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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
{:3:GdM6  
C%{2 sMJz  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: 5g O9 <  
RLE                                                     !读取镜头文件 _1mpsY<k  
ID F10 APO                                        !镜头标识 ;$e)r3r`LV  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 e\^}PU  
APS 3           !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。  \m+=|  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 wLb:FB2  
OBB 0 0.5 2 -0.01194 0 0 2     !物体类型为OBB,0-入射边缘光线角度(针对无限远物),0.5-半视场角,2-半孔径,-0.01194-表面1上主光线高度,负号是指光线在图像下端;后面三个参数表示光线在X-Z平面的相应值
0 AIR                                                                        !物面处于空气中 EUVD)+it  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 |QMmF"0  
1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887  !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 5#s],h  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 w%..*+P  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 !m%'aQHH(  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 -7'|&zP  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 g'{?j~g  
3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 z]-m<#1  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 m{$}u@a  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 VW*?(,#j{  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 gK@`0/k{  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 v*FbvrY  
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 D~Ef%!&  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 `9gV8u  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 _0FMwC#DY  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 [\Nmm4  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 12?!Z  
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 -84%6p2-  
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 VH<d[Mj  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 IG{Me  
END                                                                                  !以END结束 "A&A?%  
f F)M'C  
oylQCbT   
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] =wW M\f`=  
S'W,AkT  
图1 消色差透镜的初始设计
023uAaI^3r  
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: N)Q.P'`N  
[attachment=98447] .'Q*_};W  
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。 b/Ma,}  
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’。 \8m9^Z7IfK  
[attachment=98448] []aw;\7}Y  
得到玻璃的色散图如下: _+nk3-yQw  
[attachment=98450] pL} F{G.  
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: 4b((,u$  
[attachment=98451] );_/0:  
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。 9S[.ESI{>  
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。 TQ:5@1aT  
lJ]QAO  
[attachment=98452] (aC=,5N  
bvrXz-j  
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。 kX`m( N$  
;%(sbA  
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。 9N{?J"ido  
[attachment=98453] ],[<^=|  
^Y;,cLXJ  
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: Y\WVkd(+G  
[attachment=98454] 8~t8^eBg  
j~V $q/7S  
现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: n7G`b'  
T3<1{"&  
[attachment=98429] [! wJIy?,  
K]Vp! G  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 lMh>eX  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: *PV7s  
PANT                                            !参数输入 ='w 2"4  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 C4d'z(<  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 zVf79UrK  
END                                              !以END结束 @t1pB]O:  
1KGf @u%-1  
AANT                                           !像差输入 o _l_Yi  
AEC                                              !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 `q* p-Ju'  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 Ii5U) "  
GSO 0 1 4 M 0 0  !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; U1Fo #L  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 z^.dYb7<  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 FXn98UFY  
END                          !以END结束 I= <eCv  
[>pBz3fn,  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 SCe$v76p#  
SYNO 30                  !迭代次数30次 hY%} x5ntU  
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'。 (~{Y}n]s  
k'N``.  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
J?X{NARt  
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: febn?|@  
CHG                    !改变镜头 (3D&GY!/  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 YEaT_zWG0  
END                     !以END结束 $ (xdF  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 yEbo`/ ]b  
4%8den,|  
[attachment=98455] ezY^T  
3@Fa  
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。 eD2eDxN2  
[attachment=98456] p%sizn  
*s" OqTM]x  
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。 IQtQf_"e1  
[attachment=98457] ",vK~m2W_  
l4U*Lv>   
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: f~Pce||e  
CHG {~FPvmj&  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 !03JA9lo  
END N\Lu+ x5  
XMkRYI1~  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: {5{VGAD&]>  
[attachment=98458] -ZSN0Xk  
|te=DCO  
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。 jVN06,3z  
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。 ]dJ"_  
[attachment=98436]
(7b9irL&cn  
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。 \<`oW>  
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。 U?{oxy_[2  
;zo|. YD  
[attachment=98434]
o@.{|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? 'NCqI  
在CW中输入THIRD SENS: siCm)B  
/Mw;oP{&b  
[attachment=98426]
:2==7u7v?  
