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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

_pZaVx  
H,I k&{@j  
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。 I]dt1iXu_{  
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。

Nd] w I|>  
    RLE ,dZ&i! @?  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 p#fd+  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 WhY8#B'?  
        APS    5 6&Al9+$  
        UNITS MM G5K_e:i  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 %%-hax.x0X  
    25.40000 SmR"gu  
        MARGIN    1.270000 .NOh[68'  
        BEVEL    0.254001 <R%]9#re  
            0    AIR E?@batIrf  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 s1/:Ts[3i  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 -kZOve|5  
            1    GTB S    'LASFN30    ' ;uK">L[u'  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 p l.D h  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 D%k`udz<  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR 'c")]{  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 @j vF[wi;  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 N9s ,..  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 gr%!<2w  
            3    CTE    0.830000E-05 -N4km5  
            3    GTB S    'SF57    ' _0uFe7sIZ  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 L(Ffa(i  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 ?jDdF  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR icnc5G  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 Z[&7NJo(  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR >^!qx b-  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 5qx,b&^w  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 l'#P:eW  
            6    GTB S    'LAKN12    ' fQtV-\Bc  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 F N)vFQ#J  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 e?"XMY  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR $2?10}mrx  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 uk\-"dS  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 ZV?~~_ 9  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 uBPxMwohR  
            8    GTB S    'LAKN12    ' pO~lVM  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 Ig*qn# Dd  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 pP`KI'aUN  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 lN<,<'&^.  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 p? q~.YY  
            9 CTE    0.810000E-05 GdxMHnn=  
            9    GTB S    'SF6        ' RkW)B^#  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 /<\B8^yQ  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 D02_ Jrg  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR b<N962 q$q  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 Lh"!Z  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR @H?_x/qBT  
        END
6tKm'`^z4  
j |N8"8"  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 0d%p<c  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
T==(Pw7R7  
    PANT &$!'Cw`,  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL pu"`*NL  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END kDrqV{_  
BV9%|  
    AANT RH+'"f  
    M 1 1 A FNUM U!0 Qf7D  
    M 7.8 1 A BACK 5tIM@,.I/  
    M    0    1    A    DELF j#`d%eQ~J  
    M    0    1    A    SA3 K1F,M9 0]  
    M    0    1    A    CO3 .7!n%Ks  
    M    0    1    A    TI3 \U1fUrw$*  
    M    0    1    A    SI3 :-I~-Yj  
    M    0    1    A    PETZ x@@U&.1_A  
    M    0    1    A    DI3 Pd,+= ML  
    M    0    1    A    PAC 2rr}5i)r|  
    M    0    1    A    SAC ]lKQ wpX3  
    M    0    1    A    PLC +&w=*IAKZ  
    M    0    1    A    SLC b0~AN#Es  
    END S;582H9D  
UP@a ?w  
    SNAP ~}c`r4  
    SYNO 30
f-V8/  
UHtxzp =[  
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。 /<HEcB  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
3E!#?N|v  
我们用命令查看三阶像差
6Q&*V7EO  
        THIRD d" "GG/  
    SYNOPSYS AI>THIRD :uAW  
]m#.MZe  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 q;))3aQe  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS V7zF5=w  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT x<0-'EF/S  
            50.804            25.400        8.958 !Cm<K*c"&E  
/ry# q% ?  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS P(_wT:8C?  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION {\OIowa  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) RaK fYLw  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 > n~l\ fC  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS CvCk#:@HM  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT Y4%Bx8  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) v;E7UL .w  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 Fh XR!x^  
    SYNOPSYS AI>
)\:cL GM  
Pez 7HKW:  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
cT8`l!RD<  
    ID FIVE-ELEMENT LENS _)J;PbK~  
KfU4#2}  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS FtUOgL)|  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT RLypWjMx$  
        50.800                   25.400    8.957 Xd_86q8o  
wW3fsXu  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS c2}?[\U]  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION C043h?x  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) &%~2Wm  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 Y$%/H"1bk  
Md \yXp  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS ZQT14.$L  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT xw*T? !r=V  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) x%ZgLvdp,  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
/B$"fxFf  
}]pq&v!  
