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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
$<=d[ 6  
n|T$3j)  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: )mAD<y+  
RLE                                                     !读取镜头文件 OXZK|C;M}  
ID F10 APO                                        !镜头标识 T ;84Sv  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 ~ m vv :u  
APS 3           !光阑面为表面3,程序会执行一个光瞳来重新计算YP1和XP1,而忽略输入的YP1和XP1值。 b^<7a&  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 SJc*Rl>  
OBB 0 0.5 2 -0.01194 0 0 2     !物体类型为OBB,0-入射边缘光线角度(针对无限远物),0.5-半视场角,2-半孔径,-0.01194-表面1上主光线高度,负号是指光线在图像下端;后面三个参数表示光线在X-Z平面的相应值
0 AIR                                                                        !物面处于空气中 gkTwGI+w  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 [giw(4m#y  
1 N1 1.60978880 N2 1.61494395 N3 1.62386887  !玻璃类型为N-SK4的三个波长折射率被精确指定 4_2oDcdf  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 !]7b31$M_  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 ;D-k\kv  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 Hr]  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 7)O+s/.P)  
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 9X1vL  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 k[pk R{e  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 sAA;d  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 !.iFU+?V  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 kuLur)^  
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 Je"XIhBr  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 Ap"%%D^{:  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 >e.vUUQ{  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 =d~pr:.F  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 L`O7-'`  
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 s/>0gu]A8  
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 *yZta:(w-W  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 A=ez,87  
END                                                                                  !以END结束 ??#EG{{  
~z41$~/  
e50xcf1u  
运行上述代码后,点击图标 打开PAD二维图,得到消色差透镜的初始结构,如图1所示:
[attachment=98428] S+eu3nMq  
6v}q @z  
图1 消色差透镜的初始设计
DBu8}2R  
点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: xr Ne:Aj  
[attachment=98447] 6r%i=z  
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 R;U4a2~  
而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 #U3q +d+^  
[attachment=98448]  N`X|z  
得到玻璃的色散图如下: &>Y.$eW_  
[attachment=98450] it>l?h7I  
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: 8W Qc8  
[attachment=98451] +#UawYLJ  
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。 ?hp,h3s;n$  
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。 KdTWi;mV2-  
2}.~ 6EU/  
[attachment=98452] Jfv'M<I  
6>&(OV   
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。 S;#7B?j  
!iX/Ni:  
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。 hSps9*y  
[attachment=98453] K-c>J uv&,  
?vik2RW  
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: ,k@i Nid  
[attachment=98454] t!FC)iY  
"9vL+Hh  
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: d[H`Fe6h  
:UKc:JVNM  
[attachment=98429] hv|-`}#0  
EuVA"~PA  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 NP!LBB)=Y  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: u?z,Vs"  
PANT                                            !参数输入 d?/g5[  
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 R$eEW"]  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 ]R09-s 0$7  
END                                              !以END结束 ka`}lR  
iK5[P  
AANT                                           !像差输入 t="nmjQs  
AEC                                              !自动控制玻璃元件和空气间隙的边缘羽化,防止边缘厚度太薄 X VKRT7U  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 pgv, Su  
GSO 0 1 4 M 0 0  !校正0视场弧矢面中产生的光线网格OPD像差;0-孔径权重占比,1-权重,4-光线数,M-多色,0-Y视场,0-X视场; Z% `$id  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 OwDwa~  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 G ,`]2'(@  
END                          !以END结束 UQb|J9HY4  
7D~~<45ct  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 I34 1s0  
SYNO 30                  !迭代次数30次 Z#kB+.U  
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'。 %w!x \UV  
i8*(J-M  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
s,|v,,<+  
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: >V%.=})K  
CHG                    !改变镜头 G]Im.x3O-  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 Y$ KR\ m  
END                     !以END结束 +}mj;3i  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 r"VNq&v]9  
}_+):<Db  
[attachment=98455] lm{4x~y$h  
@c>MROlrlF  
离焦随波长变化的数据分析,分析表明在设计波长范围内的离焦大约为0.0026英寸。 3?+t%_[  
[attachment=98456] je%y9*V  
aOUTKyR ~  
透镜具有完美的艾里斑,通过图像工具(MIT)计算,并且为透镜分配了十个波长,在中心产生良好的白色,并具体相干效果。如下图。 TTo?BVBK  
[attachment=98457] M@pF[J/  
'+GYw$  
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: m&MZn2u[4i  
CHG $9 G".T  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 x|Ms2.!  
