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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
#9@UzfZAwT  
o<i\1<eI  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: "v5jYz5M  
RLE                                                     !读取镜头文件 43o!Vr/ S  
ID F10 APO                                        !镜头标识 [!>DQE  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 Z oQPvs7_  
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。 OC_i,  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 fTV}IP  
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 ]dQ  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 E'F87P^>  
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 ](sT,'  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 MDOP2y`2i  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 ZD`0(CkXb  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 ]MV=@T^8#  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 iig@$ i#  
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 '645Fr[lg  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 @hIHvLpRB  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 Vi\kB%  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 > R2o7~  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 'n4 iW  
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 S"Mm_<A$@  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 dp#'~[j  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 [[VB'Rs  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 q b7ur;  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 J={IGA  
6 UMC -0.05000000       !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。
6 TH     39.24611007      !表面6的厚度 b0lZb'  
6 YMT 0.0000000          !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 R{SN.%{;  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 RI-)Qx&!f  
END                                                                                  !以END结束 Tn(c%ytN  
nM6/c  
'7/c7m/$X<  
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] xBK is\b  
kJG0X%+w  
图1 消色差透镜的初始设计
s2iL5N|"Q  
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: |;(0]  
[attachment=98447] CxJkT2  
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。 tAH0o\1;  
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’。 1JSKK.LuJV  
[attachment=98448] Pvu*Y0_p  
得到玻璃的色散图如下: 2vx1M6a)L  
[attachment=98450] @6:J$B~)u  
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: )MU)'1jc,  
[attachment=98451] +JRPd.B"@  
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。 =hDFpb,mr  
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。 D0a3%LBS/2  
oBZzMTPe  
[attachment=98452] Z^SF $+UN  
kxVR#:  
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\Tk)(`  
]J>{ZL   
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。 ?wYvBFRn7"  
[attachment=98453] l!YjDm{E  
S67>yqha  
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: :ZP`Y%dt'  
[attachment=98454] ^=V b'g3P~  
$@ Fvl-lK  
现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: z]O,Vqpl?  
No G`J$D  
[attachment=98429] |>L|7>J{<d  
G tSvb6UNn  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 hj|P*yKV  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: Ec;{N  
PANT                                            !参数输入 1feS/l$  
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 -cW 'g  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 ^t#W?rxp&  
END                                              !以END结束 hAv.rjhw_  
 (:ObxJ*  
AANT                                           !像差输入 huw|J<$  
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 oD>j2 6Q  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 {Mx3G*hr  
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; ?,0 5!]  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 |'" 17c&  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 [$[1|r *Q  
END                          !以END结束 +X&b  
"o.g}Pv  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 F1aI4H<(T  
SYNO 30                  !迭代次数30次 h8me.=S&  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 g(D r/D  
S LSbEm  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
[h^>Iq (Z  
接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: 6~_ TXy/  
CHG                    !改变镜头 tjIT4  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 Hp!c\z;  
END                     !以END结束 mcB8xE  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 //_aIp  
H6I]GcZ$  
[attachment=98455] 7-u['nFJ  
c Oi:bC@  
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。 )lsR8Hi8  
[attachment=98456] X|iWnz+^  
@CJ`T&  
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。 sa26u`?  
[attachment=98457] ]gHi5]\NC  
2y0J~P!I  
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: ,-GkP>8f(  
CHG D#I^;Xg0h  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 =T0;F0@#4  
END ySEhi_)9^  
~ & @UH  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: fi.[a8w:W  
[attachment=98458] +4Uxq{.K  
$V0G[!4  
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。 wVms"U.  
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。 5RysN=czA  
[attachment=98436]
][IEzeI_LN  
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。 BlrZ<\-/  
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。 h/a|-V}m&  
RMfKM! vE  
[attachment=98434]
1'G&PX   
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? SZhW)0  
在CW中输入THIRD SENS: i 6@c@n  
XFiP8aX<  
[attachment=98426]
RrG5`2  
\(db1zmS~  
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。 *49lM;  
x&kM /z?/  
优化宏代码如下: [10y13  
PANT c :{#H9  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 UbnX%2TW  
VLIST TH 2 4 Mt93YD-2+  
END G'M;]R9EP  
AANT $xK2M  
AEC aGR!T{`   
ACC KT>eE  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; y| 7sh  
GSO 0 1 5 M 0 0   Hv~& RZpe  
GNO 0 .2 4 M .75 0   ]#fmih^  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   &P@dx=6d  
END (1pR=  
SNAP B,_/'DneQK  
SYNO 30 z3bRV{{YqN  
,_$}>MY;  
$q iY)RE  
优化后的透镜结果,如图4所示: a^ _ _Z3g,  
oE H""Bd  
[attachment=98431]
s6k@WT?"^  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
[@&0@/s*t'  
IOjp'6Yr  
现在的THIRD SENS为: YXi'^GU@  
[attachment=98427]
bl8EzO  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
^]cl:m=*  
,DZoE~  
新BTOL宏代码如下: x/B1\U I  
CHG (T9Q6 \sa  
NOP `Nnaw+<]  
END =Lc!L !(,b  
>STAPrBp+  
BTOL 2                      !设置置信区间 L2,.af6+  
)43\qIu\  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 v/m} {&K  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 ,'nd~{pX"(  
 l:i&l?>_  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             QH d^?H*  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 ]VCVV!G_=n  
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 tpY]Mz[J  
                                             数字100是指允许的最大调整值; $5]}]  
5{"v/nXV  
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 wqnHaWd*  
n ZbINhls  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 d:X@zUR*)  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 i!a. 6Gq  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: VL?sfG0  
[attachment=98435]
X7g@.Oy`  
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。 mM$|cge"  
[attachment=98459]
Lhz*o6)  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
6L!/#d0  
[attachment=98460] +v.<Fw2k#  
h]>QGX[kC  
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。
%4QpDt  
[attachment=98432] {O=PVW2S  
=] +owl2  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
Ct<]('Hm(  
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: B4Fuvi  
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 CiNOGSlDj  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 F%tV^$%  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 Dx5X6t9=  
M/mm2?4  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 LsI8T uv  
PANT GiK4LJ~cH)  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 Q;xJ/4 Z"  
VLIST TH 2 4 6 }`~n$OVx  
END ib\_MNIb  
B6yTD7  
AANT 6KRC_-  
GSO 0 1 5 M 0 }1#prQ0F  
GNO 0 1 5 M 1   bk=ee7E7>  
END xjy(f~'  
SNAP 0g`$Dap  
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 FPE%h =sw  
OfK>-8  
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 S?[@/35)  
PANT ;EB^1*A Ew  
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 %#<MCiaK  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 0NF=7 j  
VY 5 YDC 2 100 -100 TYKs2+S6  
VY 5 XDC 2 100 -100 ^)UX#D3b  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 AnK~<9WQj  
END DS1{~_>nFu  
AANT vB%os Qm  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F 7|PB6h3  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   i*((@:  
END 4q"4N2  
SNAP .%EYof  
SYNO 30 B#G:aBCM  
o/6VOX  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 U0;pl2  
ni85Ne$  
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。  :Y Ki  
[attachment=98433] S J2l6  
$Jo4n>/  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
`=$p!H8  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: T I|h  
[attachment=98462] DF>3)oTF  
w>o/)TTJL  
[attachment=98463] *M ^ <oG  
7^7Jh&b)/  
相应的局部放大轴上视场直方图
PX*}.L *x  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: bC /Ql  
[attachment=98465] 9:P\)'y?  
TwsI8X  
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: suS[P?4  
[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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