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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

}#|2z}!  
zi_[ V@Es/  
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。 e#m1X6$.e  
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。

* 2%oZX F  
    RLE K /ZHJkJ7  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 pLJeajv)z  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 Hi7G/2t@`  
        APS    5 5E.vje{U;  
        UNITS MM _0*=u$~R  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 X_!$Pk7ma  
    25.40000 Hq-v@@0 *  
        MARGIN    1.270000 bx]1 4}6  
        BEVEL    0.254001 a^x  0 l  
            0    AIR yW:AVqE)t  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 T#/11M$uQ  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 XJ _%!  
            1    GTB S    'LASFN30    ' @M9_j{A  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 WSSaZ9 =  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 ^:U;rHY  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR b2W;|  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 Y& m<lnB  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 qWkx:-g]  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 Upu%.[7  
            3    CTE    0.830000E-05 zM)M_L  
            3    GTB S    'SF57    ' Yr:>icz|  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 |:}L<9Sq  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 -/1d&  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR r*>QT:sB  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 WE7>?H*Ro  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR tPA"lBS !  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 br10ptEx  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 hN!.@L  
            6    GTB S    'LAKN12    ' sAf9rZt*'  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 "^!j5fZ  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 B piEAwh  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR }&=uZ:  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 PaA6Z":  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 @RQ+JYQi  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 %jpH:-8'2  
            8    GTB S    'LAKN12    ' 0;'j!`l9  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 +)% ,G@-`  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 &#$2;-q8+  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 t% <pbZO  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 qNhH%tYQ  
            9 CTE    0.810000E-05 JHHb|  
            9    GTB S    'SF6        ' O#A8t<f|M  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 1mAUEQ!  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 uT#Acg  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR iz,]%<_PE  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 5^bh.uF  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR 7O]J^H+7  
        END
Au~+Zz|mQ  
Jx)~kK  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 N;e}dwh&  
在EE编辑器中,输入(L6M1.MAC)
eUi> Mp  
    PANT ,M| QN*  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL pW`ntE#L  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END cu) @P0I  
MYKs??]Y1  
    AANT 0-6:AHix  
    M 1 1 A FNUM v#{G8'+%  
    M 7.8 1 A BACK &h98.A*&  
    M    0    1    A    DELF Zb 12:?  
    M    0    1    A    SA3 9;}L{yve  
    M    0    1    A    CO3 ]t8{)r  
    M    0    1    A    TI3 ee4KMS  
    M    0    1    A    SI3 7[(Lrx.pM  
    M    0    1    A    PETZ r_{)?B  
    M    0    1    A    DI3 3U :YA&K(  
    M    0    1    A    PAC ^\xCqVk_R  
    M    0    1    A    SAC "it`X B.  
    M    0    1    A    PLC ZJiuj!  
    M    0    1    A    SLC WV5r$   
    END "H wVK  
,<R>Hiwg/s  
    SNAP R (+h)#![  
    SYNO 30
Nv}U/$$S  
$%N;d>[U,  
该MACro将改变所有设计变量并控制F/number ,离焦和后焦距,并同时以三阶像差校正为零作为目标。 输入VLIST RAD ALL将改变所有半径,VLIST TH ALL将改变所有厚度和空气间隔,本例中我们不建议使用VLIST GLM ALL命令,因为该命令将会改变透镜的材料,在这个例子中,我们必须单独声明表面。 a/wUeW  
我们运行这个MACro,得到了一个糟糕的结果!
TyxU6<>4J4  
我们用命令查看三阶像差
O6*'gnke  
        THIRD tuL\7 (R  
    SYNOPSYS AI>THIRD v9X7-GJ~  
xkk@ {}J\  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 cKvAR5|  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS B]+7 JB  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT lo IL{2  
            50.804            25.400        8.958 ,n /SDEL  
IN]`lJ  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS  60Xl.  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION FF~on06!   
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) wR 5\^[GN  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 yoq\9* ?u^  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS u&?yPR  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT WcV\kemf  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) (6b?ir~  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 -52 @%uB  
    SYNOPSYS AI>
KNO*)\   
+R{A'Yl[(  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样?
8gu'dG=  
    ID FIVE-ELEMENT LENS 8.q13t !D  
2fHIk57jP  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS T6/$pJl  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT ~#IWM+I  
        50.800                   25.400    8.957 tW Cv]*  
H`+]dXLB  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS {Kq*5Aq8  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION =DmPPl{  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) ~x +:44*  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754  Xv? S  
lu G023'  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS \pBYWf  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT wHo#%Y,Nmi  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) @vQ;>4i.  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
