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 ^zO{A ks m3pDFI 首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: (2>q RLE !读取镜头文件 OOXSJE1 ID F10 APO !镜头标识 u*=^>LD WAVL 0.65 0.55 0.45 !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 bsU$$; 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。 fw,,cu`YA UNITS INCH !透镜单位为英寸 =_C&lc"
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 yc3/5]E& 1 RAD -300.4494760791975 TH 0.58187611 !表面1的半径,厚度 -`\^_nVC 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 &Lt$~}*&6 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 JZxA:dg
l 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 N1c0>{ 2 AIR !表面2处于空气中 +3-5\t` 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 y6d!?M(0U 3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445 !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 g3[-[G^5 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 [[<TW} 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 25vjn 1$sW 4 AIR !表面4处于空气中 ^VMCs/g6 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 62'9lriQ 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 >}~[ew 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 ;K8}Yq9p9 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 {X?1}5ry 6 AIR !表面6处于空气中 uk$MQv*D 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 <^5$))r
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 'R-\6;3E>9 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 +kYp!00 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度
WZ,k][~ END !以END结束 srN7 [efU)O& ~ <K,P
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] 965 x_
%
q\i&ERr
图1 消色差透镜的初始设计 E+XS7':I 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) aZ0 Pt
[attachment=98447] _)= e`9%
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。 %SIll 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’。 Nk\ni>Du3
[attachment=98448]
qCrpc=
得到玻璃的色散图如下: 'do2n/
[attachment=98450] FT6C KsM"
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: psIo[.$rTk
[attachment=98451] dg#Pb@7a
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 M"s:*c_6 如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 H6K8. qvy*;
<w
[attachment=98452] U.~G{H`G,u
rWNe&gFM 从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 9QHj$)?k, <h#W*a
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。 ?d?.&nt
[attachment=98453] ;g#nGs>
nxuH22: 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: .kuNn-$
[attachment=98454] ,Il) t H
3p HI+a 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: 1@'I eywg AHuIA{AdUR
[attachment=98429] d]|K%<+(
S`b!sT-sD 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 A*+gWn,4Y_ 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: kGnT4R*E PANT !参数输入 i; ]0>g4 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 W(ryL_#; VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 +\ "NPK@3 END !以END结束 t D
8l0 ; (}~m&p AANT !像差输入 F~rl24F 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 aLW3Ub{h ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 ^vSSG5 : 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; YGQ/zB^Pj GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 IOxtuR GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 v8C( $<3% END !以END结束 g.62XZF@ 58HAl_8W SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 W)f=\.7 SYNO 30 !迭代次数30次 WY@g=W>+ 优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 38X{>*
B<.\^fuS
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 &D-z|ZjgHi 接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: FhBV.,bU,m CHG !改变镜头 , :K{ NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 5Zhl@v,L% END !以END结束 eTgtt-;VR PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 }JQy&V% vY.VFEP/
[attachment=98455] =6\^F i
b=sY%(2s 离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 `mD!z.`U
[attachment=98456] &CXk=Wj
e&!c8\F 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 ]i,o+xBKH
[attachment=98457] W<^t2 j'
