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optics1210 2018-08-20 15:29

SYNOPSYS 光学设计软件课程六：三阶像差的重要性

_hy<11S;  
{k#RWDespy  
很多镜头设计初学者和许多镜头设计师都认为，像差必须得到很好的控制。 他们只说对了一部分 - 但这些要求总是指三阶像差，但如果要求三阶像差都为零。 这是不明智的。 5uJ{#Zd  
复制以下透镜文件并将其粘贴到EE编辑器中并运行它。 这是一个五片式透镜。

1X45~  
    RLE 1MF0HiC  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 nRL2Z5iO-  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 kl90w  
        APS    5 faJ>,^V#  
        UNITS MM _);;@T  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 9}TQ u0  
    25.40000 lbg^ 2|o~~  
        MARGIN    1.270000 ]*Tnu98G}  
        BEVEL    0.254001 ji~P?5(:  
            0    AIR ?7:?OX  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 6'^Gh B  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 "~uo4n~H  
            1    GTB S    'LASFN30    ' [61T$.  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 1sHaG  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 nYF *f  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR .bT|:Q~@{  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 UJX=lh.o  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 N+[ |"v  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 o3oAk10  
            3    CTE    0.830000E-05 t'F_1P^*/  
            3    GTB S    'SF57    ' 1 iWe&I:  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 F|seBBu  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 JnT1-=t.  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR ;J)8#|  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 \EC=#E(  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR Gw;[maM!%`  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 vG7aT  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 tUp'cG  
            6    GTB S    'LAKN12    ' r,` 59  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 WRWcB  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 o.Jq1$)~y  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR q|[P[7z  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 hR]AUH  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 *Y@)t* -a  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 Dn#GoDMJ[  
            8    GTB S    'LAKN12    ' V(Dn!Nz  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 N]k(8K  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 SuHv{u45  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 H(1( H0Kj"  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 oo:(GfO}  
            9 CTE    0.810000E-05 (M5{y` Kk  
            9    GTB S    'SF6        ' %Ny`d49&  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 (;11xu  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 #] @<YKoV{  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR l^F%fIRp)  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 l u^fKQ  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR bwm?\l.A  
        END
PKx ewd  
0V:DeX$bZ  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 ? 8d7/KZO  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
E[FRx1^R9  
    PANT iuX82z`  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL n tfwR#j  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END 4+V+SD  
S!<1C Fh  
    AANT >}43xIRRCq  
    M 1 1 A FNUM tkG0xRH  
    M 7.8 1 A BACK C(7Y5\"P  
    M    0    1    A    DELF xF+a.gAIb  
    M    0    1    A    SA3 fCMH<}w  
    M    0    1    A    CO3 9P3jx)K  
    M    0    1    A    TI3 Y{ho[%  
    M    0    1    A    SI3 NdS6j'%B@7  
    M    0    1    A    PETZ Y]5\%JR  
    M    0    1    A    DI3 h9McC3  
    M    0    1    A    PAC DiB~Ovh|  
    M    0    1    A    SAC x=>+.'K  
    M    0    1    A    PLC \k=.w  
    M    0    1    A    SLC {ZS-]|Kx  
    END uh~/ybR  
Uf`lGGM  
    SNAP ? 9.V@+i  
    SYNO 30
R?Dbv'lp>  
93Yo }6>  
该MACro将改变所有设计变量并控制F/number ，离焦和后焦距，并同时以三阶像差校正为零作为目标。 输入VLIST RAD ALL将改变所有半径，VLIST TH ALL将改变所有厚度和空气间隔，本例中我们不建议使用VLIST GLM ALL命令，因为该命令将会改变透镜的材料，在这个例子中，我们必须单独声明表面。 FA.h?yfr  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
G36}4  
我们用命令查看三阶像差
4DVkycM  
        THIRD xb!h?F&  
    SYNOPSYS AI>THIRD ?,J N?  