n{qa]3  
4:%El+,_Y  
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。 kcma/d  
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。 fmZzBZ_  
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: M rH%hRV6R  
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。
jiw`i  
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。
ATXx? b8h  
    RLE Wj  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 L&3Ar'  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' n'x`oI)-  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 7DHT)9lD/  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 zn?a|kt  
    APS    4 {8>_,z^P)  
    GLOBAL JJbM)B@-  
vt(}ga  
    UNITS MM >m;|I/2@  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 =`7)X\i@z  
    25.40000 (`uC"MLk  
        0    AIR T^=Ee?e  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 .x-Z+Rs{g  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 =vqE=:X6  
        1 CTE    0.630000E-05 zYgK$u^H  
        1    GTB S    'SK16    ' *fuGVA  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 ?[L0LL?ce  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 W&~iO   
        2 CTE    0.790000E-05 zvQ^f@lq2  
        2    GTB S    'SF15    ' d@q t%r3;  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR ytBxe]  
        TH    1.00000001 AIR !~$YD*" S  
        TH    5.00000000 fi-&[llg  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 V;(*\"O  
        5 CTE    0.820000E-05 =-1^K  
        5 GTB S    'K5    ' 7]HIE]#  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR DT7-v4Zd  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 q%=7<( w  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 v,x%^gv0  
        7 CTE    0.820000E-05 (1r>50Ge  
        7 GTB S    'F2    ' PUFW^"LV  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR exrt|A] _[  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 o"+ &^  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 ZC\.};.  
        9 CTE    0.820000E-05 C{I8Pio{b  
        9    GTB S    'F2    ' w$_'xX(  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 7yCx !P;  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 Y[8co<p  
        10 CTE    0.820000E-05 krnk%ug  
        10    GTB S    'K5    ' oe_[h]Hgl  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR U*+!w@ .  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 LXLIos55S  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 F# 37Qv  
        12 CTE    0.630000E-05 yfw>y=/p  
        12    GTB S    'SK16    ' 'r?HL;,q  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 H|Fqc=qp  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 a518N*]j  
        13 CTE    0.820000E-05 ]zR;%p  
        13    GTB S    'F2    ' Z?!:=x>7m  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR LXEu^F~{u#  
        14    CV    -0.00120156 !&:W1Jkp(  
        14    UMC    -0.10260000 z?) RF[  
        14    TH    86.31660394 Qc =lf$  
        14    YMT    0.00000000 *p5T  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR _R<V8g1f  
    END
0-MasI&b  
'FA)LuAok  
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
KL\=:iWA  
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: t:j07 ,1~  
1.运行命令THIRD SENS,查看这些参数的当前值。
&T/9y W[L  
    THIRD SENS {4jSj0W  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO YHv,Z|.w  
xbH!:R;  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY xp;8p94   
mt6uW+t/  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 c68$pgG  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 % |Gzht\  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 mbG^fy'  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 :bF2b..XOu  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 8P y_Y>  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 jE5 9h  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 p){RS q  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
FZ.Yn   
n_ NG~ /x  
2.由于我们主要关注中心误差,我们可能会尝试降低ECD的值,即当元件偏心变化时,CO3的变化。 让我们添加到AANT文件(在L6M2.MAC中)的行
( =/L#Yg_  
    M .001 100 A ECD5
btz3f9  
52R.L9Ai  
由于ECD已经是一个很小的数字(与列表中的其他数字相比),我们给它一个很高的权重,因此它对评价函数产生了影响。 请记住,我们不能简单地将所有这些值都定为零,因为通常不能设计没有任何像差的透镜元件,并且没有光焦度。 而且,这些量以不明显的方式耦合。 例如,如果减少SAT的值,您可能会发现COT也变小了。 h] TVi$J  
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。
X!HSS/'  
    THIRD SENS GQAg ex)D  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO {_N(S]Z  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 ZjbG&oc  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 P*=3$-`  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 91Sb= 9  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 0_Z|y/I.  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 :qKY@-t7H  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 ZaV66Y>  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 ?U[nYp}"v  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
cx%9UK*c  
] Lft^,7  
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。
iK0J{'  
    M 7 1 A ACT
y(BLin!O.  
wbKBwI5w  
透镜视图如下:
F&j|Y>m  
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。) ba:^zO^  
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。 oa|*-nw  
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。 !{aA*E{  
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。 mP+yjRw  
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
,colGth 54  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
fszeJS}Dw  
X51$5%  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。

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