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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
^c{,QS{  
qi\!<clv  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: ji[O?  
RLE                                                     !读取镜头文件 ,rp-`E5ap  
ID F10 APO                                        !镜头标识 eswsxJ/!  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 0NB6S&lI^k  
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。 'V5^D<1P  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 ?N,'1I  
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|s!~wdz  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 ^ )Lh5   
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 e%'$Vx0kA  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 D/w4u;E@  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 yVyh'd:Ik  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 "bRg_]\q6  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 D@i,dPz5Zl  
3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 .Y%)&  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 p0xd c3  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 nz|;6?LCLY  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 e'oM% G[  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 ai(<"|(  
5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133   !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 {g2cm'hD  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 XB)e;R  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 ,*2%6t`N?  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 s7C oUd2  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 \*H/YByTb  
6 UMC -0.05000000       !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。
6 TH     39.24611007      !表面6的厚度 X3DXEeBEL  
6 YMT 0.0000000          !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 E/ <[G?  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 K2TO,J3 E  
END                                                                                  !以END结束 uD&!]E3  
qwu++9BM  
O/wl";-  
运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:
[attachment=98428] EdA_Hf  
jGzs; bE  
图1 消色差透镜的初始设计
.$DB\jJXjV  
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: ObIi$uJX  
[attachment=98447] U A T46  
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。 =z]&E 78Y  
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’。 GdavCwJ  
[attachment=98448] ~F*pV*  
得到玻璃的色散图如下: f- pt8  
[attachment=98450] X6 ~y+ R  
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: ]<q{0.  
[attachment=98451] V; 1r  
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。 v#.FK:u}  
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。 f)q\RJA)X  
GBvB0kC)c  
[attachment=98452] .b]g# Du=  
$"T1W=;j9  
从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 J={$q1@lq  
L1`^~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。 ??{(.`}R~  
[attachment=98453] mSAuS)YD  
StWDNAf)  
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: 4x=rew>Ew  
[attachment=98454] sMli!u  
^aDos9SyV  
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: jK\2y|&&c  
;)[RG\  
[attachment=98429] ]y$D@/L@  
bslv_OxJ  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 z-uJ+SA  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: _%!C;`3Y  
PANT                                            !参数输入 US'X9=b_  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 Wt"@?#L  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 e%N\Pshgv  
END                                              !以END结束 whoz^n3NE  
8[,,Kr)-  
AANT                                           !像差输入 kjN9(&D  
AEC                                              !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 fu9y3`  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 a2UER1Yp"  
GSO 0 1 4 M 0 0  !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; z7MJxjH  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 p*W4^2(d  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 WDKj)f9cy  
END                          !以END结束 e>1^i;f  
|]DZc/  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 79uL"N;  
SYNO 30                  !迭代次数30次 `?rPs8+R  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 E@"+w,x)  
W<yh{u&,  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
ZP*Hx %U  
接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: tQ'E"u1  
CHG                    !改变镜头 6<NaME  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 >9F,=63A  
END                     !以END结束 BkA>':bUr  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 ag14omM-  
!li Q;R&  
[attachment=98455] 6YrkS;_HS  
q>r9ooN  
离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 \ Yz>=rY  
[attachment=98456] ?;+=bKw0  
t3 *2Z u  
透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 FM0)/6I'x  
[attachment=98457] iYHD:cg)~  
h -+vM9j  
现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: `BMg\2Ud*  
CHG k  5xzC&  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 rcq(p (!  
END =i Rc&  
v(FO8*5DZ  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: 8~EDmg[  
[attachment=98458] odny{ePAf  
G#)>D$Ck#  
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。 KKa"Ba$g  
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 ai`fP{WlX  
[attachment=98436]
"Hg.pDNZ  
预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 <QugV3e  
透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 Vg\EAs>f  
KZ`d3ad  
[attachment=98434]
7}%3Aw6]S  
现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? %@G<B  
在CW中输入THIRD SENS: %K;,qS'N_  
Io5-[d  
[attachment=98426]
=YB3^Z  
*r?g&Vw$m  
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。 nC qUg_{D  
bh6Mh< +  
优化宏代码如下: t=~al8  
PANT cA`R~o"  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 OlRBv foh8  
VLIST TH 2 4 2 Nr j@q  
END $[VKM|Zjw  
AANT gr4Hh/V  
AEC Od>Ta_  
ACC &rorBD 5aj  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; pxM^|?Hxc  
GSO 0 1 5 M 0 0   S$%T0~PR~  
GNO 0 .2 4 M .75 0   ^uMy|d  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   nDkyo>t .  
END @mNf(&  
SNAP 8PDt 7 \  
SYNO 30 <3LyNG.  
8QE0J$d5  
xQ* U9Wt;T  
优化后的透镜结果,如图4所示: pTST\0?  
tUGnD<P  
[attachment=98431]
gJ+MoAM"  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
1 [[` ^v  
!Jh-v  
现在的THIRD SENS为: y)"aQJ>  
[attachment=98427]
@7" xDgA  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
7F>5<Gv:-  
 KY!  
新BTOL宏代码如下: I$n 0aR6  
CHG X'TQtI  
NOP T3@wNAAU  
END \%KJ +PJ  
T6Z2 #  
BTOL 2                      !设置置信区间 NC>rZS]  
{e/12q  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 ]sd|u[:k  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 j_L 'Ztu3  
Agl5[{]E  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             [0lCb"  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1  w+=>b  
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 Kg VLXI6  
                                             数字100是指允许的最大调整值; d8C?m*3 J  
c;xL.  
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 WLP A51R  
7Z0 )k9*  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 |n \HxU3  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 J|W~\(W6i  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: ua/A &XQx  
[attachment=98435]
9jDV]!N4  
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。 L Bb&av  
[attachment=98459]
z\pT nteO  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
H~i+: X=I  
[attachment=98460] \;&j;"c,W  
E b-?wzh  
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。
b*',(J94  
[attachment=98432] c_~)#F%P  
L~"~C(g  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
>~){KV1~  
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: -;a}'1HOE  
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 N$aLCX  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 /+1+6MqRn*  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 \L}Soe'  
%C" wUAY  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 t4GG@`  
PANT awB1ryrOF  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 [c +[t3dz  
VLIST TH 2 4 6 Y/2@PzA|  
END :7K cD\fCj  
:XxsDD  
AANT jmxjiJKP  
GSO 0 1 5 M 0 &?"(al?  
GNO 0 1 5 M 1   ?[hIv6c  
END g>12!2}  
SNAP eGHxiC  
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 dGt;t5An V  
c/DB"_}!a  
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 7 <*sP%6bD  
PANT oTS*k: C'  
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 TppR \[4]  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 7;:R\d6iL  
VY 5 YDC 2 100 -100 ^q-]."W]t~  
VY 5 XDC 2 100 -100 dT4?8:  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 *IG} /O.VT  
END Y #E/"x%+  
AANT $bIVD  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F 1//d68*"  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   yDg`9q.ckm  
END w6zB uW  
SNAP L:nZ_O;  
SYNO 30 ekND>Qjj  
3jZPv;9OC  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 -`sK?*[{J  
JWoNP/v6  
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。 ;9PJ K5>~  
[attachment=98433] m^Qc9s#D  
8fRk8  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
pyhC%EZU  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: a'u:1C^\  
[attachment=98462] b-ZC~#?|b  
?9'Ukw` g  
[attachment=98463] VRQ'sn@  
w/BaaF.0  
相应的局部放大轴上视场直方图
))- B`vi  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: hg[ob+"  
[attachment=98465] 8;K'77h  
bHZXMUewC  
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: O W`yv  
[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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