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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

V`,[=u?c  
&JhIn%=-  
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。 fslk7RlSKg  
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。

&n]Z1e}5  
    RLE _8li4;F  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 s.;KVy,=Bu  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 qH%L"J  
        APS    5 [gkRXP[DGs  
        UNITS MM xrVZxK:!  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 (U'7Fc  
    25.40000 RA/ =w&  
        MARGIN    1.270000 p (xD/E  
        BEVEL    0.254001 t+!gzZ  
            0    AIR ~|Ih JzDt  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 EB2^]?  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 ;}eEG{`Y  
            1    GTB S    'LASFN30    ' #~URLN  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 rfXF 01I  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 YY:iPaGO  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR [> &+*c  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 I0l.KiBm  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 '5xuT _  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 W|H4i;u  
            3    CTE    0.830000E-05 +?j?|G  
            3    GTB S    'SF57    ' F*4Qa  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 TtwJ,&b  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 0J:U\S  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR <S8I"8{Mb  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 ~e`;"n@4  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR SEQO2`]e:  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 QVSsi j  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 =>:% n  
            6    GTB S    'LAKN12    ' @%G'U&R{  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 @8M'<tr<z  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 >|_gT%]5  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR e1`)3-f  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 vN0L( B  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 g~Nij~/  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 cu479VzPx:  
            8    GTB S    'LAKN12    ' f=_Bx2ub  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 ]O[+c*|w  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 U= c5zrs  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 Nn,vdu{^2  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 z6FbM^;;  
            9 CTE    0.810000E-05 8V=HyF#  
            9    GTB S    'SF6        ' S& ,Ju%  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 Gh$y#0qr  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 cy&  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR <nOuyGIZ  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 ui.QYAYaV  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR ]xJ'oBhy  
        END
K4?t' dd]  
s]F?=yEp  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 5S|}:~7T  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
, `[Z`SUk`  
    PANT bG5^h  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL q#Yg0w~  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END (s V]UGrZ  
rSF;Lp)}  
    AANT t3  uB  
    M 1 1 A FNUM ]|C_`,ux  
    M 7.8 1 A BACK 'FPcAW^8  
    M    0    1    A    DELF 6:|!1Pg5  
    M    0    1    A    SA3 P EX26==  
    M    0    1    A    CO3 @sB}q 6>  
    M    0    1    A    TI3 fR]p+\#8u*  
    M    0    1    A    SI3 i_[ HcgT-  
    M    0    1    A    PETZ dt-Qu},8-  
    M    0    1    A    DI3 3xmiX{1e  
    M    0    1    A    PAC d$"G1u~%  
    M    0    1    A    SAC ;I!+ lx3[  
    M    0    1    A    PLC L;.VEz!  
    M    0    1    A    SLC |aI|yq)  
    END dDv{9D,  
lQp89*b?=U  
    SNAP 9D{u,Q V  
    SYNO 30
;uM34^  
vWqyZ-p,q  
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。 YiIddQ  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
lgCHGv2@  
我们用命令查看三阶像差
wE,=%?"  
        THIRD 2cs?("8e%  
    SYNOPSYS AI>THIRD 'WKu0Yi^'  
G zJ9N`  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 ;-3h~k  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS  /gqqKUx  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT AI^AK0.L  
            50.804            25.400        8.958 c*S#UD+  
=Q/w%8G  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS ')AByD}Hi]  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION #6*V7@9]3|  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) {&\J)oZ  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 |uQn|"U4  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS O tXw/  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT im_w+h%^  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) E@5zd@[  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 ^#a#<8Jz  
    SYNOPSYS AI>
9l]UE0yTL/  
07$/]eO%C  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
R7E]*:0}  
    ID FIVE-ELEMENT LENS g)=V#Bglv  
F`YFo)W  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS 9O),/SH;:  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT  4 "pS  
        50.800                   25.400    8.957 kN'|,eKH4  
B]'e$uyL7  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS vqrBRlZ  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION E0sbU<11  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) <ldid]o #  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 )x$!K[=  
RtW4 n:c  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS r:fwrC  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT &M0o&C-1/  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) H "Q(2I  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
2"T8^r|U  
S9OxI$6Y  
