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光行天下 -> SYNOPSYS -> SYNOPSYS 光学设计软件课程六：三阶像差的重要性 [点此返回论坛查看本帖完整版本] [打印本页]

optics1210 2018-08-20 15:29

SYNOPSYS 光学设计软件课程六：三阶像差的重要性

`M6)f?|$.  
PPsE${!  
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。 \73ch  
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。

}(u ol  
    RLE P!k{u^$L  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 TL#3;l^  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 }ad|g6i`  
        APS    5 jc9y<{~x/  
        UNITS MM U m+8"W  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 i}?>g-(  
    25.40000 #.[k=dj   
        MARGIN    1.270000 >LuYHr  
        BEVEL    0.254001 Tm?#M&'  
            0    AIR TS5Q1+hWHV  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 dgePPhj  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 ?bu>r=oIO]  
            1    GTB S    'LASFN30    ' vfo~27T{(  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 ?z u8)U  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 e(G |;a  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR vr^qWn  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 8\gjST*  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 NaCy@  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 `P ,d$H "  
            3    CTE    0.830000E-05 SX-iAS[<  
            3    GTB S    'SF57    ' ;A!BVq  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 v*yuE5{  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 F4{IEZ  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR )\^-2[;  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 8Q+36!  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR dcT80sOC  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 TuqH*{NNy9  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 G*v,GR  
            6    GTB S    'LAKN12    ' jF*j0PkNdb  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 lb1Xsgm{  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 Om {'1  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR C"enpc_C/  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 01o4Th m  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 Y[S1$(K&*  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 HUOj0T  
            8    GTB S    'LAKN12    ' ]M'=^32  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 M& CqSd  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 5NLDYi@3  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 BL58] P84  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 vVcob }ZH  
            9 CTE    0.810000E-05 H 7 ^/q7  
            9    GTB S    'SF6        ' =E{`^IT'R  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 k-""_WJ~^  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 9]@!S|1  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR W+1^4::+  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 *4_Bd=5(U  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR /|#fejPh  
        END
f:P}*^ Gw  
5nVt[Puw  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 /JU.?M35  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
K'I#W lg  
    PANT ?b5 ^  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL S>; 5[l 4  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END eKqk= (  
#yvGK:F  
    AANT _t}WsEQ+P  
    M 1 1 A FNUM {2 "zVt#h  
    M 7.8 1 A BACK `pZm?}K  
    M    0    1    A    DELF ##4HYQ%E  
    M    0    1    A    SA3 !FFU=f  
    M    0    1    A    CO3 7i1q wRv  
    M    0    1    A    TI3 uhutg,[  
    M    0    1    A    SI3 $]2vvr  
    M    0    1    A    PETZ "8zDbdK  
    M    0    1    A    DI3 %GIr&V4|  
    M    0    1    A    PAC 01(AK%e  
    M    0    1    A    SAC _2 osV[e  
    M    0    1    A    PLC ;mKb]  
    M    0    1    A    SLC '(jG[ry&T  
    END R .2wqkY  
L\z~uo3:  
    SNAP %BB%pC  
    SYNO 30
eO[b1]WLP  
57'4ljvYi  
该MACro将改变所有设计变量并控制F/number ，离焦和后焦距，并同时以三阶像差校正为零作为目标。 输入VLIST RAD ALL将改变所有半径，VLIST TH ALL将改变所有厚度和空气间隔，本例中我们不建议使用VLIST GLM ALL命令，因为该命令将会改变透镜的材料，在这个例子中，我们必须单独声明表面。 sds"%]r g  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
IRqy%@)  
我们用命令查看三阶像差
,izO{@We2{  
        THIRD d9|<@A  
    SYNOPSYS AI>THIRD {U !g.rh  
P J[`|  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 =[jXe  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS }|5Pr(I  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT ~2khgZ  
            50.804            25.400        8.958 J`1rJ  
g5r(>,vY  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS x.R4% Z  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION mBON$sF|  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) "|KP'<8%  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 x;<W&s}(  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS [0D .K}7|  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT WVvvI9  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) <dhM\^ [  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 O463I.XAP  
    SYNOPSYS AI>
 | (_  
gCY';\f!  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
C8i^P}y  
    ID FIVE-ELEMENT LENS ]~hk6kS8Q  
ZbAcO/  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS $z*'fXg  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT l0A&9g*l2  
        50.800                   25.400    8.957 \d$!a5LF}  
_b;{_g  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS / FEVmH?  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION aPbE;" f  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) I"7u2"@-8j  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 ,{?%m6.lE  
h2 ;F  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS 7o5BXF  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT _~iw[*#u  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) "o}+Ciul  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
