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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]>_P83  
{}ks[%,_\  
首先,消色差透镜的初始结构设计代码如下: ;IX3w:Aw  
RLE                                                     !读取镜头文件 g0-hN%=6  
ID F10 APO                                        !镜头标识 HhfuHZ<  
WAVL 0.65 0.55 0.45                         !定义三个波长,按照长波到短波顺序排列 SooSOOAx[  
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。 [eV!ho*r  
UNITS INCH                                      !透镜单位为英寸 mZ9+.lm  
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 m S[Vl6  
1 RAD -300.4494760791975   TH      0.58187611  !表面1的半径,厚度 eup#.#J  
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 0w?\KHT  
1 GTB S    'N-SK4 '                                                  !表面1玻璃类型为N-SK4 -P+( =U  
2 RAD     -7.4819193194388   TH      0.31629961 AIR   !表面2在空气中的半径,厚度 a%Ky;ys  
2 AIR                                                                                 !表面2处于空气中 p;av63 i  
3 RAD     -6.8555018049530   TH      0.26355283           !表面3的半径,厚度 $0rSb0[  
3 N1 1.60953772 N2 1.61628830 N3 1.62823445         !玻璃类型为N-KZFS4的三个波长折射率被精确指出 ,]e!OZ[$m  
3 GTB S    'N-KZFS4'                                                     !表面3玻璃类型为N-KZFS4 3rX5haD\  
4 RAD      5.5272935517214   TH      0.04305983 AIR    !表面4在空气中的半径,厚度 e-Z+)4fH  
4 AIR                                                                                  !表面4处于空气中 z@hlN3dg  
5 RAD      5.6098999521052   TH      0.53300999   !表面5的半径,厚度 [bH5UTA  
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 U[9`:aV;  
5 GTB S    'N-BAF10'                                               !表面5玻璃类型为N-BAF10 3{o5AsVv  
6 RAD    -27.9819596092866  TH     39.24611007 AIR   !表面6在空气中的半径,厚度 ~fLuys`*:  
6 AIR                                                                                  !表面6处于空气中 B9;dX6c  
6 CV      -0.03573731                                                         !表面6的曲率 )cc:Z7p  
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 /YYI 4  
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 (hTe53d<S?  
7 RAD    -11.2104527948015   TH      0.00000000 AIR  !表面7(像面)的半径,厚度 Y2i:ZP  
END                                                                                  !以END结束 xcO Si>  
7VkT(xnm  
WlnmW(uahW  
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] |}paa  
9W$FX  
图1 消色差透镜的初始设计
$5aRu,  
点击PAD图中的图标 ,打开玻璃表,已经选中玻璃库Schott,这是我们先前指定的玻璃库,点击OK,得到显示Nd和Vd的玻璃图,如下图: -~Kw~RX<(  
[attachment=98447] .L'>1H]B  
绿色圆圈旁边的数字表示目前三片式透镜表面1、表面3、表面5,即被定义了玻璃类型的表面。 mXnl-_  
而我们关心的是色散特性。所以需单击‘Graph’按钮,然后单击‘Plot P(F,e)vs.Ve’,再点击‘OK’。 B5"(NJ;  
[attachment=98448] DYlu`j_ux  
得到玻璃的色散图如下: g1-^@&q  
[attachment=98450] c%Y%c2([  
现在,我们查看表面1的玻璃材料的性能。具体操作:单击数字1的绿色圆圈,然后单击‘Properties’按钮。最后表面1的玻璃材料N-SK4的性能如下: ] dB6--  
[attachment=98451] U1<EAGo|  
图中显示,N-SK4的酸度(Acid)等级为5,湿度等级(Humidity)为3;此玻璃暴露在空气中的性能不稳定。因此,需要更换一种玻璃材料。 >x0"gh  
如何选取更换材料?首先我们单击'Graph'按钮,选择‘Acid Sensitivity ’,点击‘OK’,得到下图,图中玻璃位置处的红色垂线表示酸敏感度,垂线越长,玻璃越不耐用。 w[Ee#Yaj.-  
iTi]D2jC  
[attachment=98452] @O b$w1c  
\nM$qr'`B  
从图中,我们发现N-BAK2根本没有线,可以选取其作为更换材料。 [4'C4Zl  
,a&N1G.  