这些像差要大得多 - 但初始透镜性能要好得多！ 所以在像差平衡方面，不要试图将像差校正到极端状态。 3M}AxE u  
一般人们在设计透镜时，通常只关心两件事：图像是否清晰，是否在正确的位置。 ,DE(5iDS  
然而，这些三阶像差在降低公差敏感度上有很重要的作用。 这是因为，当透镜制造偏差越大，三阶像差变化最快。 因此，我们定义了一组可以放入AANT文件的八个定义像差的命令： TZ^{pvBy  
SAT COT ACD ACT ECD ECT ESA ECO
SAT表面对球差的贡献的平方和SA3。
COT表面对慧差贡献的平方和CO3。
ACD每个表面偏心时CO3变化量的平方和。
ACT每个表面倾斜时CO3变化量的平方和。
ECD每种元件偏心时CO3变化量的平方和。
ECT每个元件倾斜时CO3变化量的平方和。
ESA元件对球差的贡献的平方和SA3。
ECO元件对慧差贡献的平方和CO3。
I x( 6  
以下是如何使用这些像差来放宽透镜公差的示例。 我们优化了下面所示的透镜，并以目标波前权重0.05运行BTOL。
D"`%|`O  
    RLE k TFz_*6.  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 cj$,ob&DX  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' }R`8h&J  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 LTg?5GwD\j  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300  Vil@?Y"  
    APS    4 YH6snC$u  
    GLOBAL cNdu.c[@  
L=d$"Q  
    UNITS MM slu$2-H  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 S/a/1 n$ U  
    25.40000 ' " Bex`  
        0    AIR =ft9T&ciD  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 ; qO@A1Hq  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 b OW}"  
        1 CTE    0.630000E-05 Z$Z`@&U=  
        1    GTB S    'SK16    ' {;U}:Dx  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 8&i;hZm  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 CKJAZ2  
        2 CTE    0.790000E-05 kJ/+IGV^v  
        2    GTB S    'SF15    ' aLV~|$: 2  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR w(aUEWYL  
        TH    1.00000001 AIR Y3D3.T6Q  
        TH    5.00000000 H!p!sn  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 J=b*  
        5 CTE    0.820000E-05 #]"/{Z  
        5 GTB S    'K5    ' :RPVT,O}  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR 4"LPJX)Q  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 SO7(K5H,  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 _\p`4-.V  
        7 CTE    0.820000E-05 AlUJ1^o)  
        7 GTB S    'F2    ' MY&<)|v\  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR ^n t~-%  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 ki#y&{v9Be  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 cS4xe(n8  
        9 CTE    0.820000E-05 JAN|aCzD  
        9    GTB S    'F2    ' %?@x]B9Y8E  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 bG52s  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 tAaYL \~  
        10 CTE    0.820000E-05 %j%%Rn  
        10    GTB S    'K5    ' `Rrr>vj  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR A5+q^t}  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 %@>YNPD`E  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 DQcWq'yY^  
        12 CTE    0.630000E-05 /\~l1.6`  
        12    GTB S    'SK16    ' II&<  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 H%FM  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 miPmpu!  
        13 CTE    0.820000E-05 u]R$]&<  
        13    GTB S    'F2    ' )ukF3;Gt  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR @ozm;  
        14    CV    -0.00120156 wtq,`'B  
        14    UMC    -0.10260000 r9<V%PH v  
        14    TH    86.31660394 [ ynuj3G V  
        14    YMT    0.00000000 >)4.$#H  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR hRk,vB ]  
    END
$khrWiX  
y!F:m=x<  
一些公差降低得非常快速，如下表所示，其中标称数据是针对此透镜的。
　3 TH6 wedge7 tilt5 YDC7 YDC9 YDC12 YDC
Nominal0.0340.23 min0.24 min.0.00420.00340.00530.0086
Case A0.0910.670.420.0110.0090.0110.011
Case B0.1120.870.890.0150.0180.0250.014
t~q?lT  
将透镜位置保持公差很紧导致制造成本将会很昂贵。（看看表面7上的中心公差。）所以我们按如下方式进行： g2A"1w<-AH  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
R \ia6  
    THIRD SENS 5|5=Y/   
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO Mg+4huT  
u9BjgK(M  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY xwi!:PAf,o  
pVY4q0@  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 f7ZA837Un  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 G<|:605  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 sLNNcj(Cy>  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 _;#9!"&  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 _nP)uU$  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 `6UtxJSx  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 ,^HS`!s[ E  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
9Kx<\)-GMD  
@bE~@4mOu  
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
$ND90my  
    M .001 100 A ECD5
b1 H7  
gXF.on4B  
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。 uQWp+}>ZJy  
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。
%iX/y  
    THIRD SENS pcNSL'u+  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO QsM*wT&aa  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 jK e.gA  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 Jb9F=s+  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 \x(.d.l/  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 bK?MT]%}r  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 sLZ>v  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 g [AA,@p+  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606  J+lGh9G  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
>GmN~"iJ  
tGC2 ^a#~  
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。
)Y~xIj >  
    M 7 1 A ACT
%Sul4: D#  
 tq0;^L  
透镜视图如下：
O <>#>[  
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。） %OEq,Tb  
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。 QE3ryD  
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。 xb]o dYGdW  
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。 JA< :K0  
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
aTG[=)x L  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
SYeE) mI  
ZJ9x6|q  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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