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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
Fp@TCPe#  
.zS?9MP  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: , 3,gG "  
RLE                                                     !读取镜头文件 %TX@I$Ba  
ID F10 APO                                        !镜头标识 ^m?KRm2  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 /3A^I{e74  
APS 3           !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 }MRd@ 0-?!  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 0QPH}Vi5}  
OBB 0 0.5 2 -0.01194 0 0 2     !物体类型为OBB,0-入射边缘光线角度(针对无限远物),0.5-半视场角,2-半孔径,-0.01194-表面1上主光线高度,负号是指光线在图像下端;后面三个参数表示光线在X-Z平面的相应值
0 AIR                                                                        !物面处于空气中 zV:pQRbt.  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 EPS={w$'s  
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 cj+ FRG~u  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 9l}FU$  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 7G.#O}).b  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 $SM# < @  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 MxWy*|J}  
3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 Nndddk`  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 /E Bo3`  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 u@~JiiC%  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 mu?Eco`~  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 fNb`X  
5 N1 1.66610392 N2 1.67304720 N3 1.68543133   !玻璃类型为N-BAF10的三个波长折射率被精确指出 -`<kCW"  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 hc~s"Atck  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 CF+_/s#j^  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 SGh1 DB  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 i-bJS6  
6 UMC -0.05000000       !UMC求解表面6的曲率,并给出相对于光轴的近轴轴向边缘光线角U的规定值。U的正切值为1/(2*FNUM)=0.05,负号表示边缘光线在图像下端。
6 TH     39.24611007      !表面6的厚度 %FXfqF9  
6 YMT 0.0000000          !YMT求解在表面7上指定的轴向边缘光线高度为0时所对应的厚度 T _sTC)&a  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 .jS~By|r  
END                                                                                  !以END结束 V2$h8\a  
s4 6}s{6   
f` :i.Sr  
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] ]04 e1F1J  
H2Z1TIh  
图1 消色差透镜的初始设计
D<8HZ%o  
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: z74in8]  
[attachment=98447] R<sJ^nx  
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。 \]P!.}nX#  
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’。 &8%e\W\K:/  
[attachment=98448] Vy*:ne  
得到玻璃的色散图如下: Z-E`>  
[attachment=98450] 1U^A56CN  
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: j6>.n49_  
[attachment=98451] F;=4vS]\  
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。 N-I5X2  
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。 P`#Z9 HM4  
L,mQ   
[attachment=98452] IB# @yH  
p!sWYui  
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。 pX&pLaF  
v-yde >(  
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。 o&`<+4 i  
[attachment=98453] .q[SI$qO/  
#+$G=pS'v  
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: c6nflk.l  
[attachment=98454] 8>X d2X  
mjWU0Gh%*  
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: ][W_[0v  
0j30LXI_  
[attachment=98429] h3*Zfl<]  
UNPezHaz  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 w" SoeU  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: ogL EtqT  
PANT                                            !参数输入 AZa 6 C w  
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 DA2}{  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 .C2TQ:B,.  
END                                              !以END结束 @O@GRq&V  
3 n'V\H vz  
AANT                                           !像差输入 M7ers|&{  
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 t5'V6nv  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 n) k1  
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; DyeQJ7p  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 N@Y ljz|  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 vC1v"L;[o/  
END                          !以END结束 OE4+GI.r-  
&VV~%jl;k  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 s<9RKfm  
SYNO 30                  !迭代次数30次 DXa=|T  
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'。 ]u4Hk?j~<  
~er\~kp  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
;9~6_@,@o  
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:  .&9 i  
CHG                    !改变镜头 PH> b-n  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 '@jXbN  
END                     !以END结束 %{/%mJoX  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 3t<a $i  
Y$Q|J4z  
[attachment=98455] O~59FuL  
br0++}vwL  
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。 U5-@2YcH  
[attachment=98456]  ?p(/_@  
\0mb 3Q'  