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。 ta>:iQ a  
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。 a!,q\p8<t0  
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+<Q%'a'  
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 ;n  
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 'R@'W9  
    RLE *p;Fwj]  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 5oQy $Y  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' r5qp[Ss3F  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 ~X^L3=!vf  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 tT}*%A  
    APS    4 Y`S9mGR#  
    GLOBAL OO@ (lt  
[&n2 yt  
    UNITS MM RVv@x5  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 ,?GEL>F  
    25.40000 6(4FC?Y7  
        0    AIR ;BV1E|j  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 B\a-Q,Wf  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 JcEPwF.  
        1 CTE    0.630000E-05 |3f?1:"Z  
        1    GTB S    'SK16    ' :E/]Bjq$;  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 2f1WT g)  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 gc-yUH0I  
        2 CTE    0.790000E-05 Z~^)B8  
        2    GTB S    'SF15    ' .OM m"RtK  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR f&glY`s#  
        TH    1.00000001 AIR j nvi_Rodm  
        TH    5.00000000 'qS&7 W(  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 1u&}Lq(  
        5 CTE    0.820000E-05 -QL_a8NL  
        5 GTB S    'K5    ' DVxW2J  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR K!6k<  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 Q=lQy  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 2xvTijO0  
        7 CTE    0.820000E-05 T]\_[e:'  
        7 GTB S    'F2    ' l5ww-#6Z  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR 12;"=9e!  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 mG2*s ^$  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 ~"89NVk"  
        9 CTE    0.820000E-05 DjK:)  
        9    GTB S    'F2    ' JQQP!]%}  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 _p/ _t76s  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 t W ;1  
        10 CTE    0.820000E-05 k3::5&  
        10    GTB S    'K5    ' ( /{Wu:e  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR He att?(RR  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 6p%;:mDB  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 BtS#I[-p_  
        12 CTE    0.630000E-05 '`Eb].s*  
        12    GTB S    'SK16    ' lAU`7uE  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 :,03)[u{8  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 @l:\0cO  
        13 CTE    0.820000E-05 J ylav:  
        13    GTB S    'F2    ' -ju&"L B  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR rf_(pp)  
        14    CV    -0.00120156 fQcJyX  
        14    UMC    -0.10260000 (LzVWz m  
        14    TH    86.31660394 #?8dInu>  
        14    YMT    0.00000000 b6sj/V8  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR >ENZ['F  
    END
Eb66GXF[  
]cvP !  
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
H1iewsfzH  
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： mm(Ff>O  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
z97RNT|Y7U  
    THIRD SENS KECo7i=e  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO OKs1irt5  
t]LOBy-Kv  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY gE$D#PZa  
^ Q]I)U  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 EaaLN<i@0  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 k I  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 wp7<0PP  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 8D3|}z?  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 yf7p,_E/  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 Kx,#Wg{H  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 pRyePxCDj)  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
%mKM9>lf#  
ASA ]7qyO  
2.由于我们主要关注中心误差，我们可能会尝试降低ECD的值，即当元件偏心变化时，CO3的变化。 让我们添加到AANT文件（在L6M2.MAC中）的行
m,YBk<Bx  
    M .001 100 A ECD5
2wR?ON=Q  
C s XV0  
由于ECD已经是一个很小的数字（与列表中的其他数字相比），我们给它一个很高的权重，因此它对评价函数产生了影响。 请记住，我们不能简单地将所有这些值都定为零，因为通常不能设计没有任何像差的透镜元件，并且没有光焦度。 而且，这些量以不明显的方式耦合。 例如，如果减少SAT的值，您可能会发现COT也变小了。 4#?Sxs  
你不能给他们各自分配一个独立的值，并期望程序可以自己找到这样的组合。 因此，明智的做法是一次一个地进行，直到找到最适合您透镜的参数。 在这个例子中，控制ECD的值，即可得到透镜。
Zi'}qs$v  
    THIRD SENS A=8%2U wI  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO oPP`)b$x  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 />^sGB  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 g i>`  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 WbF[4 x  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 /G*]3=cSe  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 k# -u!G  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 FfEP@$  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 aY:u-1  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
pjG/`  
->"Z1  
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。
~4-:;8a  
    M 7 1 A ACT
D@.+B`bA  
f8ucJ.{"  
透镜视图如下：
a6Zg~>vX  
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。） 4Wsp PHj  
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。 R*PR21g  
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。 Owd{;  
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。 !q]@/<=  
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
ZQ@ Ul  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
,u.G6"<  
Bh<DqN  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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