于是,单击N-BAK2符号,名称出现在右侧窗口时,在‘Surface’中填写‘1’,然后点击'Apply',这样就为表面1分配了玻璃类型N-BAK2。 zSMN k AM  
[attachment=98453] !P7&{I,e  
ur^)bp<n  
另外,N-BAK2的特性如下,其酸碱度等级为1,湿度等级为2,而且价格也比N-SK4低: V,?i]q;5  
[attachment=98454] _gZ8UZ)  
5tI4m#y2  
现在PAD图中的透镜像差非常差,这是因为表面1更换玻璃N-BAK2后,还未进行优化,如图2所示: qCg`"/0  
,w%cX{  
[attachment=98429] ehQ"<.sQ  
WT$m*I  
图2更换玻璃N-BAK2后的消色差透镜 K@lZuQ.1  
接下来,运行下面代码对透镜进行优化,代码如下: =E@wi?  
PANT                                            !参数输入 Fl\X&6k  
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 t?H.M  
VLIST TH 2 4                               !改变表面2和表面4的厚度 =pQA!u]QE  
END                                              !以END结束 7g1" s1~or  
vKYdYa\  
AANT                                           !像差输入 ,@"Z!?e  
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 uKF?UXc  
ACC                                              !自动控制玻璃元件的中心厚度,防止中心厚度太厚 $ )ps~  
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; `pS<v.L3  
GNO 0 .2 3 M .75 0  !校正0.75视场光线网格OPD像差 '3S S%W  
GNO 0 .1 3 M 1.0 0  !校正全视场光线网格OPD像差 p?S:J`q  
END                          !以END结束 4/; X-  
&U\Xy+  
SNAP                        !设置PAD更新频率,每迭代一次PAD更新一次 J9J[.6k8  
SYNO 30                  !迭代次数30次 d5$2*h{^v  
优化后的消色差镜头结构,如图3所示。由图可知,此透镜的校正的光程差优于1/4波长。并保存镜头文件,命名为'C12L2.RLE'。 ]nE_(*w  
iR j/Tm*T'  
[attachment=98430]
图3 通光更换玻璃后重新优化的消色差透镜
]37k\O?vd  
接着,我们查看离焦在新设计中随波长的变化,如下图。运行以下代码: EIO!f[]o  
CHG                    !改变镜头 .U|e#t  
NOP                     !移除所有在透镜上的拾取和求解 , |SO'dG  
END                     !以END结束 ZC+F*:$  
PLOT DELF FOR WAVL = .45 TO .65  !绘制离焦在波长0.45um~0.65um范围内的变化 D6&fDhO27  
!{5jP|vo  
[attachment=98455] $r%m<Uc;}O  
H'68K8i0  
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。 ud xLHs  
[attachment=98456] *xB9~:  
g`~c|bx  
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。 Qp8. D4^@3  
[attachment=98457] yU"lW{H@  
j3 d=O!  
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<_FD  
CHG Yjxa=CD  
6 NCOP          !移除表面6的曲率求解 DE3>F^ j  
END h*2Q0GRX  
m)4s4P57y  
然后,在CW命令窗口输入MSB,进行BTOL设置,如图: jSbO1go#  
[attachment=98458] I,dH\]^h=  
4Fhiac  
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。 Kl.xe&t@j  
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。 F. X{(8  
[attachment=98436]
O)C y4[  
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。 rq'Cj<=Zj  
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。 .QX|:]|n  
Ijq',@jE  
[attachment=98434]
s>`$]6wPa  
现在呢,公差太小,没有办法按照预估公差来制造透镜。所以怎样将公差放大呢? C$`z23E  
在CW中输入THIRD SENS: NyU~8?bp  
/zZ$<mVG  
[attachment=98426]
CpHF3o`Z6  
:@KU_U)\  
SAT的值为8.363,即每个表面对球差SA3贡献的平方和为8.363。接下来,通光减小SAT值,来降低公差灵敏度,放大公差。 <%klrQya  
`?VtB!p@x=  
优化宏代码如下: oeKI9p13\  
PANT pUby0)}t  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 .Q FGIAM  
VLIST TH 2 4 l +RT>jAmK  
END qH'T~# S  
AANT b*=eMcd  
AEC K~**. NF-n  
ACC )f]E<*k'E  
M 4 1 A SAT                      !SAT的目标值为4,权重为1; *IWO ,!  
GSO 0 1 5 M 0 0   01Bs7@"+  
GNO 0 .2 4 M .75 0   _ +Ww1 f  
GNO 0 .1 4 M 1.0 0   g[fCvWm#d  
END J =o,: 3"  
SNAP g/ONr,l`-  
SYNO 30 +^$FA4<~  
4L#q?]$  
p]=a:kd4J  
优化后的透镜结果,如图4所示: [L h<k+  
vy W/f  
[attachment=98431]
+r[u4?  
