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"TI9ib 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 Dq,, 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}ZQ d 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 &40dJ~SQ gUlZcb 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^?-Une 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? M9M EQK 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 $*tuv? VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 \.{?TB VLIST TH 2 4 lB,MVsn18 END 79&Mc,69 AANT &" b0`&l AEC Vi]D](^! ACC d;f,vN( M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; Skx TgX5 GSO 0 1 5 M 0 0 T_r[#j GNO 0 .2 4 M .75 0 M 3^p,[9r# GNO 0 .1 4 M 1.0 0 ~_K END Od"-w<' SNAP m^`X|xK- SYNO 30 pt=[XhxC(> NKd):>d% RgEUTpX 优化后的透镜结果,如图4所示: GU!|J71z n32?GRp
[attachment=98431] ]TGJ|X
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 4((Z8@iX/ %$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 \2W( >_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` `Wb=
[attachment=98459] bvZmozbD
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%.9 g 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?wG3 w 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]SEw
#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*{E K
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]
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