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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
:LD+B1$y  
D 6F /9|  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: ypY7uYO^"  
RLE                                                     !读取镜头文件 iBqIV  
ID F10 APO                                        !镜头标识 #s-li b  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 kk/vgte-)e  
APS 3           !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 D o!]t7Y$  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 = 8\'AU  
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 ~#iAW@  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 jHc/ EZB  
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 _B\X&!G.  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 fq0[7Yb  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 s *<T5Z  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 &sS]h|2Z5  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 bt?)ryu  
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 Nv\<>gA:  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 |r53>,oR<:  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 CIf""gL9  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 #pX+~ {  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 Bh!J&SM:  
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 z0 _/JwJn  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 .n)0@X!  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 A>}]=Ii/  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 {>.qo<k  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 p9iCrqi  
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 H3q L&xL  
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 g?!;04  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 JT 5+d ,  
END                                                                                  !以END结束 p2o6 6t  
O}"fhMk  
XBHv V05mv  
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] OTwXc*2u]  
2N_9S?a3sK  
图1 消色差透镜的初始设计
,5Tw5<S  
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: DZ0\pp?S  
[attachment=98447] Vq#_/23=$y  
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。 F84?Mi{r2  
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’。 2v\-xg%1  
[attachment=98448] hdee]qLS  
得到玻璃的色散图如下: ] mvVX31T  
[attachment=98450] DR#[\RzNI  
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@#Gm9m  
[attachment=98451] Q mn'G4#@E  
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。 BcD%`vGJ  
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。 K?aUIkVs  
t8FgQ)tk  
[attachment=98452] +v'n[xa1v  
XvW $B|  
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。 auQfWO[ u  
+)K yG  
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。 9 !qVYU42(  
[attachment=98453] ?GKm_b]JC  
ph=[|P)  
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: $~*d.  
[attachment=98454] &:)e   
VR0#"  
现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: E.~~.2   
%uLyL4*L(p  
[attachment=98429] Sf0[^"7  
4Vi&Y')f  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 QabYkL5@  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: LlG~aGhel  
PANT                                            !参数输入 \M`fkR,,'  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7                !改变表面1、表面2、表面3、表面4、表面5以及表面7的半径 ^@..\X9  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 D?"TcA  
END                                              !以END结束 %S<( z5  
T"m(V/L$W  
AANT                                           !像差输入 mD p|EXN  
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 ~0>{PD$@  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 tY=n("=2  
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; 3M&75OE  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 lCyp&b#(L  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 &Wup 7  
END                          !以END结束 {m%X\s;ni  
5K*-)F ]  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 Sm%MoFf  
SYNO 30                  !迭代次数30次 ]& q mV  
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'。 %C[ ;&  
cAc i2e  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
4q<:% 0M|  
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: $0zH2W  
CHG                    !改变镜头 XDJQO /qN  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 2v<[XNX  
END                     !以END结束 o^! Zt 9  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 -h8!O+7 .  
%j=,c{`Q  
[attachment=98455] ?%HtPm2< %  
k|7XC@i]%  
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。 ?Y~>H 2  
[attachment=98456] Pz"!8b-MN  
LHWh-h(s  
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。 *{)![pDYd  
[attachment=98457] \(LHcvbb  
6X:- Z 3  
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: {hM*h(W~3  
CHG 5\tYs=>b<  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 w`VmN}pR  
END 'vTD7a^  
8C=Y(vPk2  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: N3H!ptn37  
[attachment=98458] ;r[=q u\  
8X]j;Rb  
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。 I=^%l7  
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。 Nu{RF  
[attachment=98436]
$/45*  
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。 [:!#F7O-  
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。 |P2GL3NR  
^\mN<z(  
[attachment=98434]
k 9Kv  
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? 4#=!VK8ZH  
在CW中输入THIRD SENS: Pwz^{*u]  
9#6ilF:F  
[attachment=98426]
g m],  
M)EUR0>8  
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。 4aB`wA^x  
rsP-?oD8)  
优化宏代码如下: gpr];lgS  
PANT =fi.*d?$7  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 +.\JYH=yEr  
VLIST TH 2 4 [;5HI'px  
END !,\9,lc  
AANT uD:O[H-x  
AEC ~rY<y%K  
ACC +I\ bs.84  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; /yrR f;}<O  
GSO 0 1 5 M 0 0   G';oM;~/|  
GNO 0 .2 4 M .75 0   r?/>t1Z  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   o ohf))  
END W {dx\+  
SNAP +S%@/q  
SYNO 30 N'm:V  
) _2!1  
s9`T%pg  
优化后的透镜结果,如图4所示: KS(T%mk\  
D|-]"(2i  
[attachment=98431]
u{p\8v%7  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
/e{Oqhf[n  
EUna_ 4=  
现在的THIRD SENS为: 9CBB,  
[attachment=98427]
)cs y^-qw  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
<"[}8  
n{' [[2U  
新BTOL宏代码如下: <U,T*Ql1x  
CHG ,CM$A}7[  
NOP i,yK&*>JJ  
END P<4jY?.  
#{ Uk4  
BTOL 2                      !设置置信区间 `XWxC:j3%  
ki+9 Ln;  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 T. ` %1S  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 (J^ Tss  
!&'xkw`  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             ~C!vfPC  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 H8-,gV  
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 1;:2=8  
                                             数字100是指允许的最大调整值; [?IERE!xQ  
1@nR.v"$  
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 uqO51V~  
\GvVs  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 x(=kh%\;  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 f1~3y}7^Jq  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: v\MH;DW^Z  
[attachment=98435]
|[{;*wtv  
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。 ;D^)^~7dh  
[attachment=98459]
l E&hw  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
BklB3*n  
[attachment=98460] 5W{>5.Arx)  
`jZX(H   
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。
~hxB Pn."  
[attachment=98432] TM^1 {0;r5  
.i=%gg  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
}zobIfIF  
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: HRb_ZJz  
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 5r+0^UAO:J  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 f^%E]ki  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 ]nQ$:%HP  
x1}q!)e  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 Czci6 Lz  
PANT Kq S2  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 x!$,Hcph,  
VLIST TH 2 4 6 5AjK7[<L  
END .nSupTyG  
G1nW{vce  
AANT \YKh'|04  
GSO 0 1 5 M 0 cUm9s>^)/  
GNO 0 1 5 M 1   ,X$Avdc2  
END t~a$|( 9  
SNAP 6szkE{-/?  
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 NuooA  
@LE?XlhD  
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 3w9 ]@kU  
PANT v|/3Mi9mz  
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 o6y,M!p@  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 XOeh![eMX  
VY 5 YDC 2 100 -100 !}P FiT^  
VY 5 XDC 2 100 -100 z\E "={P&  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 z1FbW&V  
END dI 5sqM:  
AANT 4bxkp3~h;  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F (O-)uC  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   x ?V/3zW  
END ZKR z=(  
SNAP ~`})x(!  
SYNO 30 ~4>Xi* B  
-oZ a c  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 h/fCCfO,  
mWusRgj+8  
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。 y{{EC#  
[attachment=98433] vaf9b}FL  
4'd{H Rs  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
0`P]fL+&  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: }]~}DHYr  
[attachment=98462] E?XCL8NC  
I1myuZ  
[attachment=98463] @gqw]_W  
N#u8{\|8]  
相应的局部放大轴上视场直方图
Z M+Hb_6f  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: 0lRH Yu  
[attachment=98465] NVj J/  
=_'cG:=)  
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: reA8=>b/  
[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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