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: T3 4Z#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`+T1IJ 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 Z5)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 k hD)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`lQYU 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,(q3 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: &0%Zb~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 +pYwc0~ 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
g fAWN 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: ;5\'PrE
[attachment=98435] >ZPu$=[W 接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 ol_\ "
[attachment=98459] /O.q4p
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: Zi}h\R a
[attachment=98460] QwFA0
=eW4?9Uq
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。 h2mHbe43
[attachment=98432] N6_1iIM
X.#9[3U+
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 CfrO1i F 于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: Q-R?y+| x FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 Vtj*O'0 PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 'M? ptu?f FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 'NjeF6 5GJkvZtFY PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 Iy*Q{H3[ PANT j&S.k VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 *HV_$^)= 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]
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