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。 ;Ra+=z}>  
[attachment=98457] [@Q_(LQ-U  
7zHh@ B:]  
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: ]S(%[|  
CHG e.@uhB.  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 7UL qo>j  
END yv\#8I:qh  
iJZ/jCI  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: nPs7c %  
[attachment=98458] )ZBY* lk9  
E\IlF 6  
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。 H(Q.a=&4!p  
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。 *;m5'}jsy  
[attachment=98436]
WdZ:K,  
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。 esHQoIhd  
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。 \mw(cM#:  
 ;b`[&g  
[attachment=98434]
XuD=E  
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? MY/3] g<  
在CW中输入THIRD SENS: !!4Qj  
Kh4$ wwn  
[attachment=98426]
(`6T&>(4  
_:X|.W  
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。 *J+_|_0nlW  
u ~3%bJ]  
优化宏代码如下: k51Eyy50(  
PANT <`jLY)sw  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 ,(.MmP`  
VLIST TH 2 4 N gLU$/y;  
END Iw<jT|y)  
AANT f8SL3+v  
AEC etoo #h"]1  
ACC s TOa  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; Up:<=Kgci  
GSO 0 1 5 M 0 0   @h*fFiY&{  
GNO 0 .2 4 M .75 0   ,o^y`l   
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   25NTIzI@@  
END I+!:K|^  
SNAP n.sbr  
SYNO 30 mo1oyQg8  
CH fVQ|!\  
:> &fV  
优化后的透镜结果,如图4所示: M:P0m6ie  
}lK3-2Pk  
[attachment=98431]
e5.h ?  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
 Ug:\  
dgDy5{_  
现在的THIRD SENS为: [HN|\afz  
[attachment=98427]
!r`,=jK"  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
]uspx [UIc  
RJy=pNztm  
新BTOL宏代码如下: >Bs#Xb_B]  
CHG \o\nr!=k  
NOP V97,1`  
END CiR%Ujf  
it> r+%  
BTOL 2                      !设置置信区间 A<\JQ  
Hg9CZM ko  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 JT9N!CGZ  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 tX!n sm1  
EwS!]h?  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             i5>+}$1  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 G60R9y47c  
ADJUST 6 TH 100 100  !调整表面6的厚度,第一个数字100是指一组移动的表面数目;第二个 l<Q>N|1#k%  
                                             数字100是指允许的最大调整值; '+ xu#R  
x!_<z''  
PREPARE MC         !自动准备一个调整文件,以便后续的MC运行需使用该文件来检查统计信息 ,-+"^>  
, * ]d~Y  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 `xiCm':  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 GabYfUkO  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: }Z TGi,P c  
[attachment=98435]
(~$/$%b  
接着,运行MC程序来检查透镜情况。在CW中输入:SYNOPSYS AI> MC 50 4 QUIET -1 ALL 5;此命令将会测试一批储存在透镜库4中的50片透镜,按照上述预计公差来制作透镜,然后监控比较这一批透镜的统计数据,将最坏的透镜情况保存在透镜库位置5。 Qu< Bu)`  
[attachment=98459]
pxSX#S6I  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
U$H @ jJ*  
[attachment=98460] v`V7OD#:j]  
?0_7?yTR/  
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。
oo=#XZkk  
[attachment=98432] QRLJ_W^&u  
-o+74=E8[?  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
tA$)cg+.  
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: /%4_-Cpm  
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 pG^}Xf2a  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 cECi')  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 u*7Z~R  
aZKOY  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 q8:{Nk  
PANT {B*W\[ns  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 'cNKjL;  
VLIST TH 2 4 6 ]O{u tm  
END zq1mmFIO  
g(O;{Q_  
AANT g\GdkiIj  
GSO 0 1 5 M 0 $|KaBx1  
GNO 0 1 5 M 1   Y${l!+q  
END iqhOi|!  
SNAP PuxK?bwC  
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 M[~{Vd  
`]$?uQ  
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 x'Pi5NRE  
PANT kCUT ^  
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 aTGdmj!  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 7ou46v|m5  
VY 5 YDC 2 100 -100 bXYA5wG  
VY 5 XDC 2 100 -100 E3a_8@ZB7  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 ~#}Dx :HH  
END `>D9P_Y"jI  
AANT &V7>1kD3  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F Fv?=Z-wk  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   (#q<\`  
END iRG?# "  
SNAP }<MR`h1  
SYNO 30 b'ml=a#i 0  
8*g ^o\M  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 S bsouGD,{  
%lr|xX  
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。  .Qt4&B  
[attachment=98433] O`cu_  
,J mbqOV?!  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
Fk^3a'/4KJ  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: -Uo?WXP]B'  
[attachment=98462] N0n^L|(R  
7.<^j[?  
[attachment=98463] LF*Q!  
e=/&(Y  
相应的局部放大轴上视场直方图
1xnLB>jP#  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: v| z08\a[  
[attachment=98465] Qq0l* )mX  
7s'- +~  
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%M<-l"!/  
[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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