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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
^zO{Aks  
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$~}*&6  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 JZxA:dg l  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 N1c 0>{  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 +3-5\t`  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 y6d!?M(0U  
3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 g3[-[G^5  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 [[<TW}  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 25vjn 1$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$MQ v*D  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 <^5$))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] 965x _ %  
q\i&E Rr  
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] FT6CKsM"  
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) tH  
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($<3%  
END                          !以END结束 g.62XZF@  
58HAl_8W  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 W)f=\.7  
SYNO 30                  !迭代次数30次 WY@g=W>+  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 38X{>*  
B<.\^f uS  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
&D-z|ZjgHi  
接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: FhBV.,bU,m  
CHG                    !改变镜头 ,:K{  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 5Zhl@v,L%  
END                     !以END结束 eTgtt-;VR  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 }JQy&V%  
vY.VFEP/  
[attachment=98455] =6\^F i  
b=sY%(2s  
离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 `mD!z.`U  
[attachment=98456] &CXk=Wj  
e&!c8\F  
透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 ]i,o+xBKH  
[attachment=98457] W<^t2j'  
R64f0N K.  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: byt$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'2 9c  
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.?jWvcv  
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: $bZ-b1{c C  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 Nvh& =%{g  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 4ZR2U3jd1  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 iAXGf V  
mU]^PC2[  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 L8 NZU*"  
PANT 7kT X  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 UM]3MS:[  
VLIST TH 2 4 6 5gC> j(  
END Lz:FR*  
T:|p[Xbo  
AANT ]A#:Uc5  
GSO 0 1 5 M 0 %,ScGQE  
GNO 0 1 5 M 1   eT(X Ri0  
END K3 ,PmI&W  
SNAP eU e, P  
EVAL   !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 W5:fY>7  
8?: 2<  
PHASE 2              !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 ~.0'v [N  
PANT ^L7!lzyo  
VY 3 YDC 2 100 -100   !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 '#,C5*`  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 y+{)4ptg$<  
VY 5 YDC 2 100 -100 Xrpvq(]  
VY 5 XDC 2 100 -100 p1 HbD`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  
T34Z#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]
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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