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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
_Xqa_6+/  
{}n]\zO %  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: R9&3QRW|  
RLE                                                     !读取镜头文件 uGc0Lv4i/  
ID F10 APO                                        !镜头标识 IDY2X+C#U  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 `;}w!U  
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。 "*bP @W  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 94}y,\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 mx!EuF$I  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 Nd h  
1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887  !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 /prR;'ks  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 si,)!%b  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 {y%|Io`P  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 RxYC]R^78  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 %Q080Ltet  
3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 T!jMh-8  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 1\X_B`xwD  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 <~Oy3#{  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 xG1(vn83gq  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 #z5$_z?_  
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- }@^Y$M  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 6pdek3pOCt  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 }rQ0*h  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 <'N~|B/yZ  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 Y'+mC  
6 UMC -0.05000000       !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。
6 TH     39.24611007      !表面6的厚度 0JXXJ:dB  
6 YMT 0.0000000          !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 7$JOIsM  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 -y'tz,En.  
END                                                                                  !以END结束 DP.Y <V)B  
>H,5MM!  
.Q!pQ"5  
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] @x@wo9<Fc  
emMk*l,  
图1 消色差透镜的初始设计
-7IRlP&  
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: (XNd]G  
[attachment=98447] Kw =RqF  
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*f $  
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&>*4=^a  
[attachment=98448] 8 +mW  
得到玻璃的色散图如下: {yFMY?6rf  
[attachment=98450] f%/6kz  
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: 8K9RA<  
[attachment=98451] #('GGzL6c  
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。 J6mUU3F9f  
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。 2<E@f0BVAy  
G2dPm}sZG  
[attachment=98452] Dn48?A[v  
6t{G{ ]  
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。 TPA*z9n+B  
5^N y6t  
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。 tP89gN^PA|  
[attachment=98453] o]B2^Yq;x  
tN;^{O-(V  
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:  N8)]d  
[attachment=98454] c27Zh=;Tj  
a5/r|BiBK  
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: v.53fx  
+bk+0k9k5  
[attachment=98429] {8556>\~  
BKK@_B"  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 ~xJ ^YkyH  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: _^D-nk?  
PANT                                            !参数输入 #V.u[:mO  
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 "iJAM`Hi  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 G_}oI|B  
END                                              !以END结束 Rl'xEtaN  
j:$Z-s  
AANT                                           !像差输入 +hcJ!$J7  
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 (ZP e{;L.  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 f\z9?Z(~  
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; {KSy I#  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 hyY^$p+  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 SduUXHk  
END                          !以END结束 . |`)k  
AD >/#Ul  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 |M EJ)LE7  
SYNO 30                  !迭代次数30次 hVdGxT]6  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 !Pu7%nV.  
Q6n8,2*  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
Ch]q:o4  
接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: Mo]iVj8~  
CHG                    !改变镜头 +&* >FeJY  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 G+WCE*  
END                     !以END结束 bd3>IWihp  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 `FK qVd  
.UU)   
[attachment=98455] W+.?J 60  
r#d]"3tH  
离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 <)+;Bg  
[attachment=98456] ;1k_J~Qei  
OA7=kH@3c  
透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 wKJK!P  
[attachment=98457] v%QC p  
)5TX3#=;(G  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: :~p_(rE  
CHG BbI),iP  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 ?[ D6|gp  
END nZ`=Up p)  
.yb8<qs  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: vIFx'S~D  
[attachment=98458] /sVmQqVY  
0qBXL;sE  
其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 O>ZJOKe  
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 U}{\qs-zt  
[attachment=98436]
Q8DKU  
预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 `U;V-  
透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 ^fM=|.?  
iz-O~T/^  
[attachment=98434]
?#__#  
现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? }J=zO8OL  
在CW中输入THIRD SENS: 7.C]ZcU  
K$M,d - `b  
[attachment=98426]
tdC kvVE  
&HJ~\6r\  
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。 ,aa %{  
4;w# mzd  
优化宏代码如下: .|K\1qGW0  
PANT 87nsWBe  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 *kDV ^RBfq  
VLIST TH 2 4 b*a}~1  
END cH7D@p}  
AANT 98WJ"f_ #  
AEC =k+i5:@]  
ACC n6*; ~h5  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; g: "Hg-s  
GSO 0 1 5 M 0 0   ? oGmGKq  
GNO 0 .2 4 M .75 0   fVBRP[,   
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   T0}P 'q  
END ;}k_2mr~  
SNAP "2@Ys* e  
SYNO 30 CY9`HQ1  
J~G"D-l<9/  
p|w;StLy  
优化后的透镜结果,如图4所示: dk2o>jI4;  
o6 [i0S  
[attachment=98431]
yM34GS=,J  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
0M>%1 *  
*$>$O%   
现在的THIRD SENS为: Eb9M;u  
[attachment=98427]
7h/{F({r=  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
M, UYDZ',  
GgjBLe=C  
新BTOL宏代码如下: AwL;-|X  
CHG __||cQ  
NOP jfrUOl'l  
END 2!Ex55  
~LzTqMHM  
BTOL 2                      !设置置信区间 ';7|H|,F  
,K[B/tD{j  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 ^SRa!8z$W  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 FJ&zU<E  
1')/BM2  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             ( ]o6Pi  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 Sq==)$G  
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 JXnPKAN  
                                             数字100是指允许的最大调整值; 63- YWhs;  
@.iOFY  
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< y]vM:  
E]Hl&t/}  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 I@q>ES!1H  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 Qi7^z;  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: (jYs_8;  
[attachment=98435]
9Au+mIN  
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。 XT_BiZ%l5O  
[attachment=98459]
Vt4}!b(O  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
ig/716r|  
[attachment=98460] 49Ue2=PP#  
Tm^zo Vi  
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。
 )Bk?"q  
[attachment=98432] .]H]H*wC  
[l5 "'{x  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
emS+%6U  
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: HNuwq\w  
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 2i(|?XJ^  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 7<^D7  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 n7q-)Dv_U  
PvT8XSlTx!  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 M7Hk54U +t  
PANT \a]\j Zb  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 6eK^T=  
VLIST TH 2 4 6 83l)o$S  
END {Rj'=%h  
(Fgt#H(B  
AANT r IK|}5  
GSO 0 1 5 M 0 ?s"v0cg+  
GNO 0 1 5 M 1   *u{.K:.I  
END F<(x z=  
SNAP kyo ,yD  
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 dju&Ku  
NxX1_d  
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 wD,F=O  
PANT }lb.3fqiA  
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 V!<#E)-?<  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 S8)awTA9  
VY 5 YDC 2 100 -100 VD3[ko  
VY 5 XDC 2 100 -100 +li^0+3-'  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 =W|Q0|U  
END ,6buo~?W:  
AANT L2h+[f  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F 3CHte*NL=  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   G\NCEE'A  
END ]Ojt3) fB  
SNAP $WPN.,7  
SYNO 30 pq&c]8H  
`WW0~Tp3  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 9,c>H6R7  
` cv:p|s  
运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 /&dt!.WY^  
[attachment=98433] 2$ rq  
mDmWTq\  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
&sRJ'oc  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: l&A`  
[attachment=98462] *sG<w%%  
4yM8W\je  
[attachment=98463] '~cEdGD9H  
UiEB?X]-l'  
相应的局部放大轴上视场直方图
Vi|jkyC8  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: .eAC!R  
[attachment=98465] W%W. +f  
t}FMBG o[  
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: yW&i Uh=0  
[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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