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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
Rfa1 v*(  
$stJ+uh  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: eW7;yH  
RLE                                                     !读取镜头文件 @BW~A@8  
ID F10 APO                                        !镜头标识 Y#?Sqm(  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 lv$tp,+  
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。 z4{|?0=C  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 GbStqR~^#  
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 c1MALgK~}\  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 /A <L  
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 }ZvL%4jT  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 (hd2&mSy  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 e7vPi QCc  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 Zf?>:P  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 K[T? --H  
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 Q !S"=2  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 (kb^=kw#0  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 SB eb}LZ  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 iSIj ?.  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 FeSe^^dW  
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 EkjO4=~UC  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 HRPTP+  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 uWi+F)GS^K  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 Cd6^aFoK!  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 c5]^jUB6  
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 ivw2EEo,  
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 =AZ>2P  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 *PZNZ{|m  
END                                                                                  !以END结束 8~rD#8`6j  
`C] t2^  
oh#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] ETjlq]@j  
z#bO FVg#  
图1 消色差透镜的初始设计
(AXS QI~y  
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\i7RET  
[attachment=98447] \f@PEiARG7  
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。 Wd&!##3$Q  
而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 >RF[0s'-  
[attachment=98448] JBi<TDm/  
得到玻璃的色散图如下: ]#R;%L  
[attachment=98450] <\2,7K{{+;  
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: GG%j+Ed  
[attachment=98451] 'S@C,x%2,  
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 9$ UjZ$ v  
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。 EvQN(_  
,C(")?4aJ  
[attachment=98452] ;se-IDN  
']A+wGR&r  
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。 *vUKh^="  
tY%c-m  
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。 [g_f`ZJ=  
[attachment=98453] xJN JvA  
}_gCWz-5?  
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: 8Ay#6o  
[attachment=98454] [ o3}K  
I)Lg=n$  
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: }T4"#'`  
$>8+t>|  
[attachment=98429] Ok2k; +l  
aq,&W q@  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 kJHUaXM  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: )k <ON~x  
PANT                                            !参数输入 >Y)jt*vQ  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 Gzc{2"p  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 c,X\1yLy  
END                                              !以END结束 ]%ikr&78u  
9'td}S  
AANT                                           !像差输入 O^F%ssF8  
AEC                                              !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 h^?[:XBeav  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 "2N3L8?k  
GSO 0 1 4 M 0 0  !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; ,? <jue/bd  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 :=UeYm @  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 2O`uzT$  
END                          !以END结束 {C|#<}1  
%L<VnY#%u  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 .+|G`*1<i  
SYNO 30                  !迭代次数30次 tjuW+5O  
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'。 ^xu`NE8;  
"xdXHuX  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
:$dGcX}  
接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: c*HS#C7'2  
CHG                    !改变镜头 lmQ!q>N  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 FzA_-d/_dg  
END                     !以END结束 .oN<c]iqE  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 IAhyGD{b  
!`)-seTm  
[attachment=98455] l4|bpR Cp  
Yg<o 9x$  
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。 =36vsps=  
[attachment=98456] n"(n*Hf7b  
`f8{ ^Rau  
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。 )=[K$>0k  
[attachment=98457] u}qfwVX Z  
-`&4>\o2Lx  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: 6V*@ {  
CHG vn6/H8  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 o T5?*3f  
END v^HDR 3I  
XDz![s  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: c{V0]A9VF  
[attachment=98458] `i,ZwnLh{  
Cdot l$'  
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。 ;)u}`4~L  
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。 ]cLpLA"  
[attachment=98436]
2RT9Q!BX{  
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。 yQM7QLbTk  
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。 K>,Kbs=D6  
* 8kg6v%  
[attachment=98434]
s7D_fv4e  
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{  
在CW中输入THIRD SENS: JrOp-ug  
`jvIcu5c  
[attachment=98426]
DTl M}  
7==Uz?}C  
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。 FOM~Uj  
--Dw8FR9  
优化宏代码如下: #fzvK+  
PANT 3k5Mty  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 vObP(@0AM  
VLIST TH 2 4 Y^2`)':  
END +}I[l,,xy  
AANT b+[9) B)a?  
AEC |\XjA4j  
ACC *~lD;{2  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; JUF[Y^C  
GSO 0 1 5 M 0 0   -]+ XTsL  
GNO 0 .2 4 M .75 0   [j 'Ogm7"  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   fP&F$"o8  
END &:S_ewJK7  
SNAP 1AjsAi,7;2  
SYNO 30 4+$<G/K  
VahR nD  
F,11 \j  
优化后的透镜结果,如图4所示: % 95:yyH 0  
G|4vnIS  
[attachment=98431]
cx_[Y  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
^ B=x-G.  
b+OLmd  
现在的THIRD SENS为: J= ia  
[attachment=98427]
Hm-+1Wx  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
I{_St8  
"SNsOf  
新BTOL宏代码如下: PC.$&x4w1  
CHG U^+9l?ol  
NOP -,TBUWg  
END X']>b   
Mpk^e_9`<  
BTOL 2                      !设置置信区间 SV<*qz  
l0U6eOx  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 5y(irbk7  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 ;}A#ws_CD_  
Av.(i2  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             b v\V>s  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 `]LaX&u  
ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 xp)#a_}  
                                             数字100是指允许的最大调整值; /q uf'CV}  
"f!*%SR: 1  
PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 T9t9])  
Dr6Br<yi  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 [9BlP  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 jm.pb/  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: 9(ZzwkD'>  
[attachment=98435]
pEH[fA]  
接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 )_GM&-  
[attachment=98459]
UciWrwE  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
r?{Vqephz  
[attachment=98460] B 0 K2Uw  
D8m?`^Zz  
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
#7lkj:j4  
[attachment=98432] x^+ C[%  
pr;<n\Y{  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
D'fP2?3FK  
于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: @ RTQJ+ms  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 u\t[rC=yd  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 ^nbze  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 Jgtv ia  
z9w@-])  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 k{c~  
PANT ~q4DePVE  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 e&; c^Z  
VLIST TH 2 4 6 {@Diig  
END `Jm{K*&8Q  
0qG[hxt%  
AANT d2.n^Q"?3  
GSO 0 1 5 M 0 <' P|g  
GNO 0 1 5 M 1   {D."A$AAa  
END W.MJyem  
SNAP k_P`t[YZV  
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 D.*JG7;=Z  
o&(%:|  
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 rt^z#2$  
PANT ?#04x70  
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 w2+RX-6Ie  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 (g7nMrE$j  
VY 5 YDC 2 100 -100 ;lYO)Z`3\  
VY 5 XDC 2 100 -100 V9Au\  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 +S;8=lzuV  
END hZ2PP ^  
AANT I=(O,*+PQ  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F X){F^1CT{  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   }-r"W7]k  
END Tw!x*  
SNAP 2mU}"gf[  
SYNO 30 JSGUl4N  
t&eD;lg :  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 {GHGFi`Z  
e% 5!  
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。 1+y&n?  
[attachment=98433] -F8%U:2a  
>W-e0kkH  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
rBr28_i   
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: _^P>@ ^  
[attachment=98462] + s[(CI.b  
q8kt_&Ij  
[attachment=98463] 4?%0z) g  
)s6tj lf8  
相应的局部放大轴上视场直方图
P]6pPS  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: ~gBqkZ# y?  
[attachment=98465] KJ9~"v  
.zegG=q  
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: kQ'G+Kw~F  
[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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