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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

&<b7T$c  
`t2! M\)  
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。 `Pbn  
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。

|?W   
    RLE 2p[3Ap  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 ^: j:;\;  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 :HQ/vVw'"9  
        APS    5 C(+BrIS*  
        UNITS MM Tr!X2#)A!  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 cK@K\AE  
    25.40000 4w[ta?&6B  
        MARGIN    1.270000 Z%Kj^ M  
        BEVEL    0.254001 |g+5rVbd  
            0    AIR cv1L!Ce,  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 "G(/MT^C  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 !d_A?q'hN  
            1    GTB S    'LASFN30    ' t9{EO#o' k  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 dj]N59<  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 C"WZsF^3  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR g H.^NO5\'  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 zb$U'D_ -f  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 |XZf:}q5:  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 "TI? qoz  
            3    CTE    0.830000E-05 $ 7!GA9Bn  
            3    GTB S    'SF57    ' t]XJ q  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 oc Uu  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 n4,J#h/  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR .m51/X&*n  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 ;zODp+4@Q  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR ;wZ.p"T9^  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 Yd'ke,Je  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 M$9h)3(B  
            6    GTB S    'LAKN12    ' V:18]:  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 5<poN)"  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 HS9U.G>  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR qMOD TM~+  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 Hy'&x?F6  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 Sa5y7   
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 |n8^Xsx4w  
            8    GTB S    'LAKN12    ' WkE;tC*  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 vD t? N9  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 M:E#}(  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 )&K%Me  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 Pip if.  
            9 CTE    0.810000E-05 J .d<5`7   
            9    GTB S    'SF6        ' ]vMft?  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 ,H8P mn?  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 Sb.;$Be5g  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR  3@*8\  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 mMH0 o  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR ~7g6o^A>  
        END
t|%ul6{gz  
#q%/~-Uk  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 he@swE&  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
l"/Os_4O  
    PANT t)h3GM  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL ::6@mFLR  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END {1[8,Ho  
FU zY&@Y  
    AANT "- AiC6u  
    M 1 1 A FNUM E),T,   
    M 7.8 1 A BACK 4[D@[k As  
    M    0    1    A    DELF +FI]0r  
    M    0    1    A    SA3 nM#\4Q[}Jh  
    M    0    1    A    CO3 utv.uwfat  
    M    0    1    A    TI3 FsjblB3?E  
    M    0    1    A    SI3 gueCP+a_  
    M    0    1    A    PETZ A]1](VQ)4  
    M    0    1    A    DI3 Gwe9< y  
    M    0    1    A    PAC ^<c?Ire  
    M    0    1    A    SAC DwPl,@T_i\  
    M    0    1    A    PLC JXrMtSp\  
    M    0    1    A    SLC %0 S0"t  
    END C'Q} Z_  
ynhH5P|6,  
    SNAP P:G^@B3^  
    SYNO 30
[LE_lATjU  
raCxHY  
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。 {8eNQ-4I  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
YRFM1?*  
我们用命令查看三阶像差
+m_quQ/ys  
        THIRD t5S S]  
    SYNOPSYS AI>THIRD 6v-h!1p{u  
UWz<~Vy  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 09r.0Ks  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS ~~&M&Fe  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT x(A .^Yz  
            50.804            25.400        8.958 k# /_Zd  
%j yLRT]H  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS t2>Vj>U  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION tlE+G@|^  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) Xh5 z8  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 \O[Cae:^?  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS .M04n\  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT [dL#0~CL$  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) MOXDR  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 ,Ao8QN  
    SYNOPSYS AI>
D9h\=[%e  
|,o!O39}>  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
Y:O%xtGi  
    ID FIVE-ELEMENT LENS uv,t(a.^  
vb# d%1b5  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS =KkHck33  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT >Py=H+d!j  
        50.800                   25.400    8.957 F[LBQI`zq  
@#nB]qV:e  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS dI3U*:$X  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION R ~#\gMs  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) @X:P`?("^  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754  e tY9Pq  
^$VOC>>9  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS Gt'%:9r  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT z"|^Y|`m  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) 2s~ X  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
K*>lq|i u  
_rOKif?5  
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。 M%Ov6u<I8  
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。 bX8Bn0#a+  
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： 3eD#[jkAI;  
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。
V1M oW;&  
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。
q*8^938  
    RLE HKV]Rn  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 El ,p}Bi.  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' D{~I  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 Ygr1 S(=  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 U]O7RH  
    APS    4 s/8>(-H#  
    GLOBAL jT%k{"+>+?  
