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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
2  *IF  
[/hS5TG|7  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: sUN>uroi !  
RLE                                                     !读取镜头文件 6kuN)  
ID F10 APO                                        !镜头标识 *( YtO  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 ?P@fV'Jo  
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。 Z]DO  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 UZ0fw@RM  
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 drP2% u  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 ?z%@;&  
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 /AV [g^x2  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 x7K   
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 _/bFt6  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 wNL!T6"G  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 e `zEsLs@  
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 }1]/dCv  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 D.Rk{0se8  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 yaD<jc(O  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 tt%Zwf  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 TU$PAwn=  
5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133   !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 U^vQr%ha  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 ;ZX P*M9  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 ^I3cU'X  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 aSd$;t~  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 fx %Y(W#5  
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 NLFs)6\  
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 v'Ce|.;  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 _a@&$NEox  
END                                                                                  !以END结束 B3K!>lz  
H=] )o2 1  
0}Rxe  
运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:
[attachment=98428] *k==2figz  
tagkklJ~  
图1 消色差透镜的初始设计
H`q" _p:  
点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: ;Q&38qI  
[attachment=98447] yjs5=\@  
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 r) Ts(#Z  
而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 r_p9YS@I  
[attachment=98448] y[[f?rxz>  
得到玻璃的色散图如下: t^ L XGQ  
[attachment=98450] 7IW:,=Zk8+  
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: JPfNf3<@My  
[attachment=98451] \eF5* {9  
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 (UDF^  
如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 44FK%TmtF  
Ol H{!  
[attachment=98452] NCYN .@J  
yLCqlK  
从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 I7TdBe-  
{6Lkh  
于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 *zeY<6  
[attachment=98453] jC+>^=J(  
}MP2)6  
另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: 1)(p=<$  
[attachment=98454] ha  
xal,j*  
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: ,OWdp<z  
[M_pf2Y  
[attachment=98429] d,[.=Jqv[  
sj a;NL  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 *}R5=r0  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: nL!h hseH  
PANT                                            !参数输入 S!.aBAW  
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 >SpXB:wx  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 o/buU{)y  
END                                              !以END结束 h`+Gs{1qw  
HRIf)n&~f  
AANT                                           !像差输入 :,rD5a OQ  
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 IIeEe7%#  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 Ht+ng  
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; f^](D'L?D  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 @v_E' 9QG^  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 ^ L'8:  
END                          !以END结束 h95C4jBE  
i,rP/A^q  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 ONJW*!(  
SYNO 30                  !迭代次数30次 *LcLYxWo  
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'。 ;=: R|  
I9*o[Jp5  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
Fp4?/-]  
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: }Bw=2 ~  
CHG                    !改变镜头 $D5[12X  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 qyl~*r*  
END                     !以END结束 ^.Q{Aqu#.H  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 $>v^%E;Y4  
8B;`9?CI  
[attachment=98455] U y^Hh4|  
/:"%m:-P  
离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 nQK@Uy5Yr  
[attachment=98456] 8F($RnP3  
Iu|G*~\  
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。 PN/2EmwtC  
[attachment=98457] 3Zg=ZnF  
]n?a h  
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: R4!qm0Cd  
CHG `}k!SqG  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 p`gg   
END \sHM[n F0  
I /3=~;u  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: ~B>I?j  
[attachment=98458] -qfd)A6]  
i051qpj  
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。 JeMhiY}  
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。 9Q=g]int u  
[attachment=98436]
GW'=/ z7  
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。 N rVQK}%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。 (~-q}_G;Q  
}@@1N3nnxV  
[attachment=98434]
 &N0W!  
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? h 7kyz  
在CW中输入THIRD SENS: Bx E1Ky8@A  
lO%Z4V_Mj  
[attachment=98426]
[=e61Z  
uI%h$  
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。 <| |Lj  
/.'1i4Xa1P  
优化宏代码如下: gtJ^8khME  
PANT cgYMo{R3  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 [HF)d#A  
VLIST TH 2 4 la)f\Nk  
END r-]R4#z>  
AANT C,]Q/6'>  
AEC -iBu:WyY$  
ACC 9foQ0#R  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; 'BAe>r_Pn  
GSO 0 1 5 M 0 0   _<;#=l  
GNO 0 .2 4 M .75 0   )~d2`1zGS  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   ,~K_rNNZ  
END 3I:DL#f  
SNAP TW3:Y\p  
SYNO 30 <n }=zu  
'ZT!a]4  
=Z#tZ{"  
优化后的透镜结果,如图4所示: !"2 OcDFx  
Uj k``;  
[attachment=98431]
\_x)E]D  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
b% $S6.  
iCAd7=o  
现在的THIRD SENS为: b@1QE  
[attachment=98427]
DX$`\PA  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
h^hEyrJw  
42z9N\ f  
新BTOL宏代码如下: 9-Ib+/R0  
CHG MM'<uy  
NOP _tjFb_}Q  
END bL0+v@(r  
Q7=J[,V:2  
BTOL 2                      !设置置信区间 DT9i<kl  
!\awT  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的  k[vn:  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 #Q'i/|g   
~PlwPvWo  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             MIR17%G  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 }ZYK3F  
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 G)<k5U4  
                                             数字100是指允许的最大调整值; tD4IwX  
,\=u(Y\I[  
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 }FM<uBKW  
(O`=$e  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 u'32nf?  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 -3 W 4  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: l}O`cC  
[attachment=98435]
uxh4nyE  
接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 c,D'Hl6(%  
[attachment=98459]
#=O0-si ]P  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
Ix *KL=MG  
[attachment=98460] '6/uc:zv  
S0 yPg9v  
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
#;mZ3[+i5  
[attachment=98432] p:4vjh=1h  
 )bK<t  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
3_ zI$Z  
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: $C[YqZO  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 qQ1m5_OD`z  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 Q'|cOQX  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 6B+ @76wH  
lA]u8+gXd  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 !Uj !Oy  
PANT oO UVU}H  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 2j"%}&  
VLIST TH 2 4 6  (K?[gI  
END CZa9hsM  
G2jEwi  
AANT Yd<~]aXM   
GSO 0 1 5 M 0 eq@ v2o7  
GNO 0 1 5 M 1   lN1zfM  
END 7=<PVJ*/  
SNAP D8dTw{C  
EVAL   !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 VJ$C)0xQA  
aIfog+Lp  
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 }pTj8Tr  
PANT DC$ S. {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 tlcA\+%)  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 '<}7bw}+c  
VY 5 YDC 2 100 -100 jkdNisq37  
VY 5 XDC 2 100 -100 m+u>%Ys`  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 Tbwq_3f K  
END pDKJLa  
AANT k|lxJ^V#  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F oVhw2pKpM  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   FVD}9ia  
END Xoik%T-  
SNAP L;`4"  
SYNO 30 -e)bq: T  
57j:Lw~   
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 )RkU='lB "  
C )I"yeS.  
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。 pUwX cy<n  
[attachment=98433] i ;tA<-$-  
n$P v2qw  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
\W\6m0-x  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: SP*5 W)6  
[attachment=98462] a-} %R  
>3kR~:;  
[attachment=98463] 2+P3Sii  
vV'^HD^v  
相应的局部放大轴上视场直方图
y k5P/H)  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: wYxizNv,  
[attachment=98465] R5i8cjKZ?w  
,yqzk.  
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: zbi  
[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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