[ei~Xkzkj  
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。 "]q xjs^3?  
0(f+a_2^Q  
优化宏代码如下: /t7f5mA  
PANT *w _o8!3-  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 Lp(`m=;O  
VLIST TH 2 4 5XHejHn>  
END %]0?vw:;j  
AANT ;UpJ_y)n8\  
AEC Y7p@NG&1q  
ACC 'SlZ-SdR  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; B'(zhjV  
GSO 0 1 5 M 0 0   hI*v )c  
GNO 0 .2 4 M .75 0   k,=<G ,  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   XL aD#J  
END EwV$2AK  
SNAP ]jVE  
SYNO 30 "p;tj74O9  
lGR0-Gh2  
R59iuHQ[  
优化后的透镜结果,如图4所示: 9m2FH~  
UxHI6,b  
[attachment=98431]
4D<C;>*/b  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
 cf,6";8  
=d ;#Nu-  
现在的THIRD SENS为: *aM7d>nG5  
[attachment=98427]
tl!dRV92  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
gU|:Y&lFZg  
Q[NoFZ V!  
新BTOL宏代码如下:  \SQ4yc  
CHG ZpOME@9,  
NOP S g1[p#U  
END F>#F@j^c  
IaSPwsvt'  
BTOL 2                      !设置置信区间 :fL7"\ pf~  
%Y;^$%X%_  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 X=m^+%iD  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 5,^DT15a4P  
H3R{+7  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             +8?18@obp  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 `~=z0I  
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 F::Ki4{jJ  
                                             数字100是指允许的最大调整值; juF=ZW%i  
=,N"% }  
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 6AY( /N8V  
\rUKP""m  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 U7n#TPet  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 q\i&E Rr  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: E+XS7':I  
[attachment=98435]
Et }%)M  
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。 A. tGr(r  
[attachment=98459]
c\rP -"C  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
>/4[OPB0R  
[attachment=98460] OwNM`xSa|\  
l\AdL$$Mb  
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。
2Ul8<${c{  
[attachment=98432] vO9=CCxvq  
wt9f2  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
M"s:*c_6  
于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: 7Rtjm  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 qvy*; <w  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 U.~G{H`G,u  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 rWNe&gFM  
9QHj$)?k,  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 <h#W*a  
PANT ?d?.&nt  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 #=y)Wuo=  
VLIST TH 2 4 6 nxuH22:  
END .kuNn-$  
,Il) tH  
AANT `0U\|I#  
GSO 0 1 5 M 0 1@'I eywg  
GNO 0 1 5 M 1   AHuIA{AdUR  
END 2Uf/'  
SNAP [75?cQD  
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 hTEb?1CXU  
;Q vQ fV4  
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 "eTALRL'o  
PANT Z~94<*LEp  
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 uc"%uc'  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 |n;);T(  
VY 5 YDC 2 100 -100 fATVAv  
VY 5 XDC 2 100 -100  H6nH  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 PeiRe  
END ^.@%n1I"5y  
AANT V+lS\E.  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F 9wf"5c  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   .UX4p =  
END v8C($<3%  
SNAP G!C }ULq  
SYNO 30 lcpiCZ  
7;TMxO=bra  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 ( 6zu*H)  
&J9 + 5L8  
运行代码之后,得到带有制造调整的MC的最差透镜情况,如图6所示。 *wJz0ex7R/  
[attachment=98433] <"p-0=IgJ  
-:r<sv$  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
wS,fj gX  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: _XY(Qd  
[attachment=98462] K@[Hej6d  
+C7W2!I[G2  
[attachment=98463] OUwnVAZZ6  
Mby4(M+&n  
相应的局部放大轴上视场直方图
Qp:m=f6@  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: j$6Q]5KdoS  
[attachment=98465] 6/g 82kqpk  
862rol  
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: 4|cRYZj5  
[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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