x,pzX(  
    UNITS MM J=ZNx;{6  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 s-[_%  
    25.40000 5P [b/.n  
        0    AIR %R(1^lFI$  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 4 QD.'+ L  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 UT%^!@u  
        1 CTE    0.630000E-05 qhc3 oRe  
        1    GTB S    'SK16    ' lUbQ@7a<'  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 <GT&q <4w  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 ZBi|B D  
        2 CTE    0.790000E-05 7EO/T,{a  
        2    GTB S    'SF15    ' "aHA6zTB  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR ND77(I$3s  
        TH    1.00000001 AIR \:, dWL u  
        TH    5.00000000 %Sf%XNtu  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 U:"E:Bxz;m  
        5 CTE    0.820000E-05 X H,1\J-S  
        5 GTB S    'K5    ' A70x+mjy^T  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR 9v=5x[fE  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 ^^1rjh1I  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 _gxI=EYi  
        7 CTE    0.820000E-05 sE{A~{a`  
        7 GTB S    'F2    ' |hk?'WGc`0  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR \L Gj]mb1  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 i{vM NI{  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 fL>>hBCqC  
        9 CTE    0.820000E-05 hi^@969  
        9    GTB S    'F2    ' $# klgiL  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 PRa #; Wb  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 &==X.2XW  
        10 CTE    0.820000E-05 }&M$  
        10    GTB S    'K5    '  74i  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR l.NV]up +  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 3Uw}!>`%  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 b\& |030+  
        12 CTE    0.630000E-05 ?B7n,!&~  
        12    GTB S    'SK16    ' os 9X)G  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 /Sy:/BQ  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 JL.noV3q$  
        13 CTE    0.820000E-05 V/"P};n  
        13    GTB S    'F2    ' X] cI ?  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR jzt$  
        14    CV    -0.00120156 tn>z%6;&Z  
        14    UMC    -0.10260000 HuzHXn)  
        14    TH    86.31660394 b5NPG N  
        14    YMT    0.00000000 jg%HaA<zO  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR U (*k:Fw  
    END
y(!J8(yA  
zI1-l9 o  
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
<Wqk5mR  
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： w%Vw*i6o  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
e !BablG[  
    THIRD SENS OcWy#,uC  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO w&VMb&<  
Teo&V  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY KicPW}_  
JzI/kH~  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 Ut|G.%1Vd%  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 $=) i{kGS@  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 % VZ QX_  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 afE`GG-  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 n_ORD@$]  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 z;fi  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 =\uQGH  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
rsSE*(T t  
-`knSR  
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
PH$fDbC8  
    M .001 100 A ECD5
@-9u;aL  
mV\QZfoF  
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。 6h8fzqRzc  
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。
2pu8')'P  
    THIRD SENS Dj0`#~  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO Qqju6}+  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 Dl/Jlsd@  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 7NG^I6WP-  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 `VJJ"v<L  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 60*;a*cy  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 mI;#Zq_j  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 [ vWcQ6m  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 UM?{ba9  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
5 *w a  
!+Ia#(  
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。
=[X..<bW9:  
    M 7 1 A ACT
@#wBK3Ut^  
?uiQ'}   
透镜视图如下：
8 oK;Tzh  
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。） RfM uWo:  
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。 e~Hx+Qp.G  
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。 {OK+d#=  
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。 JYQ.Y!X1O  
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
6L`{oSX!  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
-5v2E-  
g(9\r  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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