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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
r?64!VS;  
jZXVsd  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: E4Y "X  
RLE                                                     !读取镜头文件 L7SEswMti  
ID F10 APO                                        !镜头标识 wn &$C0  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 Y.DwtfE  
APS 3           !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 d32@M~vD  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 90Xt_$_}s  
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 %z(9lAe  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 Px'R`1^  
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 9aTL22U?  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 )r ULT$;i@  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 ^ [ET&"  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 T1l&B  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 8ou e-:/a  
3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 HDyQzCG,  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 YV*b~6{d  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 zLh Fbyn(  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 Oc7 >S.1  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 -Bj.hx*  
5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133   !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 ;xL67e%?  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 Uf# PoQ!y  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 hO#HvW  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 ]x1p!TSU  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 smV!y8&  
6 UMC -0.05000000       !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。
6 TH     39.24611007      !表面6的厚度 \ 0D$Mie  
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 TW>?h=.z  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 e[s5N:IUd3  
END                                                                                  !以END结束 ICk(z~D~  
. =&Jo9  
pP3U,n   
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] ,NDh@VYe  
3Q",9(D  
图1 消色差透镜的初始设计
G OpjRA@  
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: @\ }sb]  
[attachment=98447] QW2?n`Fa9-  
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。 P2On k l  
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’。 CQ<8P86gt  
[attachment=98448] U M@naU  
得到玻璃的色散图如下: Yr+d1(  
[attachment=98450] V7P6zAJy  
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: SWT:frki`  
[attachment=98451] M2dmG<  
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。  *. 8JP  
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。 8\DME  
L7m`HVCt&  
[attachment=98452] 90p3V\LO  
82|q7*M*.  
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。 `0?^[;[u[  
'|&,E#`  
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。 Z9xR  
[attachment=98453] D{R/#vM jk  
<^Nk.E  
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: ZY)%U*jWU  
[attachment=98454] U,HIB^= R  
XoJgs$3B  
现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: /tP7uVL R  
Y xJ`-6  
[attachment=98429] [.a;L">  
C%]."R cMC  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 YwXXXh  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: Evkt_vvf  
PANT                                            !参数输入 EMh r6</  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 .liyC~YW  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 Q<yAT(w  
END                                              !以END结束 O ^0"  
_W|R;Cz]  
AANT                                           !像差输入 0Z,{s158L  
AEC                                              !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 PPj[;(A  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 n8$=f'Hgb  
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; x{Sd P$  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 2h<U  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 [fxuUmU  
END                          !以END结束 Pcdf$a"`  
U{}!y3[wK  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 y AOg\+  
SYNO 30                  !迭代次数30次 JpmB;aL#%  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 ]\BUoQ7I/  
]`d2_mu  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
[f/.!@sj  
接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: JOHR mfqR  
CHG                    !改变镜头 d=y0yq{L  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 sPy2/7Wqd  
END                     !以END结束 z,x" a  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 :+:6_x  
<s}|ZnGE   
[attachment=98455] x'qWM/  
.=XD)>$  
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。 LN^UC$[tk  
[attachment=98456] 30_ckMG"g  
E/mw* c^  
透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 DbtF~`3, .  
[attachment=98457] .*!#98pT  
N _G4_12(  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: xGRT"U(  
CHG \QT9HAdd@  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 A,BEKjR~J  
END !)c=1EX]"  
X>t3|h  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: BS7J#8cu  
[attachment=98458] :Q-oV8t{  
@Tr&`Hi  
其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 [N:BM% FQ  
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 ZXt?[Ll  
[attachment=98436]
~+HoSXu@E  
预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 nU/;2=f<  
透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 OJ/SYZ.r  
J?%}=_fsa  
[attachment=98434]
7tgFDLA  
现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? S;=_;&68?  
在CW中输入THIRD SENS: S0LszW)e  
J#aVo &.Y  
[attachment=98426]
+O+<Go@a  
#3 bv3m  
SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。 =nU/ [T.  
ZJ(rG((!  
优化宏代码如下: tg85:  
PANT ^u)rB<#BR  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 OOB^gf}$'  
VLIST TH 2 4 m<:IFx#  
END [U.v:tR   
AANT {Q~7M$  
AEC ~Ltr.ci  
ACC JE!("]&  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; \.<KA  
GSO 0 1 5 M 0 0   y ~AmG~  
GNO 0 .2 4 M .75 0   UFENy."P  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   n"G`b  
END `4 UlJ4<`  
SNAP S LGW:  
SYNO 30 f=`33m5  
fbC~WV#  
Mo^`\ /x!  
优化后的透镜结果,如图4所示: ^$Krub{|  
6)[< )?A.[  
[attachment=98431]
n &}s-`D  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
'Kz9ygZy  
r]LCvsVa  
现在的THIRD SENS为: o8z)nOTO;  
[attachment=98427]
kX2d7yQZz  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
"&QH6B1U6H  
7=k^M, a  
新BTOL宏代码如下: >I<PO.c!  
CHG SW9fE :v  
NOP kuKa8c  
END nQ=aLV+'  
usOx=^?=  
BTOL 2                      !设置置信区间 !>g:Si"  
;>ozEh#8w  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 pn\V+Rg'  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 8&E}n(XE  
NK/4OAt%  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             T PYDs+U  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 ]b}B2F'n  
ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 4| Ui?.4=  
                                             数字100是指允许的最大调整值; 8_Z/o5s  
YBjdp=als  
PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 MYdx .NZT  
sN/+   
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 N.hzKq][  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 Zdn!qyR`  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: YYUe)j{T  
[attachment=98435]
<z)E (J\  
接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 g}Q x`65:  
[attachment=98459]
\ =nrt?  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
T+CajSV  
[attachment=98460] %l$W*.j|;  
&; >4N"]  
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。
m ,tXE%l  
[attachment=98432] jv&+<j`r  
Q`6i=mB;  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
`&*bM0(J  
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: PC/!9s 0W  
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 (3%t+aqq  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 P))^vUt~  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 +nU.p/cK+\  
]P1YHw9  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 oNYZIk:  
PANT h?j_Ry  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 y0IK,W'&?  
VLIST TH 2 4 6 fL6e?\Pw  
END L *Y|ey  
0I%: BT  
AANT n1J]p#nCa.  
GSO 0 1 5 M 0 2`Gv5}LfyR  
GNO 0 1 5 M 1   Tr.hmGU  
END '%7 Bxof  
SNAP fx?$9(r,  
EVAL   !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 =`t^~.5  
LmL Gki$w  
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 ]gP5f@`  
PANT "H+,E_&(  
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 e7k%6'@  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 g9>~HF$U  
VY 5 YDC 2 100 -100 ZGz|m0b (  
VY 5 XDC 2 100 -100 :.nRN`e  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 W{Z^n(f4  
END EHI'xt  
AANT o8S"&O ?  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F f j<H6|3  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   xJhU<q~?  
END wCb(>pL0  
SNAP yyP-=Lhmo=  
SYNO 30 >l5u54^3K  
|>1hu1  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 npH?4S-8G  
2<r\/-#pU  
运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 Z4q~@|+%  
[attachment=98433] |jG~,{  
K* vU5S  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
QLo(i  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: LU2waq}VA  
[attachment=98462] ;ojiJ ?jU  
?I W_O~Js  
[attachment=98463] 1W,(\'^R  
x` /)g(  
相应的局部放大轴上视场直方图
V3sL;  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: ;JTt2qQKo  
[attachment=98465] <$i4?)f(  
wL{qD  
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: Uems\I0  
[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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