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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

4Uk\hgT0  
)Z*nm<=  
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。 hAV@/oQ  
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。

y]okOEV0  
    RLE vn+~P9SHQ  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 $qR<_6j  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 xV0:K=  
        APS    5 K0{ ,*>C  
        UNITS MM NY GWA4L  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 B/_~j_n$m  
    25.40000 ei82pLM z  
        MARGIN    1.270000 b&*)C#7/T  
        BEVEL    0.254001 6zp]SPY  
            0    AIR arc{:u.K  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 c :2w(BVi  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 Lng@'Yr  
            1    GTB S    'LASFN30    ' V/+D]  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 C)mR~Ey  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 `< 82"cAT{  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR sE])EwZ  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 {pXqw'"1.  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 (@Kc(>(: Y  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 <2e[;$  
            3    CTE    0.830000E-05 3Ct:AJeg  
            3    GTB S    'SF57    ' 2@!B;6*8q  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 4$y P_3  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 oh7tE$"c  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR eGLB,29g  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 F@b=S0}K  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR 6@;sOiN+  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 i~LY  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 qi['~((  
            6    GTB S    'LAKN12    ' e!ql8wbp  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 G+t=+T2m  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 d[YG&.}+8j  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR **.g^Pyc  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 ]wUH*\(y  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 iB}*<~`.Eg  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 c5Hyja=  
            8    GTB S    'LAKN12    ' +*IRI/KUD  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000  Cwl:  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 bZ#5\L2  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 VsDY,=Ww  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 WFTwFm6  
            9 CTE    0.810000E-05 (W.G&VSn)  
            9    GTB S    'SF6        ' *#1J  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 3a'#Z4Z-  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 ?ph>:M  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR 1/v#Z#3[  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 (3Z;c_N  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR 3:>hHQi  
        END
3U'l'H,  
}1 j'  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 &YBZuq2?  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
<b?$-Rx  
    PANT PU4-}!K  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL P5W58WxT'  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END aK8s0G!z?5  
J$d']%Dwb  
    AANT qYQ vjp  
    M 1 1 A FNUM ZcN#jnb0/  
    M 7.8 1 A BACK rN,T}M= 2  
    M    0    1    A    DELF /I:&P Pff  
    M    0    1    A    SA3 Y8h 96  
    M    0    1    A    CO3 Ed+jSO0  
    M    0    1    A    TI3 C#B|^A_  
    M    0    1    A    SI3 eCiI=HcW;  
    M    0    1    A    PETZ j^/=.cD|  
    M    0    1    A    DI3 $}fY B/  
    M    0    1    A    PAC 0es\ j6c  
    M    0    1    A    SAC %/d1x  
    M    0    1    A    PLC '>HLE)l  
    M    0    1    A    SLC j.[W] EfL~  
    END S%e)br}  
?g:sAR'  
    SNAP ">5$;{;2r  
    SYNO 30
r[wjE`Z/T  
xz~Y %Y|Z  
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。 =mSu^q(l  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
\uO^w J}  
我们用命令查看三阶像差
#N;&^El  
        THIRD cgO<%_l3`  
    SYNOPSYS AI>THIRD wB:<ICm  
Ro;I%j  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 n(i/jW~0w  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS 13 %: 3W(  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT .@ZrmO o]]  
            50.804            25.400        8.958 F3t IJz>3  
<+<Nsza  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS {vT9I4d8  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION 3#Iq5vT  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) ]^Xj!01~  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 C;%dZ  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS a}iP +#;  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT X3~` ~J  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) y;(G%s1  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 #. 71O#!  
    SYNOPSYS AI>
xo2j fz  
5tk7H2K^<  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
]]e>Jym  
    ID FIVE-ELEMENT LENS o' v!83$L  
dK;ebg9|  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS 3d,:,f|h  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT fWb+08}C  
        50.800                   25.400    8.957 ~Orz<%k.  
