首页 -> 登录 -> 注册 -> 回复主题 -> 发表主题
光行天下 -> SYNOPSYS -> SYNOPSYS代码详解-消色差透镜设计及公差分析 [点此返回论坛查看本帖完整版本] [打印本页]

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
P3nb2.  
Qkd<sxL  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: %y|)=cm[  
RLE                                                     !读取镜头文件 `^FGwx@  
ID F10 APO                                        !镜头标识 ghX|3lI\q  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 I]&#Dl/  
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。 tdSfi<y5I  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 UF<uU-C"  
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 {6c2{@  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 2GWMlI  
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 ;r>snJ=M  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 L.2/*H#  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 *WIj4G.d  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 bLQ ^fH4ww  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 00SbH$SU  
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 vt;{9\Y  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 ALNc'MW!  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 '`XX "_k3  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 M5*{  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 C_n9T{k  
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 S`"LV $8  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 ,^x4sA[/  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 `KK>~T_$J  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 lmxr oHE  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 z-LB^kc8oQ  
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 yfx7{naKC`  
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 oA =4=`  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 &Ibu>di4[  
END                                                                                  !以END结束 mN>h5G>a  
=ZDAeVz3w  
PB/IFsJ  
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] niqN{  
Tjl:|F8  
图1 消色差透镜的初始设计
q&Gz ]  
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: -|Y(V5]  
[attachment=98447] -Y*bSP)\  
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。 Gu'rUo3Do  
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’。 9$Xu,y  
[attachment=98448] mFSw@CC  
得到玻璃的色散图如下: Yb /i{@AJ  
[attachment=98450] C":o/;,1  
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: ;Ww7"-=sw  
[attachment=98451] E/09hD Q  
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 u6MzRC  
如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 ~5 *5  
XP1~d>j  
[attachment=98452] B7]C]=${m  
t\ 7~S&z  
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。 aS pWsT  
w^#L9i'v'  
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。 |6(ZD^w  
[attachment=98453] RgGyoZ  
}t ;(VynV)  
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: `8I&7c  
[attachment=98454] ~,BIf+ \XF  
+{/*z  
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: sL@U  
h~(D@/tB  
[attachment=98429] ?@6/E<-Z$  
0%Z]h?EYy|  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 #Ap;_XcKw  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: '2laTl]`  
PANT                                            !参数输入 i@B[ eta  
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 7yz4'L  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 \igmv]G%  
END                                              !以END结束 gt ";2,;X  
*0}3t <5  
AANT                                           !像差输入 ;?6No(/  
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 /MF! GM  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 l6~-8d+lfN  
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; ]a! xUg!S  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 ! /NG.Wf  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 \T\b NbPn  
END                          !以END结束 oh KCdT~  
cI=r+ OGk*  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 >(<ytnt=  
SYNO 30                  !迭代次数30次 gi-Yqco  
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'。 -YjA+XP  
UTSL  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
#_|sgS?1  
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: [b/k3&O'  
CHG                    !改变镜头 .(X lg-H,  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 (s1k$@d  
END                     !以END结束 .!6>oL/iF  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 sz9G3artK&  
I`w4Xrd  
[attachment=98455] h8Xg`C\  
+R\vgE68  
离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 p[@5&_u(z  
[attachment=98456] #!9S}b$  
&tZG @  
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。 oP2fX_v1x  
[attachment=98457] ] )"u+  
-\y-qHgb/  
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: 3G meD/6  
CHG Y'u7 IX}  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 _6k*'aT~FK  
END if)Y9:{r^  
2o9$4{}rG  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: WH$e2[+Y  
[attachment=98458] 6AP~]e 8  
8`]=C~ G  
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。 [<,~3oRu  
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。 ~fa(=.h  
[attachment=98436]
^@"H1  
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。 QnI.zq V  
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。 `$YP<CJeq  
c.|l-zAeX  
[attachment=98434]
5PIZh<  
现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? Ka|eFprS  
在CW中输入THIRD SENS:  /q@ s  
97,rE$bC  
[attachment=98426]
Xwa_3Xm*Le  
}%-t+Tf,  
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。 7 JDN{!jT  
S|zW^|YU  
优化宏代码如下: t UR c bwV  
PANT BT_tOEL#  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 jDRe)bo4  
VLIST TH 2 4 ]}mxY vu_i  
END cM&2SRBZ  
AANT ZL< MC~  
AEC \@~UDP]7  
ACC vMs;>lhtg  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; o]LRzI  
GSO 0 1 5 M 0 0   #u5~0,F  
GNO 0 .2 4 M .75 0   k{AyD`'Q  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   C*X G_b ]  
END }Z`(aDH  
SNAP B(DrY1ztj  
SYNO 30 hKlZi!4J  
WV"jH9"[  
*RR[H6B^]X  
优化后的透镜结果,如图4所示: b}G24{  
70B)|<$  
[attachment=98431]
%vO<9fE|1  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
FZH\Q~IUV  
)2Hff.  
