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%'$Vx0kA 1 GTB S 'N-SK4 ' !表面1玻璃类型为N-SK4 D/w4u;E@ 2 RAD -7.4819193194388 TH 0.31629961 AIR !表面2在空气中的半径,厚度 yVyh'd:Ik 2 AIR !表面2处于空气中 "bRg_]\q6 3 RAD -6.8555018049530 TH 0.26355283 !表面3的半径,厚度 D@i,dPz5Zl 3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445 !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 .Y%)& 3 GTB S 'N-KZFS4' !表面3玻璃类型为N-KZFS4 p0xd
c3 4 RAD 5.5272935517214 TH 0.04305983 AIR !表面4在空气中的半径,厚度 nz|;6?LCLY 4 AIR !表面4处于空气中 e'oM%G[ 5 RAD 5.6098999521052 TH 0.53300999 !表面5的半径,厚度 ai(<"|( 5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133 !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 {g2cm'hD 5 GTB S 'N-BAF10' !表面5玻璃类型为N-BAF10 XB)e;R 6 RAD -27.9819596092866 TH 39.24611007 AIR !表面6在空气中的半径,厚度 ,*2%6t`N? 6 AIR !表面6处于空气中 s7CoUd2 6 CV -0.03573731 !表面6的曲率 \*H/YByTb
6 UMC -0.05000000 !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。 6 TH 39.24611007 !表面6的厚度 X3DXEeBEL 6 YMT 0.0000000 !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 E/<[G? 7 RAD -11.2104527948015 TH 0.00000000 AIR !表面7(像面)的半径,厚度 K2TO,J3 E END !以END结束 uD&!]E3 qwu++9BM O /wl";- 运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:[attachment=98428] EdA_Hf
jGzs; bE
图1 消色差透镜的初始设计 .$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] UAT46
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$D@/L@
bslv_OxJ 图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 z-uJ+SA 接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: _%!C;`3Y PANT !参数输入 US'X9=b_ VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 Wt"@?#L VLIST TH 2 4 !改变表面2和表面4的厚度 e%N\Pshgv END !以END结束 whoz^n3N E 8[,,Kr)- AANT !像差输入 kjN9(&D AEC !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 fu9y3` ACC !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 a2UER1Yp" GSO 0 1 4 M 0 0 !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; z7MJxjH GNO 0 .2 3 M .75 0 !校正0.75视场光线网格OPD像差 p*W4^2(d GNO 0 .1 3 M 1.0 0 !校正全视场光线网格OPD像差 WDKj)f9cy END !以END结束 e>1^i;f |]DZc/ SNAP !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 79u L"N; SYNO 30 !迭代次数30次 `?rPs8+R 优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 E@"+w,x)
W<yh{u&,
[attachment=98430] 图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜 ZP*Hx
%U 接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: tQ'E"u1 CHG !改变镜头 6<NaME NOP !移除所有在透镜上的拾取和求解 >9F,=63A END !以END结束 BkA>':bUr PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65 !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 ag14omM- !li Q;R&
[attachment=98455] 6YrkS;_HS
q>r9ooN 离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 \Yz>=rY
[attachment=98456] ?;+=bKw0
t3 *2Z u 透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 FM0)/6I'x
[attachment=98457] iYHD:cg)~
h -+vM9j 现在,我们计算消色差透镜的公差。首先移除表面6上的曲率求解。代码如下: `BMg\2Ud* CHG k5xzC& 6 NCOP !移除表面6的曲率求解 rcq(p(! END =iRc& v(FO8*5DZ 然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: 8~EDmg[
[attachment=98458] odny{ePAf
G#)>D$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 OlRBvfoh8 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 T6Z 2 # 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*3J 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 :7KcD\fCj :XxsD D 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;t5AnV 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 $bI VD 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]
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