c?KIHZ0  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS dn:\V?9  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION GB;_!69I  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) U$S{j&?  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 #N%j9  
'Hs*  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS 73nM9  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT c]i;0j? Dl  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) ,gM:s}l!dJ  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
oKH+Q6S:  
Z$B%V t  
这些像差要大得多 - 但初始透镜性能要好得多！ 所以在像差平衡方面，不要试图将像差校正到极端状态。 y7R=zkd C9  
一般人们在设计透镜时，通常只关心两件事：图像是否清晰，是否在正确的位置。 H/Rzs$pnv  
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： @%YbptT}  
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。
_'<FBlIN  
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。
[)kuu  
    RLE BR_fOIDc  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 YLS*uXB&.  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' 6{0MprY  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 U9*< dR  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 !6z{~Z:   
    APS    4 )eqF21\  
    GLOBAL hztqZ:  
AX Q.E$1g  
    UNITS MM g++-v HD  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 1=C<aRZ b^  
    25.40000 {+[ Ex2b$  
        0    AIR VvT7v]  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 Y\+LBbB8  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 2+b}FVOe\  
        1 CTE    0.630000E-05 8EX?/33$  
        1    GTB S    'SK16    ' Pc7p2  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 cYXL3)p*Q  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 e,Y<$kPV  
        2 CTE    0.790000E-05 nLC5FA7<  
        2    GTB S    'SF15    ' wAJ= rRI  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR ,yvS c  
        TH    1.00000001 AIR ReL+V  
        TH    5.00000000 ~B? Wg!  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 =+I-9=  
        5 CTE    0.820000E-05 a.RYRq4o  
        5 GTB S    'K5    ' k*!iUz{]  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR  q*C-DiV  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 3N|6?'m  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 8R-;cBT  
        7 CTE    0.820000E-05 @1<VvW=  
        7 GTB S    'F2    ' SqdI($F\:  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR cMoJHC,!  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000  K V  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 OVc)PMp  
        9 CTE    0.820000E-05  ls7P$qq  
        9    GTB S    'F2    ' ^".6~{  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 ZU;jz[}  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 Ta/ u&t4  
        10 CTE    0.820000E-05 %Pj}  
        10    GTB S    'K5    ' Z",2db  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR 4S[)5su  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 pYu6[  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 Q#.E-\=^  
        12 CTE    0.630000E-05 i[ws%GfEv  
        12    GTB S    'SK16    ' 8OO[Le]1  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 25j\p{*  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 m~fDDQs  
        13 CTE    0.820000E-05  M%W#0  
        13    GTB S    'F2    ' b`,Sd.2=('  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR VZ y$0*  
        14    CV    -0.00120156 zA:q/i  
        14    UMC    -0.10260000 z|Yt|W  
        14    TH    86.31660394 M)AvcZNs  
        14    YMT    0.00000000 &A`,hF8  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR |.&GmP  
    END
]VE3u_kR  
/L@6Ae  
一些公差降低得非常快速，如下表所示，其中标称数据是针对此透镜的。
　3 TH6 wedge7 tilt5 YDC7 YDC9 YDC12 YDC
Nominal0.0340.23 min0.24 min.0.00420.00340.00530.0086
Case A0.0910.670.420.0110.0090.0110.011
Case B0.1120.870.890.0150.0180.0250.014
+dRRMyxe4  
将透镜位置保持公差很紧导致制造成本将会很昂贵。（看看表面7上的中心公差。）所以我们按如下方式进行： bZK^q B  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
!c-MC|  
    THIRD SENS +DR{aX/ll  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO H*P+>j&  
IiE^HgM  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY (I'{ pF)  
%+;l|Z{Uf  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 Kv<mDA!  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 7~'%ThUb$-  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 W- nS{v(  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 mFxt +\  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 Msfxce  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 a" T+CA  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 ]=I2:Rb  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
Q~k|lTf  
m({ q<&]Qp  
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
bAuiMw7!  
    M .001 100 A ECD5
bn5O2  
UQ7La 7"  
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。 aGsO~ODc  
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。
+aPe)U<t  
    THIRD SENS Q)qJ6-R|HD  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO M"u=)CT  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 B,%KvL&xMX  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 O, :|  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 (n jTS+?  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 Q u7ML]e?z  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 ^P/OHuDL  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 rd$T6!I  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 G\,B*$3   
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
d{@'&?tj  
UX.rzYM&T  
即使我们只针对其中一个（ECD），请注意所有值都已更改。 该透镜的公差列于上表中的情况A.。显然，现在的公差要宽松得多，尽管这对制造商来说仍然是一个挑战。 让我们再试一试。 这次我们将ACT的值定为7.0，即标称值的1/10。
@\xEK5SG  
    M 7 1 A ACT
N2k{@DY  
LTH, a?lD  
透镜视图如下：
% W|Sl  
公差列在上面的案例B中。 对于一些公差来说，这可能是更好的预估。 （我们忽略了本课程的可制造性问题：某些元件太薄，应该使用ACM监视器进行控制。） QMrH%Y  
您选择控制的数量取决于您想要影响的公差。 例如，空气间隔的公差可以响应对ESA数量的控制。 另一方面，透镜厚度公差可能对SAT更好地响应。 您必须了解您的透镜，并尝试使用这些工具，以找到最佳目标和最佳BTOL预估。 @T>^ >  
有时这些量的作用是增加评价函数。 通常这不是一个好主意，因为如果像质变得更糟，公差通常会变得更紧。 但是，本课中工具的放松效果有时会超过这种效果，无论如何都会使公差更加宽松。 当然，这只能在一定程度范围之内，如果评价函数太大，你的评价函数应该要求一个要求较低的值。 LmJ _$?o  
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。 _^zs(  
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
~| ZAS]  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
3pL4 Zhf  
>1]hR)Ip  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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