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 Rfa1v*( $stJ+uh 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: eW7;yH RLE !读取镜头文件 @BW~A@8 ID F10 APO !镜头标识 Y#?Sqm( WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 lv$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 e7vPiQCc 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 SBeb}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 *PZN Z{|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#bOFVg#
图1 消色差透镜的初始设计 (AXSQI~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$>0k
[attachment=98457] u}qfwVX Z
-`&4>\o2Lx 现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: 6V*@
{ CHG vn6/H8
6 NCOP !移除表面6的曲率求解 oT5?*3f END v^HDR 3I XDz![s 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: c{V0]A9VF
[attachment=98458] `i,ZwnLh{
Cdotl$' 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] DTlM} 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|4 vnIS
[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.$&x4w1 CHG U^+9l?ol NOP -,TBUWg END X']>b Mpk^e_9`< BTOL 2 !设置置信区间 SV<*qz l0U6eOx EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 5y(irbk7 EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 ;}A#ws_CD_ Av.(i2 TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 bv\V>s TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 `]LaX&u ADJUST 6 TH 100 100 !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 xp)#a_} 数字100是指允许的最大调整值; /quf'CV} "f!*%SR:
1 PREPARE MC !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 T9t9]) Dr6Br<yi GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 [9BlP STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 jm.pb/ 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: 9(ZzwkD'>
[attachment=98435] pEH[fA] 接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 )_GM&-
[attachment=98459] UciWrwE
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: r?{Vqephz
[attachment=98460] B
0 K2Uw
D8m?`^Zz
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
#7lkj:j4
[attachment=98432] x^+ C[%
pr;<n\Y{
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 D'fP2?3FK 于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: @
RTQJ+ms FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 u\t[rC=yd PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 ^nbze FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 Jgtvia z9w@-]) PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 k{c~ PANT ~q4DePVE VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 e&;c^Z VLIST TH 2 4 6 {@Diig END `Jm{K*&8Q 0qG[hxt% AANT d2.n^Q"?3 GSO 0 1 5 M 0 <' P|g GNO 0 1 5 M 1 {D."A$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
)s6tjlf8
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]
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