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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
]g/:lS4  
r4X0. mPY*  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: !xqy6%p  
RLE                                                     !读取镜头文件 @y"/hh_?  
ID F10 APO                                        !镜头标识 5uo?KSX%  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 ! 06 !`LT  
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。 &oU) ,H  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 6"OwrJB  
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 [9hslk  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 O_gr{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 1KHFzx,  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 5o v F$qn  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 nM=5L:d  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 2r zOh},RS  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 YI877T9>  
3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 C i?BJ,  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 ){D6E9  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 ZmXO3,sf)  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 >EacXPt-O  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 ?j'Nx_RoX  
5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133   !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 K@RE-K6{  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 sxP1. = W  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 h?8I`Z)h  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 nfj8z@!  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 6 h?v/\  
6 UMC -0.05000000       !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。
6 TH     39.24611007      !表面6的厚度 e$vvmbK.  
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 > TKl`O  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 \H^A@f  
END                                                                                  !以END结束 .!oYIF*0zC  
SV?^i`  
8LPvb#9=  
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] 4\#b@1]}  
# $N)  
图1 消色差透镜的初始设计
rDD,eNjG  
点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: t.s;dlx[@  
[attachment=98447] N I*x):bx  
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 d~ |/LR5  
而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 X2[d15!9  
[attachment=98448] s7789pR  
得到玻璃的色散图如下: 9%^IMUWA  
[attachment=98450] +46m~" ]  
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: 2F z;TNS  
[attachment=98451] lihV! 1  
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 @L-] %C  
如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 0etJ, _">  
q r<+@Q  
[attachment=98452] a,/wqX  
jYxmU8  
从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 "0V8i%a  
~d9@m#_T#~  
于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 LQo>wl  
[attachment=98453] =[ +)T[  
(fTi1 I!  
另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: n>o0PtGxC  
[attachment=98454] l&2pUv=  
Qt~QJJN?oF  
现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: GV"X) tGo  
e.>>al  
[attachment=98429] `h(*D   
[ U`})  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 Y+ Qm.  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: -qDM(zR  
PANT                                            !参数输入 M3EB=tU  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 gP^p7aYwn  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 QcN$TxU>  
END                                              !以END结束 jTh^#Q  
 aj|gt  
AANT                                           !像差输入 DxvD 1u   
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 SO#R5Mu2N  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 0;X0<IV  
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\M}  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 'VQ mK#  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 Be4n\c.  
END                          !以END结束 qN@-H6D1=  
*S?vw'n  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 `9vCl@"IV  
SYNO 30                  !迭代次数30次 '7ps_pz  
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'。 LEgx"H=c  
CY?19Ak-xd  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
79y'PFSms  
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: 9`| ^cL*6  
CHG                    !改变镜头 8)m  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 ?>}&,:U}   
END                     !以END结束 {{+woL'C  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 WvVf+| Km  
>=VtL4K^  
[attachment=98455] 6d#:v"^,  
dp=#|!jc  
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。 '>aj5tZ>R  
[attachment=98456] S>N/K  
AfqthI$*m  
透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 G8hq;W4@]/  
[attachment=98457] .0ExHcr  
x/]]~@:  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: tEC`-> |  
CHG m{ VC1BkZ  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 E#^?M#C  
END # ZcFxB6)  
n| [RXpAp3  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: Hp1n*0%dZ&  
[attachment=98458] kA/V=xO<  
<}z, !w8  
其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 >}|Vmy[/  
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 #>[5NQ;$'  
[attachment=98436]
LE>b_gQ$ 2  
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。 ?T\_"G  
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。 g0M9v]c  
q#|,4( Z  
[attachment=98434]
go[(N6hN  
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? n>##,o|Vr#  
在CW中输入THIRD SENS: dxwH C\"5  
??g`c=R!V  
[attachment=98426]
 `GQ'yv  
k2t#O%_f  
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。 idLCq^jnJ  
4&a,7uVer  
优化宏代码如下: O9Fg_qfuT_  
PANT Ua](o H  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 .V'=z|   
VLIST TH 2 4 iTpU4Qsj  
END _=d X01  
AANT  b :J$  
AEC & ~*qTojj  
ACC szG0?e  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; MRZ/%OZ.  
GSO 0 1 5 M 0 0   RbA.%~jjx*  
GNO 0 .2 4 M .75 0   Or9`E(  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   x O gUX6n  
END oyt#CHX  
SNAP r@9qjva  
SYNO 30 6~b]RZe7  
9YjO  
Xj+oV  
优化后的透镜结果,如图4所示: Ohe* m[  
LnY`f -H  
[attachment=98431]
zbM*/:Y  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
Y#[>j4<T  
Bx&F*a;5  
现在的THIRD SENS为: ``j8T[g  
[attachment=98427]
MV.$Ay  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
Z/hk)GI  
MG6y  
新BTOL宏代码如下: ))z1T8  
CHG K,o@~fj  
NOP zEu15!~   
END \XI9 +::%  
w6w'Jx  
BTOL 2                      !设置置信区间 HGJfj*JH  
qV`JZ\n  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 v7kR]HU[y  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 <GthJr>1D  
fvUD'sx  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             $F,&7{^  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 pHpHvSI  
ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 OYC\+ =  
                                             数字100是指允许的最大调整值; qp6*v&  
vKCgtk  
PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 7:>VH>?D  
Zagj1 OV|  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 Q'mLwD3>  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 6QC=:_M;  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: /e0cx:.w  
[attachment=98435]
1; "t8.*%e  
接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 zJJ6"9sl  
[attachment=98459]
M zbs#v0  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
*~0Ko{Avc  
[attachment=98460] w_sA8B  
ggR--`D[  
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
8!c#XMHV  
[attachment=98432] eyLVu.  
mGK-&|gq  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
X%>Sio  
于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: U.[?1:v  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 \f AL:mJ  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 1>!wm0;x  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 7w U$P  
jD eNCJ  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 {ta0dS;1  
PANT ?<#2raH-  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 i(k]}Di:  
VLIST TH 2 4 6 c T!L+z g  
END DrTo")T  
$j\UD8Hj'-  
AANT p`i_s(u  
GSO 0 1 5 M 0 +C(v4@=nd  
GNO 0 1 5 M 1   -a}d @&  
END 3N ]  
SNAP /W6r{Et  
EVAL   !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 T|c9Swu r  
t`XY Y  
PHASE 2              !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 8?S)>-mwv  
PANT P2+Z^J`Y>  
VY 3 YDC 2 100 -100   !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 8jnz;;|  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 ,;2x.We  
VY 5 YDC 2 100 -100 )/hb9+S  
VY 5 XDC 2 100 -100 N1LZXXY{  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 "^~>aVuXf  
END t1I` n(]n  
AANT ET&Q}UOE  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F 'kD~tpZ  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   O-M4NKl]6  
END B>11  
SNAP RtR5ij1  
SYNO 30 c 4<~? L  
c==` r C  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 ^r7-|  
W|PKcZ ]Uc  
运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 nj7wc9z4  
[attachment=98433] ?}N@bsl08w  
+N9(o+UrU  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
}- Jw"|^W  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: t^ =6czk  
[attachment=98462] j]#-DIL  
kW#{[,7r  
[attachment=98463] #l(cBM9sz  
(L)tC*Qjc  
相应的局部放大轴上视场直方图
DO!?]"  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: u0md ^  
[attachment=98465] !KUV ,>L  
0aMw  
打开MPL对话框设置后,点击DWG得到透镜装配图,图中添加了空气间隙,倾斜角,还有偏心公差: Ba$Ibq,r/  
[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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