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 &(fB+VNrOH A#W%ud4 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: q|,I\H5} RLE !读取镜头文件 TxhTK5#f ID F10 APO !镜头标识 BJ3st WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 "`DCXn#mB 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。 q/,W'lQ\; UNITS INCH !透镜单位为英寸 IKM=Q.
7j
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 Q{Gi**< 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 kb?QQ\e 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 VVdgNT|}W 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 Yn,dM~|Cc 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 "D7*en 2 AIR !表面2处于空气中 Urhh)i 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 hq.z:D 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 pR8]HNY0 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 /xjHzva^ w 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 yV:DR 4 AIR !表面4处于空气中 M:W9h+z 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 ^5biD9>M 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 o<e AZ 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10
?lzg )88I 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 EA4aZ6% 6 AIR !表面6处于空气中 `j088<?j 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 rMqWXGl`(
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 {A4"KX(U 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 raGov` 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 9rX[z : END !以END结束 c"%XE#D #;U_ L`q t#kR@t+6$\ 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] $kJvPwRO
VAc-RaA
图1 消色差透镜的初始设计 E7+y
W 点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: Wx"bW ICc
[attachment=98447] Vw=e C"
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 F ]\4< 而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 \;p5Pagx0-
[attachment=98448] eKpH|S!xU
得到玻璃的色散图如下: E/:<9xl
[attachment=98450] bT>%
*
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: ;}3wT,=sN
[attachment=98451] pL>Q'{7s3
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 xfqgK D> 如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 .@.,D% 7< <FmrYwt
[attachment=98452] [V()7
.hlr)gF&) 从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 }4Lv-9s, TPp%II'* 于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 UDV,c o
[attachment=98453] {) 4D1
oddS~lW 另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: I(/W+o
[attachment=98454] 3> -/sii
pox\Gu~.0 现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: o`\l&jUNe \?h +
[attachment=98429] /<s'@!W
~!j1</$_ 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 4(2}O-~ 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: yInW?3 PANT !参数输入 ~\}%6W[2 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 83:m7; VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 "m ):" END !以END结束 dx}()i\@ aB-*l
%x AANT !像差输入 }m/aigA[1 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 <6U{I ' ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 3zY"9KUN 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; :51Q~5k4
GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 %Vrl"4^}t GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 ,\4@Ao END !以END结束 ItHKpTer V:)k@W?P SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 w<&Nn`V SYNO 30 !迭代次数30次 gvYa&N 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'。 <^|8\<J
+Vt@~Z4K
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 `,tv&siSA 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: uu1-` !% CHG !改变镜头 <_8\}! NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 soA>&b!? END !以END结束 {>fvyF PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 ]pl g@ -4Zf0r1u
[attachment=98455] 8},!t\j#]
#* j 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。 6GMQgTY^
[attachment=98456] 9s6, &'
ypwVzCUG 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。 "d/x`Dx
[attachment=98457] l~AmHw
e
7&/iuP$. 现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: DoX#+
07u4 CHG ]zmY]5 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 ko@I]gi2 END ~0>g 4
D. &!2
4l=! 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: \;I%>yOIu
[attachment=98458] ^O6P Zm5J}
6Y)'p
.+g 其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 7ml, 在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 aRdk^|}
[attachment=98436] D&0*+6j(( 预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 2Prr:k
透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 P-ys$= WM*[+8h
[attachment=98434] ?lnX."eAdB 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? J1YP-: 在CW中输入THIRD SENS: L0qo/6|C \,!FL))yC
[attachment=98426] ~ULuX"n .8uJ%'$) 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。 I{JU<A,& ",(-AU!a)h 优化宏代码如下: HtgVD~[] PANT *^ \xH ,. VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 5 .0BaVwi VLIST TH 2 4 $L)9'X END ea3AcT6 AANT 8h=H\v^f AEC DhG2!'N ACC y;keOI! M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; E[/<AY^@!z GSO 0 1 5 M 0 0 p
)etl5 GNO 0 .2 4 M .75 0 "uDLty?*k GNO 0 .1 4 M 1.0 0 vo-n9Bj END MScjq SNAP WO/;o0{d\9 SYNO 30 IfF<8~~E eVjr/nm t~)w921> 优化后的透镜结果,如图4所示: 6c^2Nl8e H|tbwU)J
[attachment=98431] CtTG`)"|
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 *P 5Xy@: w [I%Id;E 现在的THIRD SENS为: ~j^HDHY@
[attachment=98427] I?c# T Rm
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 aAh")B2 F6dm_Oq& 新BTOL宏代码如下: w1KLQd:yq CHG :iD([V NOP :aV(i.LW
END W(E!: mhH[jO) BTOL 2 !设置置信区间 @2v L'6 sI,T"D? EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 Wy.2*+5FX0 EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 HTao)`. Q!7Er TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 gG1%.q TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 IxAKIa[HY ADJUST 6 TH 100 100 !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 KV k
36;$ 数字100是指允许的最大调整值; bLUn>ch 8c`g{
*z 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 t/yGMR= !lG5BOJM GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 H2 5Mx>|d STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 5?kJ]: 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: j+\I4oFN
[attachment=98435] 1/c7((]7(, 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。 dms R>Q
[attachment=98459] C|5eV=f)P
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: |Kky+*
[attachment=98460] +v2Fr}
+e);lS"+/
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。 kIWQ
_2
[attachment=98432] AYeA)jk
q]T{g*lT
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 KFCrJ) 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: JOS,>;;F4 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 ):;
&~ PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 Z)<ljW FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 &%+}bt5 n"N!76 PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 ~cbq5|| PANT ^s\(2lB\F VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 6Db1mvSe VLIST TH 2 4 6 7pH(_-TF END @G+Hrd6 2Vas`/~u~ AANT kngkG|du GSO 0 1 5 M 0 w&jyijk( GNO 0 1 5 M 1 AP'UcA END U']DB h SNAP zPEx;lO$ 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 xQ\/6| /.9j$iK# 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 :CH "cbo PANT I:CnOpR>A 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 lM`M70~ VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 =kH7 VY 5 YDC 2 100 -100 5+\[x` VY 5 XDC 2 100 -100 "aIiW VQ VY 6 TH !改变表面6的厚度 A&*lb7X END (Gr8JpV AANT `[3Iz$K= GNO 0 1 4 M 0 0 0 F ) (unL`y GNO 0 1 4 M 1 0 0 F h[b5"Uqj END }R4%%)j(Vj SNAP u&yAMWl SYNO 30 };6[Byf DP ,owk PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 Wjc1 EW!2x Aw9se"d 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。 ,~u 5SR
[attachment=98433] n[8ju,=
zs|R#?a=
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 M}=X/*T 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: R_ymTB}<t(
[attachment=98462] F^.w:ad9<
(jd)sf6Tj[
[attachment=98463] !2R~/Rg
Sm(X/P=z
相应的局部放大轴上视场直方图 t0h@i`
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: &oI;^| [attachment=98465] #$7d1bx
12qX[39/
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: H~IR:WOw [attachment=98464]
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