R64f0NK. 现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: byt$Wqdl CHG PvW4%A@0 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 ,vMAX?c END tD#) 4DL2
A;T 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: 2PeMt^
[attachment=98458] GJS(
1Lje.%(E. 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。 v/~&n 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。 'ks .TS&
[attachment=98436] s%vy^x29 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。 `) ],FE*: 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。 .dxELSV Ax=)J{4v
[attachment=98434] d5{=<j 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? )'7Qd(4WT 在CW中输入THIRD SENS: eAP
8! ='1hvv/
[attachment=98426] }Cfl|t<5f 2$t%2>1>@ SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。 6#jql hiV!/}'7 优化宏代码如下: aTH$+f1?Q PANT D-i, C~W VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 X6t9*|C VLIST TH 2 4 WH7UJCQ END 726UO#* AANT >6WZSw/Hq AEC H!"TS-s` ACC Ie _{P&J M 4 1 A SAT !SAT的目标值为4,权重为1; b-@9Xjv GSO 0 1 5 M 0 0 ?< yYm;B GNO 0 .2 4 M .75 0 w<]-~`K GNO 0 .1 4 M 1.0 0 ~@@$-,}X END X6w+L?A SNAP Y+$]N:\F\ SYNO 30 {w"Cr0F, ld({1jpX, *$;Zk!sEF 优化后的透镜结果,如图4所示: OfA+|xT& #v~dhx=R
[attachment=98431] K]yWpW
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜 C+`V?rp=s *M#L)c;6 现在的THIRD SENS为: F9las#\J
[attachment=98427] 8D? $@!-
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。 4!96k~d} }1Mf0S 新BTOL宏代码如下: '?_~{\9< CHG }F9#3W&`c NOP cCx{
") END 3q@JhB ^k^?>h BTOL 2 !设置置信区间 1#+|RL4o :1bDkoK EXACT INDEX 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 [C;Neslo EXACT VNO 1 3 5 !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 l1L8a I,8 AkO);4A;Jd TPR ALL ! 假定所有表面与光学样板匹配 H*f2fyC1\ TOL WAVE 0.1 !最大波前变化值为0.1 9CN'29c 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 FK-q-PKO#. 数字100是指允许的最大调整值; ,BGUIu6 ){eQ.yW 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 BOy&3.h5? 4qsxlN>4O GO !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 3a ZS1]/ STORE 4 !透镜结果储存在透镜库的位置4 +7_U(|gO 运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: <|82)hO
[attachment=98435] SlT>S1`rnG 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。 -rgdKA@)(
[attachment=98459] ouFKqRs;
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图: j]R[;8g
[attachment=98460] gsa@ci
dmLx $8
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。 gnxD'1_
[attachment=98432] u.?jW vcv
4"!kCUB
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。 T
7qHw!) 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: $bZ-b1{c C FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 Nvh&=%{g PASSES 20 !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 4ZR2U3jd1 FAORDER 5 3 1 !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 iAXGf V mU]^PC2[ PHASE 1 !第一阶段,优化透镜参数 L8NZU*" PANT 7kT X VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 UM]3MS:[ VLIST TH 2 4 6 5gC>j( END Lz:FR* T:|p[Xbo AANT ]A#:Uc5 GSO 0 1 5 M 0 %,ScGQE GNO 0 1 5 M 1 eT(X Ri0 END K3,PmI&W
SNAP eU e, P EVAL !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 W5:fY>7 8?: 2< PHASE 2 !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 ~.0'v [N PANT ^L7!lzyo VY 3 YDC 2 100 -100 !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 '#,C5*` VY 3 XDC 2 100 -100 !改变表面3的X方向偏心 y+{)4ptg$< VY 5 YDC 2 100 -100 Xrpvq(] VY 5 XDC 2 100 -100 p1HbD`ST VY 6 TH !改变表面6的厚度 8$ #z> END qcQq.cS_'N AANT ];b+f@ GNO 0 1 4 M 0 0 0 F sdyNJh7Jr GNO 0 1 4 M 1 0 0 F 5dD8s-;^T END k9:|CEP SNAP C=cn.CX SYNO 30 2cRru]VZ5 T3 4Z#PFwe PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 *n[B Bz ue'dI 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。 :$PrlE
[attachment=98433] Q1|zX@,
M}@>h
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。 MEp{v|1 再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: e+4Eiv
[attachment=98462] imAOYEH7}
Ck"db30.
[attachment=98463] D<<q5gG
G#6Z@|kVw
相应的局部放大轴上视场直方图 -!li,&,A1
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: zpeCT3Q5O [attachment=98465] hdSP#Y'-
de.f?y
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: BF;}9QebmS [attachment=98464]
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