|EJ&s393&  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 \}ujSr#<  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS .qyk[O  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT H<M ggs-  
            50.804            25.400        8.958 ,t+5(qi  
) #/@Jo2F  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS ?I`BbT}  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION r@&d88U:  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) ) 0x* >;"o  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 3dnL\AqC  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS xg}RpC!  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT D!. r$i)  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) 41<.e` {  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 .(Gq9m[~8H  
    SYNOPSYS AI>
L%8>deE>;D  
OQ$77]XtvL  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
! af35WF  
    ID FIVE-ELEMENT LENS f:k3j}&  
$X %GzrN  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS <qzHMy Ai  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT  `x"0  
        50.800                   25.400    8.957 rsP3?.E  
"hU'o&  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS *'+OA6  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION %C= {\]-2~  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) jfyV9)  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 D?rQQxb  
bA-=au?o5  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS ui4H(A'}  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT kb?QQ\e  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) VVdgNT|}W  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
4WnB{9 i`I  
"D7*en  
这些像差要大得多 - 但初始透镜性能要好得多！ 所以在像差平衡方面，不要试图将像差校正到极端状态。 v7O&9a;  
一般人们在设计透镜时，通常只关心两件事：图像是否清晰，是否在正确的位置。 hq.z:D  
然而，这些三阶像差在降低公差敏感度上有很重要的作用。 这是因为，当透镜制造偏差越大，三阶像差变化最快。 因此，我们定义了一组可以放入AANT文件的八个定义像差的命令： H#8]Lb@@:  
SAT COT ACD ACT ECD ECT ESA ECO
SAT表面对球差的贡献的平方和SA3。
COT表面对慧差贡献的平方和CO3。
ACD每个表面偏心时CO3变化量的平方和。
ACT每个表面倾斜时CO3变化量的平方和。
ECD每种元件偏心时CO3变化量的平方和。
ECT每个元件倾斜时CO3变化量的平方和。
ESA元件对球差的贡献的平方和SA3。
ECO元件对慧差贡献的平方和CO3。
t;9f7~  
以下是如何使用这些像差来放宽透镜公差的示例。 我们优化了下面所示的透镜，并以目标波前权重0.05运行BTOL。
YMG{xGPtM  
    RLE ,UQ4`Mh^L  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 jxL5L[  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' &oevgG  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 Tx35~Z`0  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 [{_JO+)+n  
    APS    4 QQKvy0?1  
    GLOBAL 1Y410-.3w{  
fmH$ 1C<  
    UNITS MM @b2{'#9]}  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 "k\W2,q[  
    25.40000 h"KN)xi$  
        0    AIR TL+a_]3@  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 ARW|wXhyf  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 4J2NIFZ  
        1 CTE    0.630000E-05 u0h {bu  
        1    GTB S    'SK16    ' @R>4b  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 3Juhn5&N  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 $=n|MbFl  
        2 CTE    0.790000E-05 w,]cFT  
        2    GTB S    'SF15    ' 6 $%^  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR i% k`/X;  
        TH    1.00000001 AIR )'M<q,@<(  
        TH    5.00000000 F ]\4<  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 GVZ/`^ndM  
        5 CTE    0.820000E-05 in-/  
        5 GTB S    'K5    ' ^r^c MksB*  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR ]j0v.[SX  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 ;Gxp'y  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 J0w[vrs&]  
        7 CTE    0.820000E-05 Mw7 ~:O`  
        7 GTB S    'F2    ' kRnh20I  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR m.-l&@I2/<  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 PdJtJqA8h\  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 ,T_HE3K  
        9 CTE    0.820000E-05 V4f ~#Tp  
        9    GTB S    'F2    ' h<i.@&  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 y[S 5  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 YY]JjMkU  