END M~9IL\J^G  
VAdUd {  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: i\K88B&24  
[attachment=98458] {s2eOL5I|%  
90=gP  
其中,数字2-设置统计可信水平为2个sigma,则在一大批透镜中应有99.53%透镜的像质等于或优于要求。 g6][N{xW0  
在CW中看到预期的结果如下图。图中表明轴上像质将会有0.05的变动。 lI9|"^n7F  
[attachment=98436]
I5Rd~-="G  
预测的公差如图所示。由图可知,透镜1和透镜2之间的空气间隔公差为0.00157英寸。透镜2和透镜3之间的空气间隔公差为0.000426英寸。 3)(uC+?[  
透镜2的V-number的公差为0.05359。同时该透镜保持0.00024的共轴性。 b: I0Zv6  
P;IM -]  
[attachment=98434]
!H9zd\wc  
现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? IY@N  
在CW中输入THIRD SENS: lvR>%I0`*  
:vFYqoCn  
[attachment=98426]
J8&0l&~ 6  
PaDm"+H@  
SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。 E6?0/"  
m9ky?A,  
优化宏代码如下: \rH0=~F-P  
PANT F]RZP/D`  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 8b25D|8l  
VLIST TH 2 4 HoZsDs.XZ  
END v\=k[oOu  
AANT hXc:y0 0  
AEC V#~.n ;d  
ACC C&.Q|S2_  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; l% {<+N  
GSO 0 1 5 M 0 0   U@}P]'`'f  
GNO 0 .2 4 M .75 0   7aHP;X~0  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   |tFg9RT  
END Ece=loV*l  
SNAP {@t6[g++  
SYNO 30 87R$Y> V  
@3?dI@i(  
1f$1~5Z  
优化后的透镜结果,如图4所示: 5^N` ~  
?oU5H  
[attachment=98431]
8HWEObRY  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
V~QOl=`K:  
Et;Ubj"+  
现在的THIRD SENS为: H<l0]-S{  
[attachment=98427]
W: 3fLXk+  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
M1K[6V!   
jf=90eJc  
新BTOL宏代码如下: 6D4 j];~X  
CHG *nHkK!d<N  
NOP U;Yw\&R,  
END !*,m=*[3  
r <$"T  
BTOL 2                      !设置置信区间 _$T.N  
0E^S!A 7  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 dF+:9iiAm  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 J+qcA}  
w2V:g$~,  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             6KX/Yj~B  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 8 HD I]  
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 MVp+2@)}s  
                                             数字100是指允许的最大调整值; oox;8d4}y  
xp]_>WGq  
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 88zK)k{  
W'Y#(N[ktP  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 KWn.  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 ;@<e]Ft  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: c,5yH  
[attachment=98435]
1sXVuto  
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。 P2 z~U  
[attachment=98459]
.s3y^1C  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
^7Z.~A y  
[attachment=98460] 7"Q;Yi2(  
 SB^xq  
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。
h:r:qk  
[attachment=98432] E&\ 0+-Dw  
Q'Y7PG9m~  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
"lKR~Qi  
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: [9~6, ;6  
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 d-B,)$zE  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 DxG8`}+  
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 ;sY n=r  
!InC8+be  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 8LGNV&Edg  
PANT CD)JCv  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 KOhIk*AC '  
VLIST TH 2 4 6 uiaZ@  
END /Hyi/D{W  
F7JF1HfCP  
AANT u9R@rQ9r  
GSO 0 1 5 M 0 DP!~WkU~  
GNO 0 1 5 M 1   +?GsIp@>jh  
END MJy(B><  
SNAP ;~n^/D2.  
EVAL   !必须以EAVL结束,第一阶段已经将透镜公差应用于透镜本身,然后依次完成所有透镜制作 'E4}++\  
?GeMD /]  
PHASE 2              !第二阶段,只优化不包括在第一阶段中的透镜参数和评价函数 0W]vK$\F*  
PANT +sx$%N  
VY 3 YDC 2 100 -100   !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 yjIA`5^  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 4&G #Bi  
VY 5 YDC 2 100 -100 v}Kj+9h  
VY 5 XDC 2 100 -100 %G'P!xQhy  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 M[7$F&&n  
END =8Gpov1!V~  
AANT HEe_K!_  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F Eb9n6Fg  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   0uJ??4N9  
END Z^#u n  
SNAP (E7C9U*  
SYNO 30 %ZGG6Xgw  
"; mlQyP  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 Uh3N#O  
*fQn!2}=(  
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。 ?I ;PJj  
[attachment=98433] 5a2+6N  
Dh)(?"^9A  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
c2fw;)j&X  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: b$>1_wTL  
[attachment=98462] F+ <Z%KuCu  
4,?WNPqo  
[attachment=98463] \-r"%@OkW  
@81N{tg-  
相应的局部放大轴上视场直方图
)8_MkFQe  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: il$eO 7  
[attachment=98465] !>EK %OO  
FM<`\ d'  
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: 0t6DD  
[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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