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 (r&e| fS( )F*J 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: uO4kCK<7C RLE !读取镜头文件 'f+g`t? ID F10 APO !镜头标识 -3YsrcJi WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 ?q}XDc
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。 iQrTEp UNITS INCH !透镜单位为英寸 c*O{?b
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 UV ?.KVD~ 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 (-lu#hJ`&r 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 n+5X*~D 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 ZI<p%IQ 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 5H+S= 2 AIR !表面2处于空气中 ,zCrix
3 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 \ 2Jr(?U 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 =xO q-M 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 j Hd <* 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 Ri,8rf0u 4 AIR !表面4处于空气中 /}~;
b#t 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 #3:;&@#
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 Rp#9T?i``[ 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 Ek!$Ary 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 2>s@2=Aq 6 AIR !表面6处于空气中 'O#,;n 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 ` ,B&oV>
6 UMC -0.05000000 !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。 6 TH 39.24611007 !表面6的厚度 ?0Xt | 6 YMT 0.0000000 !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 UOWOOdWSB 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 tDuQ+|~M END !以END结束 bL=32YS #8N9@ C*e)UPK` 运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:[attachment=98428] #}^kMD >
~=t,g S
图1 消色差透镜的初始设计 R:*I>cRs 点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: ;pU#3e+P8
[attachment=98447] {C=d9z~:
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 )^&,[Q=i 而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 OL{U^uOhY
[attachment=98448] 0:(`t~
得到玻璃的色散图如下: 4|+6a6
[attachment=98450] &} b'cO
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: GHQa{@m2V
[attachment=98451] X&^8[,"
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 Z`fm;7NiVG 如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 >\Qyg>Md] >+v)^7c
[attachment=98452] &hmyfH&S
05".;( 从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 e+"rL] RH,(8 .&>r 于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 U!@3['
[attachment=98453] }r&^*"
2=
PI7M3\z 另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: 8aw'Q?
[attachment=98454] 1>W|vOv"Z?
axOdGv5 现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: *Z7W'- w.qpV]9>
[attachment=98429] cdL$T6y
@] .Ko[P~ 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 u</21fz' 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: w <
p PANT !参数输入 Rv=(D^F, 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 #vhxW=L`= VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 d+KLtvB%M END !以END结束 WU-.lg'c' /}?"O~5M" AANT !像差输入
Y_&D W4 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 sL;qC\S ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 "}PaMR] 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; MD ~03 GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 clQN@1] M GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 >^%]F[Wo END !以END结束 EfY|S3Av RE]u2R6Y SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 C?Dztkz SYNO 30 !迭代次数30次 ^8dJJ* 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'。 u"-q"0
C7&4, ],
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 fZ6lnZ 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: )*N]Q CHG !改变镜头 [3++Q-rR= NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 //VgPl END !以END结束 =LHE_ AA PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 "Ko^m(` |yiM7U,i
[attachment=98455] nG&=$7x^
]Y;EIn 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。 h^ ex?
[attachment=98456] ^w4FqdGM
xg)cA C\= 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。 xtL_,ug
[attachment=98457] ?4wS/_C/
epi{Ayb 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: xd\k;nq CHG JB(~O` 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 \{L!hAw END $trvNbco F*hOa|7/ 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: xn(lkQ6Fm
[attachment=98458] [;II2[5 ,
V%?oI]"
l 其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 fkWuSGi 在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 wwVK15t
[attachment=98436] U<fe 'd 预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 <jXXj[M2 透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 jdV E/5 ^2OBc
[attachment=98434] C5#3c yf*B 现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? zh)qo 在CW中输入THIRD SENS: B*E:?4(<P QbqEe/*$_
[attachment=98426] }s{RW<A GQ
ZEMy7 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。 \;&9h1?Mn /\_`Pkd3m 优化宏代码如下: :9q=o|T6D PANT O=8:K' VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 hv te) VLIST TH 2 4 l)GV&V END U'@eUY(Ov$ AANT ZWaHG_
U) AEC Q+gd|^Vc9 ACC W4Nbl M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; ]&w>p#_C GSO 0 1 5 M 0 0 IQxY]0\uf6 GNO 0 .2 4 M .75 0 eZR{M\Q GNO 0 .1 4 M 1.0 0 v|`f8M2 END jSp4eq SNAP 5$0@f`sj SYNO 30 :%Na-j9hV) L,V\g^4$K |H 0+.f; 优化后的透镜结果,如图4所示: ST1PSuC~ wmdvAMN
[attachment=98431] msOk~ZPE6\
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 -S\74hA &S9Sl 现在的THIRD SENS为: 2V7x
[attachment=98427] 2[: *0 DV#
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 V6Ie\+@.\ IT]D; 新BTOL宏代码如下: W*iPseXq CHG yg\bCvL& NOP 8xzEbRNJ) END 4.2qt Z5[TmVU BTOL 2 !设置置信区间 F-g(Hk|v [3h~y7 EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 pB;)Hii\ EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 X>l w%;Z`Xn&u TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 v`evuJ\3 TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 lx,^Y647 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 *e{d^ 数字100是指允许的最大调整值; _!6~o> @/i{By^C 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 e8O[xM VE1 B"s</ GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 I_N(e|s\U STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 [4B.;MS( 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: Kg^L
4Q
[attachment=98435] ?-[.H^]s~ 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。 1c_qNI;:p
[attachment=98459] ^;4nHH7z-,
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: ;hU56lfZ)X
[attachment=98460] 9Y&,dBj+
;Q>(%"z};
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。 i2`i5&*
[attachment=98432] L9[? qFp
6O2 r5F$T
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 {FyGh
*/ 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: uSp=,2) 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 %cJ]Ds%V PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 <_&tP=h FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 wZN<Og+; HI6;=~[ PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 k @'85A` PANT r168ft?c VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 Rr+Y::E VLIST TH 2 4 6 q5J6d+ END Ga0=
G&/ ?rC^@) AANT YOo?.[}@ GSO 0 1 5 M 0 4Sv&iQ=vh GNO 0 1 5 M 1 oW3{&vfz END [I:D\)$< SNAP r2H_)Oi EVAL !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 6KP"F[8I ma.yI};$ 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 -~T? xs0_ PANT JK0L&t< 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 *fVs| VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 *l:5FTp VY 5 YDC 2 100 -100 sxcpWSGA^ VY 5 XDC 2 100 -100 aW$(lf2; VY 6 TH !改变表面6的厚度 m5Gt8Z 6a END 7Wub@Mp AANT H@Dj$U GNO 0 1 4 M 0 0 0 F c`I`@Bed GNO 0 1 4 M 1 0 0 F ~3 4Ly END >AIkkQT SNAP A|p O SYNO 30 ZVu&q{s, QU0K'4Yx5j PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 o(5Xj$Z P_)h8-!+ $ 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。 ':6!f
[attachment=98433] y1P KoN|K
>en,MT|
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 JI-q4L| 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: m'H%O-h\
[attachment=98462] Wi ]Mp7b
Xi3:Ok6FZ
[attachment=98463] H/m -$;cF3
xFcJyjo^z
相应的局部放大轴上视场直方图 Qm86!(eZ-
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: r<4FF= [attachment=98465] 7+';&2M)n~
w]Z*"B&h
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: dX|(n.} [attachment=98464]
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