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 2
*IF [/hS5TG|7 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: sUN>uroi ! RLE !读取镜头文件 6kuN) ID F10 APO !镜头标识 *(YtO WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 ?P@fV'Jo 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。 Z]D O UNITS INCH !透镜单位为英寸 UZ0fw@R M
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 drP2%u 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 ?z% @;& 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 /AV
[g^x2 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 x7K 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 _/ bF t6 2 AIR !表面2处于空气中 wNL!T6"G 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 e`zEsLs@ 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 }1]/dCv 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 D.Rk{0se8 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 yaD<jc(O 4 AIR !表面4处于空气中 tt%Zwf 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 TU$PAwn= 5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133 !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 U^vQr%ha 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 ;ZXP*M9 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 ^I3cU'X 6 AIR !表面6处于空气中 aSd$;t~ 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 fx %Y(W#5
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 NLFs)6\ 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 v'Ce|.; 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 _a@&$NEox END !以END结束 B3K!>lz H=])o21 0}Rxe 运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:[attachment=98428] *k==2figz
tagkklJ~
图1 消色差透镜的初始设计 H`q" _p: 点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: ;Q&38qI
[attachment=98447] yjs5=\@
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 r)Ts(#Z 而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 r_p9YS@I
[attachment=98448] y[[f?rxz>
得到玻璃的色散图如下: t^ LXGQ
[attachment=98450] 7IW:,=Zk8+
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: JPfNf3<@My
[attachment=98451] \eF5* {9
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 (UDF^ 如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 44FK%TmtF Ol H{!
[attachment=98452] NCYN .@J
yLCqlK 从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 I7TdBe- { 6Lkh 于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 *zeY<6
[attachment=98453] jC+>^=J(
}MP2)6 另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: 1)(p=<$
[attachment=98454] ha
xal,j* 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: ,OWdp<z [M_pf2Y
[attachment=98429] d,[.=Jqv[
sj a;NL 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 *}R5=r0 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: nL!h hseH PANT !参数输入 S!.aBAW 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 >SpXB:wx VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 o/buU{)y END !以END结束 h`+Gs{1qw HRIf)n&~f AANT !像差输入 :,rD5aOQ 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 IIeEe7%# ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 Ht+ng 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; f^](D'L?D GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 @v_E'
9QG^ GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 ^ L'8: END !以END结束 h95C4jBE i,rP/A^q SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 ONJW*!( SYNO 30 !迭代次数30次 *LcLYxWo 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'。 ;=: R|
I9*o[Jp5
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 Fp4?/-] 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: }Bw=2 ~ CHG !改变镜头 $D5[12X NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 qyl~*r* END !以END结束 ^.Q{Aqu#.H PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 $>v^%E;Y4 8B;`9?CI
[attachment=98455] Uy^Hh4|
/ :"%m:-P 离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 nQK@Uy5Yr
[attachment=98456] 8F($RnP3
Iu|G*~\ 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。 PN/2EmwtC
[attachment=98457] 3Zg=ZnF
]n?a h 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: R4!qm0Cd CHG `}k!SqG 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 p`gg END \sHM[nF0 I /3=~;u 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: ~B>I?j
[attachment=98458] -qfd)A6]
i051qpj 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。 JeMhiY} 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。 9Q=g]int u
[attachment=98436] GW'=/
z7 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。 NrVQK}%K 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}_G;Q }@@1N3nnxV
[attachment=98434]
&N0W! 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? h 7kyz 在CW中输入THIRD SENS: Bx
E1Ky8@A lO%Z4V_Mj
[attachment=98426] [=e61Z uI%h$ 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。 <| |Lj /.'1i4Xa1P 优化宏代码如下: gtJ^8khME PANT cgYMo{R3 VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 [HF)d#A VLIST TH 2 4 la)f\Nk END r-]R4#z> AANT C,]Q/6'> AEC -iBu:WyY$ ACC 9foQ0#R M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; 'BAe>r_Pn GSO 0 1 5 M 0 0 _< |