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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

/#:Rd^  
JZW gr&O<  
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。 ~gSwxGT7d  
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。

3Ne9% "  
    RLE Vf"O/o}hq,  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 {E;2&d  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 T@%;0Ro~  
        APS    5 pg} ~vb"  
        UNITS MM Pd)K^;em  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 7(yXsVq  
    25.40000  %zA2%cq<  
        MARGIN    1.270000 omXBnzT  
        BEVEL    0.254001 #H'sZv  
            0    AIR HXD*zv@ *6  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 t-.2 +6"\  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 9(QU2QY  
            1    GTB S    'LASFN30    ' y%{*uH}SL  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 Z}sG3p  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 R59e&   
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR R88(dEK  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 34X(J-1\|i  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 f?/|;Zo4  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 7$g*N6)Q  
            3    CTE    0.830000E-05 DQ}_9?3  
            3    GTB S    'SF57    ' FBR$,j;Y  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 }9L 40)8  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 V-?sek{;  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR R=][>\7]}  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 %Nwyx;>9^K  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR *%ed;>6:Q  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 |#DC.Ga!  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 s[0prm5.  
            6    GTB S    'LAKN12    ' {B'Gm]4  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 D)H?=G  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 j\XX:uU_  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR "o\6k"_c>  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 F'V +2,.  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 o{ ,ba~$.w  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 *b$z6.  
            8    GTB S    'LAKN12    ' O0K@M  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 UPfFT^=y  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 qP7&LtU  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 "-0pz\a  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 pl jV|.?  
            9 CTE    0.810000E-05 C$N4   
            9    GTB S    'SF6        ' qB+:#Yrx/  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 k#8S`W8^  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 ~)! V8  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR n.Ur-ot  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 WU+Jo@]y  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR 8>%jZ%`a  
        END
J9b?}-O)  
beN>5coP%A  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 7$q2v=tH_  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
C }h<ldlY  
    PANT ^Ff~j&L@{  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL )rs|=M=Xk  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END ^'C,WZt  
=\ti<  
    AANT :=iM$_tp'  
    M 1 1 A FNUM eI/\I:G{f  
    M 7.8 1 A BACK 0I(GB;E  
    M    0    1    A    DELF `>`K7-H  
    M    0    1    A    SA3 3]:p!Y`$  
    M    0    1    A    CO3 DWm;&RPJ  
    M    0    1    A    TI3 "lv:hz  
    M    0    1    A    SI3 H}jK3;8E  
    M    0    1    A    PETZ ch)Ps2i  
    M    0    1    A    DI3 r2E>sHw  
    M    0    1    A    PAC dCoi>PO  
    M    0    1    A    SAC RAD4q"}k  
    M    0    1    A    PLC a.Rp#}f  
    M    0    1    A    SLC \V"P maP\  
    END yVmtsQ-}a  
OIXAjU*N  
    SNAP ~kSnXJv  
    SYNO 30
!7Yt`l$$z  
0bnVIG2q  
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。 LAK-!!0X  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
<u x*r#a!d  
我们用命令查看三阶像差
V~]'+A q>  
        THIRD )L(d$N=Bd  
    SYNOPSYS AI>THIRD JucxhjV#,  
=7J|KoKK  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 V\rIN}7  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS f)AW! /  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT Oc"'ay(g  
            50.804            25.400        8.958 Q#J>vwi=  
(Qh7bfd  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS v'bd.eqw  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION H(%] Os  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) }VGI Y>v  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 '^-4{Y^2E  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS +EiUAs~H  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT ?ck^? p7  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) qy42Y/8'  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 <R`,zE@t'(  
    SYNOPSYS AI>
;@7 #w  
\MFWK#W  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
0oi5]f6g?8  
    ID FIVE-ELEMENT LENS LO$#DHPt  
f_5R!;  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS Y;> p)'z  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT q/w6sQx$  
        50.800                   25.400    8.957 1n"+~N^\  
iM\ Z J6  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS 32-3C6f@oZ  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION 53u.p c  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) I 3zitI;  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 u>Axq3F  
*p#YK|  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS a9@l8{)RX  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT $ Op/5j  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) /4-eoTxy  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
v4k=NH+w  