图4 减小SAT值,优化后的消色差透镜
%g7 !4  
O~yPe.  
现在的THIRD SENS为: JmB7tRM8  
[attachment=98427]
n%PHHu  
接下来,我们通过编辑BTOL宏来计算公差。
A-<\?13uW  
v-2_#  
新BTOL宏代码如下: >0kn&pe7#T  
CHG +')\,m "z  
NOP +e_NpC  
END TJ9JIxnS  
WP-?C<Iw  
BTOL 2                      !设置置信区间 BeZr5I"`}  
<i34;`)b  
EXACT INDEX 1 3 5    !表面1,表面3和表面5的折射率是精确的 a$!|)+  
EXACT VNO 1 3 5        !表面1,表面3和表面5的V-number是精确的 `hYj0:*)S$  
5]yQMY\2)  
TPR ALL                  !  假定所有表面与光学样板匹配                                                             eqD|3YX  
TOL WAVE 0.1        !最大波前变化值为0.1 bL\ab  
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 A&_H%]{<:  
                                             数字100是指允许的最大调整值; O#}T.5t  
dWV.5cViP  
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 dc UaZfON  
_r+2o-ZR  
GO                          !BTOL输入文件的最后输入,并执行程序 n'a=@/  
STORE 4                !透镜结果储存在透镜库的位置4 ^(7<L<H  
运行BTOL宏之后,公差稍微宽松一点,如下图: .s-X %%e\  
[attachment=98435]
M]&F1<  
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。 7+wy`xi  
[attachment=98459]
9^ITP!~e*  
在CW窗口输入:MC PLOT,得到MC直方图:
mX))*e4k  
[attachment=98460] -[A4B)  
qP? V{N  
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。
csP 5R3  
[attachment=98432] Z{"/Ae5]  
F|\^O[#R  
图5 MC最差透镜情况。必须制造调整。
kGm-jh  
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: KEF"`VTB@  
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 iX4?5yz~<  
PASSES 20           !对第一阶段(PHASE 1)优化的迭代次数 h^ wu8E   
FAORDER 5 3 1  !透镜制造序列,按难度排序,最复杂的透镜放首位 ST'M<G%4E  
%D|p7&  
PHASE 1              !第一阶段,优化透镜参数 uCGJe1!Ai>  
PANT tow0/ Jt  
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 Sx{vZS3  
VLIST TH 2 4 6 W@<(WI3  
END <u>l#weG,  
3e&H)  
AANT |HhqWja  
GSO 0 1 5 M 0 .$nQD.X  
GNO 0 1 5 M 1   )/VhkSXbG!  
END It$'6HV~Sb  
SNAP +[386  
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 1#rcxUSi  
u0^Vy#@_  
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 nn'a` N  
PANT t[$C r;  
VY 3 YDC 2 100 -100   !改变表面3的Y方向偏心,上限为2,下限为100,增量为-100 nT.i|(xd.  
VY 3 XDC 2 100 -100   !改变表面3的X方向偏心 8Mx+tA  
VY 5 YDC 2 100 -100 ~,j52obR6Z  
VY 5 XDC 2 100 -100 hKa<9>MI`  
VY 6 TH                        !改变表面6的厚度 Mrpz(})  
END UQZ<sp4v;  
AANT SMX70T!'9  
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F CG@3z@*?.  
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F   37C'knW  
END !h\.w9o[  
SNAP )F_0('=t  
SYNO 30 ^d2#J  
7.V'T=@x3)  
PHASE 3 !第三阶段;当遇到第三阶段的输入,程序循环整个过程 8%C7!l q  
+XL^dzN[|$  
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。 1< gY  
[attachment=98433] ]B8`b  
z?T;2/_7  
图6 带有制造调整的MC最差透镜情况。
(>~:1  
再次在CW中输入MC PLOT,得到MC直方图: tOUpK20q.@  
[attachment=98462] K&T[F!  
3y#0Lb-y  
[attachment=98463] 'OrGt_U  
S87E$k  
相应的局部放大轴上视场直方图
B49: R >  
打开MPL对话框设置后,透镜元件2的ELD绘制出图: QT\||0V~p  
[attachment=98465] =K#5I<x  
5UWj#|t  
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: FA5|`  
[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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