#],&>n7'  
Otm0(+YB 7  
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。 7g}w+p>  
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。 (,Df^4%7  
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： w!clI8v/  
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。
8X)Y^uGGZ  
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。
i9][N5\$  
    RLE w %BL  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 /{--+ C  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' !^Y(^RS@  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 ><HE;cVg?  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 ?o#%Xs  
    APS    4 2Dj%,gaR  
    GLOBAL Qhcu>r a  
zi*R`;_`,  
    UNITS MM v^iL5y!  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 'qX|jtdM  
    25.40000 H@8sNV/u  
        0    AIR "y/?WQ>,3  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 a\ YV3NJ/A  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 Y,t={HiclX  
        1 CTE    0.630000E-05 tc{s B\&-  
        1    GTB S    'SK16    ' s 15 oN  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 Ob&<]  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 ve2u=eQ1  
        2 CTE    0.790000E-05 ;&-k#PE]/H  
        2    GTB S    'SF15    ' gz#i.-  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR `W/>XZl+t  
        TH    1.00000001 AIR @eIJ]p  
        TH    5.00000000 xw2[d+mB  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 t$#jL5  
        5 CTE    0.820000E-05 HLaRGN3,  
        5 GTB S    'K5    ' {v ;&5!s  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR I( 7NQ8H x  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 !fR3 (=oN  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 mg.kr:  
        7 CTE    0.820000E-05 &/]Fc{]^$f  
        7 GTB S    'F2    ' x!58cS*  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR ia E^a^*  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 q}#6e]t  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 9=h'9Wo  
        9 CTE    0.820000E-05 OL,TFLn4  
        9    GTB S    'F2    ' y0.8A-2:  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 0+;bh {Eu  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 8~z~_TD6m@  
        10 CTE    0.820000E-05 D}8[bWF  
        10    GTB S    'K5    ' NmJWU:W_@  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR O% KsD[W;  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 kbMWGB%;  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 fd<:_f]v  
        12 CTE    0.630000E-05 k=JrLfD4  
        12    GTB S    'SK16    ' }"PU%+J  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 e MY<uqdw  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 K<ft2anY5  
        13 CTE    0.820000E-05 n+q!l&&  
        13    GTB S    'F2    ' RA'M8:$  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR ]<rkxgMW>  
        14    CV    -0.00120156 MWpQ^dL_  
        14    UMC    -0.10260000 $ig0j`  
        14    TH    86.31660394 {NFr]LGOp  
        14    YMT    0.00000000 6BbGA*%{  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR "haL  
    END
y8!4q  
YS@ypzc/  
一些公差降低得非常快速，如下表所示，其中标称数据是针对此透镜的。
　3 TH6 wedge7 tilt5 YDC7 YDC9 YDC12 YDC
Nominal0.0340.23 min0.24 min.0.00420.00340.00530.0086
Case A0.0910.670.420.0110.0090.0110.011
Case B0.1120.870.890.0150.0180.0250.014
7k9G(i[-+  
将透镜位置保持公差很紧导致制造成本将会很昂贵。（看看表面7上的中心公差。）所以我们按如下方式进行： RcM/!,B  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
<[\`qX  
    THIRD SENS *|C^=*j9  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO }v!$dr,j '  
_'>oXQJ  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY fW3(&@  
33ef/MElD$  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 #_J@-f7^  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 ^O<&f D  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 rrqR}}l  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 (SDr!!V<  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 L>W'LNXCv  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 bM!_e3ik;  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 >x+6{^}Q>  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
^*8G8'k;$  
)Sg~[WxDv  
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
`V]5sE]G  
    M .001 100 A ECD5
qx8fRIK%  
kabnVVn~  
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。 1H@>/QC  
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。
I^UC&5dC  
    THIRD SENS /F-qP.<D,r  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO Jz.NHiLct1  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 G!W[8UG  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 -pa )K"z  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 Z X(z;|l45  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 {fF3/tL  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 FsV'Cu@!U  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 ;WM"cJo9  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 Lz!,kwg  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
X;B\Kj`n  
!2A:"2Kys:  
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。
hMUs" <.  
    M 7 1 A ACT
wEE\+3b)  
o/6-3QUak  
透镜视图如下：
T:Hr&ws4  
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。） 8x8 uo  
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。 YN2sd 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。 e2ilB),  
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。 SAK!z!t  
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
S\5bmvqP"  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
YW`,v6  
~ ! 3I2  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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