LN^UC$[tk
[attachment=98456] 30_ckMG"g
E/mw* c^ 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 DbtF~`3, .
[attachment=98457] .*!#98pT
N_G4_12( 现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: xGRT"U( CHG \QT9HAdd@ 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 A,BEKjR~J END !)c=1EX]" X>t3|h 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: BS7J#8cu
[attachment=98458] :Q-oV8t{
@Tr&`Hi 其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 [N:BM% FQ 在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 ZXt?[Ll
[attachment=98436] ~+HoSXu@E 预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 nU/;2=f< 透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。
OJ/SYZ.r J?%}=_fsa
[attachment=98434] 7tgFDLA 现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? S;=_;&68? 在CW中输入THIRD SENS: S0LszW)e J#aVo&.Y
[attachment=98426] +O+<Go@a #3 bv3m SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。 =nU/ [T. ZJ(rG((! 优化宏代码如下: tg 85: PANT ^u)rB<#BR VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 OOB^gf}$' VLIST TH 2 4 m<: IFx# END [U.v:tR AANT {Q~7M$ AEC ~Ltr.ci ACC JE!("]& M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; \.<KA GSO 0 1 5 M 0 0 y
~AmG~ GNO 0 .2 4 M .75 0 UFEN y."P GNO 0 .1 4 M 1.0 0 n"G`b END `4
UlJ4<` SNAP S LGW: SYNO 30 f=`33m5 fbC~WV# Mo^`\/x! 优化后的透镜结果,如图4所示: ^$Krub{| 6)[<)?A.[
[attachment=98431] n &}s-`D
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 'Kz9ygZy r]LCvsVa 现在的THIRD SENS为: o8z)nOTO;
[attachment=98427] kX2d7yQZz
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 "&QH6B1U6H 7=k^M, a 新BTOL宏代码如下: >I<PO.c! CHG SW9fE:v NOP kuKa8c END nQ=aLV+' usOx=^?= BTOL 2 !设置置信区间 !>g:Si" ;>ozEh#8w EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 pn\V+Rg' EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 8&E}n(XE NK/4OAt% TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 T PYDs+U TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 ]b}B2F'n ADJUST 6 TH 100 100 !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 4|Ui?.4= 数字100是指允许的最大调整值; 8_Z/ o5s YBjdp=als PREPARE MC !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 MYdx .NZT sN/+ GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 N.hzKq][ STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 Zdn!qyR` 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: YYUe)j{T
[attachment=98435] <z) E(J\ 接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 g}Qx`65:
[attachment=98459] \=nrt?
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: T+CajSV
[attachment=98460] %l$W*.j|;
&;>4N"]
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。 m,tXE%l
[attachment=98432] jv&+<j`r
Q`6i =mB;
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 `&*bM0(J 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: PC/!9s0W 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 (3%t+aqq PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 P))^vUt~ FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 +nU.p/cK+\ ]P1YHw9 PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 oNYZIk: PANT h?j_Ry VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 y0IK,W'&? VLIST TH 2 4 6 fL6e?\Pw END L
*Y|ey 0I%: BT AANT n1J]p#nCa. GSO 0 1 5 M 0 2`Gv5}LfyR GNO 0 1 5 M 1 Tr .hmG U END '%7 Bx of SNAP fx?$9(r, EVAL !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 = `t^~.5 LmLGki$w 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 ]gP5f @` PANT "H+,E_&( 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 e7k%6'@ VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 g9>~HF$U VY 5 YDC 2 100 -100 ZGz|m0b ( VY 5 XDC 2 100 -100 :.nRN`e VY 6 TH !改变表面6的厚度 W{Z^n(f4 END EHI 'xt AANT o8S"&O
? GNO 0 1 4 M 0 0 0 F f
j<H6|3 GNO 0 1 4 M 1 0 0 F xJhU<q~? END wCb(>pL0 SNAP yyP-=Lhmo= SYNO 30 >l5u54^3K |>1hu1 PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 npH?4S-8G 2<r\/-#pU 运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 Z4q~@|+%
[attachment=98433]
|jG~,{
K*vU5S
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 QLo(i 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: LU2waq}VA
[attachment=98462] ;ojiJ?jU
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[attachment=98463] 1W,(\'^R
x` /)g(
相应的局部放大轴上视场直方图 V3s L;
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: ;JTt2qQKo [attachment=98465] <$i4?)f(
wL{qD
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: Uems\I0 [attachment=98464]
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