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
~3f|-%Z  
9e vQQN6D|  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: T34Z#PFwe  
RLE                                                     !读取镜头文件 ucU7 @j  
ID F10 APO                                        !镜头标识 }#g+~9UK  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 h.l.da1#  
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。 19!;0fe=  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 .c__T {<)[  
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 x7`+T 1IJ  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 Z 5)v  
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 &}pF6eIar  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 u&UmI-}  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 Wv;,@xTZ  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 KT>Y^  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度  {d0-.  
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 d~h;|Bl[  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 qfxEo76'  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 2efdJ&eIV  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 khD)x0'b  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 zDbO~.d  
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 #:/27  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 `8Ych@f]  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 :eJJL,v  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 Cg`lQY U  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 y'>JT/Q5  
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 r3-<~k-  
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*A[v  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 IA[:-2_  
END                                                                                  !以END结束 n~}[/ly  
iXL^[/}&?M  
g;nLR<]  
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] eMmNQRmH  
kN8B,  
图1 消色差透镜的初始设计
r)K5<[\r  
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: S?C.:  
[attachment=98447] ~/z%yg  
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。 la!U  
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’。 w%\{4T~  
[attachment=98448] i^ |G  
得到玻璃的色散图如下: !IO\g"y~|%  
[attachment=98450] *FZav2]-  
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: ',t*:GBZCf  
[attachment=98451] 37Q8Yf_  
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~{72:k  
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。 3;> z %{  
\0_jmX]p  
[attachment=98452] }HmkTk  
#=33TvprR2  
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。 >P\eHR,{-  
\b8#xT}  
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。 k<+Sj h$  
[attachment=98453] x|dP-E41\  
o9]32l  
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: dJJq]^|  
[attachment=98454] _;Xlw{FN^  
H>;,r ,  
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: b7~Jl+m  
>wt.)c?5  
[attachment=98429] q9j~|GE|  
?~t5>PEonv  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 d,(q 3  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: &0%Z b~ts  
PANT                                            !参数输入 ?*+U[*M  
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 xE^G*<mj:  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 C/qKa[mg  
END                                              !以END结束 fHEIys,{  
xRhGBb{@s  
AANT                                           !像差输入 D6&P9e_5  
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 GA[D@Wy  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 hif;atO  
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; *ls6k`ymL  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 FA)ot)]  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 X{, mj"(w  
END                          !以END结束 jQ%1lQ#R)  
CrL9|78  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 ]w _&%mB  
SYNO 30                  !迭代次数30次 HJ]e%og  
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'。 hZL!%sL7  
K{/i2^4  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
qK#"uU8B  
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: ht]n*  
CHG                    !改变镜头 L/-SWid)  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 @<pd@Mpf]  
END                     !以END结束 8Nyz{T[  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 +p Ywc0~  
F9K`N8wlu  
[attachment=98455] {nUmlP=mS  
YjTr49Af0  
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。 Ao`e{  
[attachment=98456] YtSYe%  
]1d)jWG  
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。 wzwv>@}  
[attachment=98457] ;w"h n*  
P![ZO6`:W'  
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: 6V1oZ-:}  
CHG nA(" cD[,  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 f~a 7E;y  
END #@`c7SR  
H+Bon=$cE!  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: NcF>}f,}\  
[attachment=98458] =0Y0o_  
qg`ae  
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。 OF']-  
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。 &`n:AR`  
[attachment=98436]
{Hl(t$3V`  
预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 sGtxqnX:J  
透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 JluA?B7E  
1) 2-UT  
[attachment=98434]
\9V_[xD+  
现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? :6t73\O  
在CW中输入THIRD SENS: D3dh,&KO\  
R--s u:  
[attachment=98426]
PDA9.b<q0  
T3 ie-G@<  
SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。 _$@fCo0  
UMd.=HC L  
优化宏代码如下: 4vG-d)"M2  
PANT zNKB'hsK  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 ~< UYJc  
VLIST TH 2 4 dazML|1ow  
END JB'tc!!*  
AANT lg$aRqI29  
AEC f~P YK  
ACC O*?^a7Z)4  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; ~b)X:ku  
GSO 0 1 5 M 0 0   `^8mGR>OpI  
GNO 0 .2 4 M .75 0   af>i  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   z5iCQ4C<  
END 44P [P{y  
SNAP AhOBbss]q  
SYNO 30 }[PwA[k'  
gE@Pb  
)hO%W|  
优化后的透镜结果,如图4所示: DKMkCPX%  
.@nfqv7{  
[attachment=98431]
qG 20  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
e> 9X  
CckfoJ 9  
现在的THIRD SENS为: b~>@x{  
[attachment=98427]
cW0\f5[/  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
x2)WiO/As  
Gd\/n*j  
新BTOL宏代码如下: 8h|}Q_  
CHG <BBzv-?D  
NOP ]SU)L5Dt;  
END 2@Nd02v|  
~gZ1*8 s`  
BTOL 2                      !设置置信区间 <$A/ ('  
(NR( )2  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 *.wj3' wV  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 i.On{nB"k  
!F}GSDDV*  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             Q!IqvmO  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 yxpv;v:)=  
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 tk'&-v'h  
                                             数字100是指允许的最大调整值; `g1?Q4h  
dgX%NKv1  
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 L6nsVL&  
p{GO-gE@  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 -;"A\2_y  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 gfAWN  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: ;5\'PrE  
[attachment=98435]
>ZPu$=[W  
接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 ol_\ "  
[attachment=98459]
/O.q4p  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
Zi}h\R a  
[attachment=98460] QwFA0  
=eW4?9Uq  
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
h2mHbe43  
[attachment=98432] N6_1iIM  
X.#9[3U+  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
CfrO1iF  
于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: Q-R?y+| x  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 Vtj*O'0  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 'M?ptu?f  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 'NjeF&#6  
5GJkvZtFY  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 Iy*Q{H3[  
PANT j&S.k  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 *HV_$^)=  
VLIST TH 2 4 6 &*O'qOO<2  
END J#@+1 Nt  
G2!<C-T{2  
AANT pQ7elv]  
GSO 0 1 5 M 0 GK11fZpO:i  
GNO 0 1 5 M 1   N,9~J"z  
END _M7|:*  
SNAP 0;`FS /[(f  
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 (?,jnnub  
ircL/:  
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 ]QHZ [C  
PANT TZ n2,N  
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 L)7{_s  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 oIj/V|ByK  
VY 5 YDC 2 100 -100 /u]#dX5  
VY 5 XDC 2 100 -100 NhYUSk ~u  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 oTb42a_j{  
END Fpn'0&~-fi  
AANT a ge8I$*`@  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F zJ1M$ U  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   9$[MM*r  
END ,:-^O#  
SNAP {uZ|Oog(p  
SYNO 30 !]mo.zDSW5  
4C:dkaDq]  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 ^ -~=U^2tC  
(<OmYnm  
运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 Z5wQhhH  
[attachment=98433] lQ [JA[  
Ty!V)i  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
k{Y\YG%b  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: _Y6Ezh.  
[attachment=98462] 6oq^n s-  
?6N\AM '  
[attachment=98463] i8EKzW  
wax^iL!  
相应的局部放大轴上视场直方图
f::^zAV  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图:  ]5ibg"{S  
[attachment=98465] ~<Wa$~oY  
#t# S(A9)  
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: wc}x [cS  
[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 © 2005-2025 光行天下 蜀ICP备06003254号-1 网站统计