        10 CTE    0.820000E-05 di`Ql._M  
        10    GTB S    'K5    ' It!%/Y5  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR D0=D8P}H:  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 :*#AJV)  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 +Tde#T&[  
        12 CTE    0.630000E-05 URmx8=q  
        12    GTB S    'SK16    ' _S/bwPj|~y  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 x;lIw)Ti  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 mkTf}[O  
        13 CTE    0.820000E-05 0)-l9V  
        13    GTB S    'F2    ' p+#J;.  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR $I~=t{;"XV  
        14    CV    -0.00120156 Jg3}U j2By  
        14    UMC    -0.10260000 nK1XJp  
        14    TH    86.31660394 <WtX> \]l(  
        14    YMT    0.00000000 x$I~y D  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR =(K;z9OR  
    END
H:4r6-{  
md_aD  
一些公差降低得非常快速，如下表所示，其中标称数据是针对此透镜的。
　3 TH6 wedge7 tilt5 YDC7 YDC9 YDC12 YDC
Nominal0.0340.23 min0.24 min.0.00420.00340.00530.0086
Case A0.0910.670.420.0110.0090.0110.011
Case B0.1120.870.890.0150.0180.0250.014
F4>}mIA  
将透镜位置保持公差很紧导致制造成本将会很昂贵。（看看表面7上的中心公差。）所以我们按如下方式进行： 8(q4D K\5u  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
0@{K'm /  
    THIRD SENS )!hDF9O  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO SQWwxFJ  
dgE|*1/0  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY )-#%  
2X;,s`)  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 $jo}?Y+  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 KWCA9.w4q  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 AnG/A!G  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 %#2[3N{  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 \06fP4?  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 KnbT2  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 {HNGohZt  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
8b !&TP~m1  
1$?O5.X:  
2.由于我们主要关注中心误差，我们可能会尝试降低ECD的值，即当元件偏心变化时，CO3的变化。 让我们添加到AANT文件（在L6M2.MAC中）的行
Erl"X}P  
    M .001 100 A ECD5
bw9a@X  
K=M5d^K<E  
由于ECD已经是一个很小的数字（与列表中的其他数字相比），我们给它一个很高的权重，因此它对评价函数产生了影响。 请记住，我们不能简单地将所有这些值都定为零，因为通常不能设计没有任何像差的透镜元件，并且没有光焦度。 而且，这些量以不明显的方式耦合。 例如，如果减少SAT的值，您可能会发现COT也变小了。 0wB ?U~  
你不能给他们各自分配一个独立的值，并期望程序可以自己找到这样的组合。 因此，明智的做法是一次一个地进行，直到找到最适合您透镜的参数。 在这个例子中，控制ECD的值，即可得到透镜。
}E[S%W[  
    THIRD SENS oOBN  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO zv||&Hi  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 }7+G'=XI/  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 0vQ@n7  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 f8L  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 X8<<;?L  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 (ScL  C  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 8<Asg2]6  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 fBS;~;l  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
$dFEC}1t  
'{QbjG%<P  
即使我们只针对其中一个（ECD），请注意所有值都已更改。 该透镜的公差列于上表中的情况A.。显然，现在的公差要宽松得多，尽管这对制造商来说仍然是一个挑战。 让我们再试一试。 这次我们将ACT的值定为7.0，即标称值的1/10。
^;$a_eR  
    M 7 1 A ACT
PbJn8o   
K SDo)7`  
透镜视图如下：
? Sj,HLo@U  
公差列在上面的案例B中。 对于一些公差来说，这可能是更好的预估。 （我们忽略了本课程的可制造性问题：某些元件太薄，应该使用ACM监视器进行控制。） 3%|LMX]M5_  
您选择控制的数量取决于您想要影响的公差。 例如，空气间隔的公差可以响应对ESA数量的控制。 另一方面，透镜厚度公差可能对SAT更好地响应。 您必须了解您的透镜，并尝试使用这些工具，以找到最佳目标和最佳BTOL预估。 ' ]l,  
有时这些量的作用是增加评价函数。 通常这不是一个好主意，因为如果像质变得更糟，公差通常会变得更紧。 但是，本课中工具的放松效果有时会超过这种效果，无论如何都会使公差更加宽松。 当然，这只能在一定程度范围之内，如果评价函数太大，你的评价函数应该要求一个要求较低的值。 L qMH]W  
我们无法保证任何这些像差目标在任何特定情况下都能起作用，但经验表明它们肯定值得一试。 您的公差可以放宽2到10倍。 `n Y!nh6!  
最后，我们提到控制单个元件灵敏度的另一种非常有效的方法是使用SECTION像差。 虽然本课程中讨论的数量适用于所有表面或元件，因此非常易于使用，但SECTION像差仅适用于您指定的表面范围。 如果一个元件仍然被分配了一个非常紧的中心公差，即使你尝试了本节中给出的目标 - 如果某些元件的公差变得更宽松但问题元件的公差变得更紧，可能会发生这种情况 - 你可能只控制那个含彗差或球差的元件。 这使您可以精确控制所需的像差，并且通常值得采取额外步骤。 例如，如果表面13和14处的元件非常敏感，您可以尝试
0SwWLq  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
H5S>|"`e`e  
h35x'`g7+r  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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