现在的THIRD SENS为: 4.K'\S  
[attachment=98427]
3_`szl-  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
}E}8_ 8T6  
&*&?0ov^"  
新BTOL宏代码如下: "Jy~PcJZ1  
CHG x3e]d$  
NOP p8+/\Ee]B  
END &s)0z)mR8&  
[ut#:1h^  
BTOL 2                      !设置置信区间 |c2v%'J2G  
Gy@7Xf  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 }4nT.!5  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 df=z F.5  
0+b 0<  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             M;Wha;%E"  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 *mBJ? { !  
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 4S L_-Hm.  
                                             数字100是指允许的最大调整值; |z^pL1Z]5  
QMk+RM8U  
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 ACV ek  
=!ac7i\F  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 m]IysyFFK  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 fw{,bJ(U  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: C;a@Jjor'  
[attachment=98435]
RP(/x+V  
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。 j1$<]f  
[attachment=98459]
>]}yXg=QK+  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
MFg'YA2/  
[attachment=98460] `<j_[(5yb  
Y5-kj,CB  
现在测试最坏的透镜。点击 [attachment=98461],在CW中输入GET 5,即将MC最坏的透镜放在ACON2中,如图5所示。
mjEs5XCC"  
[attachment=98432] w}M3x^9@  
9DEh*%q  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
=Mhg  
于是,对保存在透镜库4的透镜进行制造调整。使用FAMC指令(FAMC是制造调整MC)分析统计数据。代码如下: `W[+%b  
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5  !测试透镜库4中的50片透镜,按照预计公差来制作透镜,然后监控对比所有透镜质量,将最坏透镜结果保存在透镜库5 k|O,1  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 =p&sl;PsLw  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 >$ F:*lO  
+zRh fIJHH  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 E '%lxr  
PANT 7aQcP  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 p\U*;'hv  
VLIST TH 2 4 6 kb|eQtH  
END F$*3@Y  
B4O6> '  
AANT Q @2(aR  
GSO 0 1 5 M 0 }f}IA\8]  
GNO 0 1 5 M 1   )o8g=7Jm  
END C(,=[Fi-  
SNAP VjTe4$ *  
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 abZdGnc  
Ko}2%4on  
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 vF>gU_gz.  
PANT yL"i  
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 (^H5EeGV{  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 4uX(_5#j  
VY 5 YDC 2 100 -100 ) p^  
VY 5 XDC 2 100 -100 {Bvm'lq`  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 +{6`F1MO  
END Zu=kT}aGg  
AANT feCqbWq:  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F uu>lDvR*  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   |mj# 0  
END ,U%=rfB~  
SNAP e}Q>\t45  
SYNO 30 =hcPTU-QU  
-SJSTO[/J  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 pruWO'b`  
l.7d$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。 sA\L7`2H  
[attachment=98433] 8ath45G@  
dwp: iM  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
4p x_ZD#J  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: -]QguZE  
[attachment=98462] !~d'{sy6  
;\s~%~ \  
[attachment=98463] n{{ P 3f  
Uk02IOXQ  
相应的局部放大轴上视场直方图
q5?L1  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: ! o^Ic`FhS  
[attachment=98465] H56 ^n<tg  
O!] ;_q/  
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: V5X i '=  
[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!
查看本帖完整版本: [-- SYNOPSYS代码详解-消色差透镜设计及公差分析 --] [-- top --]

Copyright © 2005-2025 光行天下 蜀ICP备06003254号-1 网站统计