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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
,s`4k?y  
w8}jmpnI  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: \c4D|7\=  
RLE                                                     !读取镜头文件 S\L^ZH?[2  
ID F10 APO                                        !镜头标识 .H 9 r_  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 Te2 C<c  
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。 )|wC 1J!L  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 oLIgj,k{*  
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 ^C'{# p"  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 )~-r&Q5d  
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 suHi sc*  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 # 1 1<=3Yj  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 L<k(stx~  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 yb6gYN  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 %l[]n;*$  
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 c2Wp 8l  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 "7J38Ej\  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 N qS]dH61  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 >|aVGY  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 m:6*4_!  
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 089v; d 6  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 UM2yv6:/  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 wvRwb   
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 N\anjG  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 RQ;w$I\  
6 UMC -0.05000000       !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。
6 TH     39.24611007      !表面6的厚度 'x6rU"e$J  
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 ipyc(u6Z5  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 M|fC2[]v B  
END                                                                                  !以END结束 @,m 7%,  
f4Ob4ah!(  
*k@D4F ruP  
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] ; )FmN[  
Pk>S;KT.  
图1 消色差透镜的初始设计
u#UtPF7q  
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: &v#pS!UOj  
[attachment=98447] !P3y+;S  
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。 Jl<pWjkZZ  
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’。 P9W?sPnC5  
[attachment=98448] 5mX^{V&^  
得到玻璃的色散图如下: 1zgM$p  
[attachment=98450] g}d[j I9  
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: 2!R+5^Iy  
[attachment=98451] p'A43  
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 rl,i,1t  
如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 vNju|=Lo  
U/-k'6=M  
[attachment=98452] <G'M/IR a  
45k.U$<|  
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。 UF$O@l  
~n$\[rQ  
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。 tUt_Q;%yC  
[attachment=98453] Rg^ps  
l6zYiM  
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: J9MAnYd)i  
[attachment=98454] a"`> J!  
]( FFvqA  
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: -@ra~li,yQ  
OZA^L;#>  
[attachment=98429] XRHngW_A  
f!H/X%F  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 xIwILY|W=  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: KcUR /o5K  
PANT                                            !参数输入 %=$Knc_!T^  
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 vqZBDQ0  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 $+PyW( r  
END                                              !以END结束 zI\+]U'  
|*DkriYY  
AANT                                           !像差输入 Z1Qv>@u  
AEC                                              !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 ~nb(e$?N  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 V(8,94vm  
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; =sAU5Ag68  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 GaV}@Q  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 M| Nh(kvH  
END                          !以END结束 [jksOC)@4  
^C92R"*Qu  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 zXU g(xu  
SYNO 30                  !迭代次数30次 $N Mu  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 e)N< r  
4j8$& ~/  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
D)Ep!`Q   
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: ns *:mGh  
CHG                    !改变镜头 3 q J00A  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 8]oolA:^4s  
END                     !以END结束 @biU@[D  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 wa~zb!y<  
R:3=!zav  
[attachment=98455] ,FXc_BCx4  
|sY  
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。 |f/Uzd ~  
[attachment=98456] _]-4UA-  
C"$~w3A k  
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。 vCNq2l^CW  
[attachment=98457] I~^Xw7  
xcn~KF8  
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: >rJ**y  
CHG 00{a }@n  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 H%etYpD  
END gcB hEw  
`SOQPAnK+;  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: ?@7!D8$9  
[attachment=98458] Xs# _AX  
IC(:RtJ  
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。 @56*r@4:q  
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。 \I-e{'h  
[attachment=98436]
F" M  
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。 D9NQ3[R 9  
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。 p2k`)=iX  
wGw~ F:z  
[attachment=98434]
REYvFx?i  
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? a DXaQ  
在CW中输入THIRD SENS: LokH4A17U  
9_nbMs   
[attachment=98426]
#"lb9. _ M  
e9 @{[  
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。 8 aIqc  
c9o]w8p/  
优化宏代码如下: D[?;+g/  
PANT *W 2)!C|  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 Kh[l};/F  
VLIST TH 2 4 =.&8ghJ*M  
END ?QzL#iO }h  
AANT $v[mIR  
AEC Dr(2@ 0P  
ACC &M@c50&%  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; WJu(,zM?G  
GSO 0 1 5 M 0 0   ;6D3>Lm  
GNO 0 .2 4 M .75 0   9<&M~(dwT4  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   9(O eH7  
END 'S9o!hb'@  
SNAP X7AxI\h  
SYNO 30 bmK  
`/`iLso& -  
[Eccj`\e g  
优化后的透镜结果,如图4所示: @eeI4Jz  
F8dr-"G  
[attachment=98431]
yg H)U.  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
\#LDX,=  
*~shvtq  
现在的THIRD SENS为: ( H&HSs  
[attachment=98427]
TfT^.p*  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
1^*ogMe  
i{TPf1OY`M  
新BTOL宏代码如下: M2p|&Z%  
CHG ib#rT{e  
NOP H#D:'B j29  
END +_$s9`@]6  
nDO7  
BTOL 2                      !设置置信区间 ]u!s-=3s  
T4Vp0i  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 )W>$_QxbN  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 ^|p D(v  
JVkuSIR>  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             XHj%U  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 s>I]_W)Pt  
ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 0C> _aj  
                                             数字100是指允许的最大调整值; U5wh( vi  
E:B"!Y6  
PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 "yh2+97l  
Yj>4*C9  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 3<+ZA-2  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 V^R,j1*  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: 9  @ <  
[attachment=98435]
8 yi#] 5`Q  
接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 >'W,8F  
[attachment=98459]
fh3uo\`@  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
.Z'NH wCy  
[attachment=98460] ,$ /Ld76U  
jT$J~M pHh  
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
p7-\a1P3  
[attachment=98432] JxwKTFU'3O  
CEkUXsp  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
s|A[HQUtJ  
于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: 4-SU\_  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 J.Xh P_aT  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 f3G:J<cL  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 @O'NJh{D`  
Gv G8s6IZ  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 w^ z ftm  
PANT ]r 0j  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 o*/;Zp==  
VLIST TH 2 4 6 XXn3K BIf  
END B E8_.>  
LYL_Ah'=  
AANT &.DRAD)  
GSO 0 1 5 M 0 u9KT_` )  
GNO 0 1 5 M 1   Z;a)P.l.>  
END EC8Z. Uu  
SNAP FCEmg0qdjD  
EVAL   !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 !KOa'Ic$V  
$Z]@N nA9N  
PHASE 2              !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 Qd YYWD   
PANT )uOtQ0  
VY 3 YDC 2 100 -100   !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 c8[kL$b;j  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 dR.?Kv(,E  
VY 5 YDC 2 100 -100 !9NF@e'&!  
VY 5 XDC 2 100 -100 ![ce }  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 Hy\q{  
END (nq""kO6'  
AANT 8CRbo24"s  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F }"WovU{*s  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   beikzuC  
END K)    
SNAP 8%u|[Si;  
SYNO 30 0]*W0#{Zj  
pXlqE,  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 <";1[A%7<  
~!mY0odH  
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。 \^9n&MonM  
[attachment=98433] WgR%mm^  
q?mpvpL G  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
U W8yu.`?  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: 2;>uP#1]  
[attachment=98462] nTo?~=b  
2>^(&95M  
[attachment=98463] AEnkx!o  
w=(dJ(7gu  
相应的局部放大轴上视场直方图
r`<e<C  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: HLqN=vE6  
[attachment=98465] |-{e!&  
qzvht4  
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: ca3zY|Oo  
[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!
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