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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
&(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 EA 4a Z6%  
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] $kJvPwRO  
VAc-RaA  
图1 消色差透镜的初始设计
E7+ y W  
点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: Wx"bW ICc  
[attachment=98447] Vw=eC"  
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 F ]\4<  
而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 \;p5Pagx0-  
[attachment=98448] eKpH|S!x U  
得到玻璃的色散图如下: E/:<9xl  
[attachment=98450] bT>% *  
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: ;}3wT,=sN  
[attachment=98451] pL>Q'{7s3  
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 xfqgK D>  
如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 .@.,D% 7<  
<FmrYwt  
[attachment=98452] [ V()7  
.hlr)gF&)  
从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 }4Lv-9s,  
TPp%II'*  
于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 UDV,co  
[attachment=98453] {) 4D1  
oddS~lW  
另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: I(/W+ o  
[attachment=98454] 3> -/sii  
pox\Gu~.0  
现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: o`\l&jUNe  
\?h +  
[attachment=98429] /<s'@!W  
~!j1</$_  
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:m 7;  
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 ItHKpTe r  
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 ]plg@  
-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, &'  
yp wVzCUG  
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$.  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: DoX#+ 07u4  
CHG ]zmY] 5  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 ko@I]gi2  
END ~0 >g 4 D.  
&!2 4l=!  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: \;I%>yOIu  
[attachment=98458] ^O6PZm5J}  
6Y)'p .+g  
其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 7ml,  
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 aRdk^|}  
[attachment=98436]
D&0*+6j((  
预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 2Prr:k  
透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 P-ys$=  
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 $L)9'X   
END ea3AcT6  
AANT 8h=H\v^f  
AEC DhG2!'N  
ACC y;keOI!  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; E[/<AY^@!z  
GSO 0 1 5 M 0 0   p )etl5  
GNO 0 .2 4 M .75 0   "uDLty?*k  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   vo-n9Bj  
END  MScjq  
SNAP WO/;o0{d\9  
SYNO 30 IfF<8~~E  
eVjr/nm  
t~)w921>  
优化后的透镜结果,如图4所示: 6c^2Nl8e  
H|tbwU)J  
[attachment=98431]
CtTG`)"|  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
*P5Xy@:  
w[I%Id;E  
现在的THIRD SENS为: ~j^HDHY@  
[attachment=98427]
I?c# T Rm  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
aAh")B2  
F6dm_Oq&  
新BTOL宏代码如下: w1KLQd:yq  
CHG :iD( [V  
NOP :aV(i.LW  
END W( E!:  
mhH[jO)  
BTOL 2                      !设置置信区间 @2v L'6  
sI, T"D?  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 Wy.2*+5FX0  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 HTao)`.  
Q!7Er  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                              gG1%.q  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 IxAKIa[HY  
ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 KV k 36;$  
                                             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' Uc A  
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 Wjc1EW!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。 ,~u5SR  
[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]
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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