K}5 $;W#  
这些像差要大得多 - 但初始透镜性能要好得多！ 所以在像差平衡方面，不要试图将像差校正到极端状态。 Bn#HJ17/#  
一般人们在设计透镜时，通常只关心两件事：图像是否清晰，是否在正确的位置。 [@. jL0>  
然而，这些三阶像差在降低公差敏感度上有很重要的作用。 这是因为，当透镜制造偏差越大，三阶像差变化最快。 因此，我们定义了一组可以放入AANT文件的八个定义像差的命令： R SWB!-  
SAT COT ACD ACT ECD ECT ESA ECO
SAT表面对球差的贡献的平方和SA3。
COT表面对慧差贡献的平方和CO3。
ACD每个表面偏心时CO3变化量的平方和。
ACT每个表面倾斜时CO3变化量的平方和。
ECD每种元件偏心时CO3变化量的平方和。
ECT每个元件倾斜时CO3变化量的平方和。
ESA元件对球差的贡献的平方和SA3。
ECO元件对慧差贡献的平方和CO3。
O'& \-j 1  
以下是如何使用这些像差来放宽透镜公差的示例。 我们优化了下面所示的透镜，并以目标波前权重0.05运行BTOL。
P #2TM  
    RLE T\e)Czz2-  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 i2ml[;*,N  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' 7dg 5HH  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 ^%*{:0'  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 &A5[C{x  
    APS    4 seD+~Y\z  
    GLOBAL {R{%Z  
fN*4(yw  
    UNITS MM Ko]h r  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 U5ud?z()OA  
    25.40000 98%tws`  
        0    AIR IO&#)Ft  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 (zLIv9$  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 f+*2K^B  
        1 CTE    0.630000E-05 J0WXH/:  
        1    GTB S    'SK16    ' e/% ;  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 36Z`.E>~L  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 eNC5' Z  
        2 CTE    0.790000E-05 pu)9"Ad[ G  
        2    GTB S    'SF15    ' \7tvNa,C  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR (PrPH/$  
        TH    1.00000001 AIR tA u|8aL  
        TH    5.00000000 UUEDCtF)  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 fUWm7>6VA>  
        5 CTE    0.820000E-05 l'{goyf  
        5 GTB S    'K5    ' 0_zSQn9c  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR 3{L vKe  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 ]jY)M<:J4  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 eWk2YP!  
        7 CTE    0.820000E-05 vls> 6h  
        7 GTB S    'F2    ' 0JRB Nh  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR 1H[;7@o$e  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 | v'5*n9  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 r|F,\fF  
        9 CTE    0.820000E-05 L2O57rT2  
        9    GTB S    'F2    ' wG[l9)lz  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 _C8LK.M#j  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 Mc3h  R0  
        10 CTE    0.820000E-05 Jsnmn$C  
        10    GTB S    'K5    ' -Jrc'e4K  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR sF3 l##Wv  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 qlT:9*&g  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 0|Ft0y`+  
        12 CTE    0.630000E-05 9*Twx&  
        12    GTB S    'SK16    ' g(r'Y#U  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 )ZU#19vr7  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 vHe.+XY  
        13 CTE    0.820000E-05 B;7s]R  
        13    GTB S    'F2    ' qq%_ksQ  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR z}N^`_ *  
        14    CV    -0.00120156 <gz MDX[^M  
        14    UMC    -0.10260000 XN%D`tbvJ  
        14    TH    86.31660394 p;Ok.cXVp  
        14    YMT    0.00000000 ;RZa<2  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR 4GejT(U  
    END
CMjPp`rA  
Y tj>U  
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
oqo8{hrdHk  
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： tl^;iE!-  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
}4`YdN  
    THIRD SENS / ^M3-5@Q  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO Ec/+9H6g  
.%h_W\M<l  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY #^w 1!xXD  
9.}3RAB(cv  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903  ]= D  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 ky"7 ^  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 o |.me G  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 ]V\ g$@  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 zMg^2{0L  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 ?UIb!k>  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190  0d)n} fm  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
LYKm2C*d  
Du4?n8 o  
2.由于我们主要关注中心误差，我们可能会尝试降低ECD的值，即当元件偏心变化时，CO3的变化。 让我们添加到AANT文件（在L6M2.MAC中）的行
L7'n<$F  
    M .001 100 A ECD5
n9yv.p]  
L )"w-,zy  
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。 1fG@r%4  
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。
aa3YtNpP  
    THIRD SENS X,Q(W0-6$u  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO 2!`Z3>Oa  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 9K y,oB  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 nW[aPQ[R   
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649  F<1'M#bl  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 N#qoKY(#  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 ^U1 +D^AJ  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 PSvRO% &  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 L(YT6Vmm+t  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
'7%9Sqx  
<m\TZQBD  
即使我们只针对其中一个（ECD），请注意所有值都已更改。 该透镜的公差列于上表中的情况A.。显然，现在的公差要宽松得多，尽管这对制造商来说仍然是一个挑战。 让我们再试一试。 这次我们将ACT的值定为7.0，即标称值的1/10。
`Q[$R&\  
    M 7 1 A ACT
4K,&Q/Vdd7  
A]slssE+  
透镜视图如下：
XiUsaoQm3  
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。） \8H"lcj:  
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。 -#hl& ^u$  
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。 o{eG6  
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。 TR;-xst@  
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
#wcoLCjs)  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
WocFID:b  
p_5+L@%Gb  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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