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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

N?Z+zN&P  
sYW1T @  
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。 j};pv2  
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。

g~i''lng  
    RLE L~SrI{aYPf  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 Uv W:#  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 `"^@[1  
        APS    5 $A5B{2  
        UNITS MM K{`2jK#  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 Huug_E+  
    25.40000 7k[`]:*o  
        MARGIN    1.270000 ]e#,\})Br  
        BEVEL    0.254001 W? 6  
            0    AIR :c+a-Py $E  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 oK(W)[u  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 .wt>.mUH  
            1    GTB S    'LASFN30    ' &j wnM  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 !<['iM  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 ID{Pzmt-  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR ^| a&%wxA  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 c=jTs+h'  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 wKeSPs{x  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 Sf.8Ibw  
            3    CTE    0.830000E-05 \|b1s @c8  
            3    GTB S    'SF57    ' " N`V*0h  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 M7cI$=G  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 s1*WK&@  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR x"h)"Y[c5  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 tZc.%TU  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR "8C(_z+]K`  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 6{F S /+  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 iA{chQBr  
            6    GTB S    'LAKN12    ' )oz-<zW  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 .-1{,o/&Q  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 3<1HqU  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR G3^n_]Jb  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 NiJ?no  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 6r-<XNv)0  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 F6neG~Y  
            8    GTB S    'LAKN12    ' %lqG*dRx0  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 Z:o' +oh  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 zWR*g/i  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 VHXR)}  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 "351s3ff  
            9 CTE    0.810000E-05 q5K/+N^2?  
            9    GTB S    'SF6        ' [7 Kj$PB3  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 (/rIodHJO  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 #D*J5k>2  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR JwG5#CFu^  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 L^ jC& dF  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR {u[K ^G  
        END
JXa%TpI: E  
kI1{>vYD  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 /\Y%DpG$  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
_tauhwu  
    PANT Wn9Mr2r!*,  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL }?ac<> u&  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END hcqmjqJ  
`a1R "A  
    AANT gV.Pg[[1  
    M 1 1 A FNUM _$jJpy  
    M 7.8 1 A BACK HuLm!tCu  
    M    0    1    A    DELF 7!QXh;u  
    M    0    1    A    SA3 '' A[`,3  
    M    0    1    A    CO3  sCf(h  
    M    0    1    A    TI3 `?S?)0B  
    M    0    1    A    SI3 JMe[ .S x  
    M    0    1    A    PETZ ]e3}9.  
    M    0    1    A    DI3 moM&2rgdrQ  
    M    0    1    A    PAC bJMcI8`  
    M    0    1    A    SAC @^4M~F%  
    M    0    1    A    PLC kviSQM2  
    M    0    1    A    SLC kk7: A0._  
    END /v ;Kb|e  
(/P&;?j  
    SNAP xTawG?"D  
    SYNO 30
oP`M\KXau  
N %/DN  
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。 DO,&Foh\  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
s\1_-D5]Z  
我们用命令查看三阶像差
MldL"*HW:  
        THIRD &^D@(m7>{K  
    SYNOPSYS AI>THIRD WatLAn+  
\ rWgA  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 U=#ylQ   
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS wdDHRW0Y  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT %L|bF"K5;  
            50.804            25.400        8.958 >\x 39B  
\B ^sJ[n  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS 5Cyjq0+  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION :Ty*i  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) iBW6<2@oZF  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 J0W).mD_H  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS "@? kxRn!  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT cTx/Y&\9  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) s ^@Cq=  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 ]TprPU39  
    SYNOPSYS AI>
cZT.vA#  
/<(ik&%N  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
1e| M6*  
    ID FIVE-ELEMENT LENS +7OT`e %q  
7Cp_ 41._  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS :%oj'm44!  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT "fJ|DE&@<i  
        50.800                   25.400    8.957 AFUl   
O9&:(2'f  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS yC*BOJS  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION w:+#,,rwzV  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) nv Gd:]Z  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 O +}EE^*a  
Y rnqi-P  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS &V{,D))6[  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT ZTC1t_  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) (,y/nc=GN  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
7f,W zvV  
qyfxTQ5  
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。 * %BI*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。 y.<Y]m  
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： 'Rw] C[  
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。
Z-!T(:E]  
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。
fOervo  
    RLE g$LwXfg  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 @ &yj7-]  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' oF^hq-xcP  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236  IomJo  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 Q kpmPQK  
    APS    4 _oVA0@#n  
    GLOBAL 74Wg@! P  
BQg]$Tr?  
    UNITS MM N\&;R$[9:  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 6\@, Lb  
    25.40000 .LHe*JC  
        0    AIR 2=+ ,jX{  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 =upP3rw  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 dq(L1y870  
        1 CTE    0.630000E-05 %n,bPa>T  
        1    GTB S    'SK16    ' A@'W $p?5r  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 W RaO.3Q@.  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 Jz'+@q6h  
        2 CTE    0.790000E-05 C;>Ll~f_  
        2    GTB S    'SF15    ' 7?] p\`  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR RVx<2,['  
        TH    1.00000001 AIR rM |RGe  
        TH    5.00000000 $c47cJO)W  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 XS/TYdXB8  
        5 CTE    0.820000E-05 B[V=l<J  
        5 GTB S    'K5    ' KL`>mJo$  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR 5Oq;V: 7  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 u)pBFs<dn  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 )>p6h]]a  
        7 CTE    0.820000E-05 (B#|3o  
        7 GTB S    'F2    ' &N;6G`3  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR it vdzPO  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 KZNyp%q  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 .5xg;Qg\Y  
        9 CTE    0.820000E-05 )v0vdAh'b  
        9    GTB S    'F2    ' k 3XtKPO  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 Q2=~  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 Um<vsR  
        10 CTE    0.820000E-05 &pz8vWCk  
        10    GTB S    'K5    ' =T]OYk  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR {%Sw w:  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 h6t>yC\  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 pnU g:R@  
        12 CTE    0.630000E-05 lR!$+atW  
        12    GTB S    'SK16    ' 2Oa-c|F  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 B"v=Fr[  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 M-gjS6c\3  
        13 CTE    0.820000E-05 9n'p7(s%  
        13    GTB S    'F2    ' k~ue^^r}  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR %Z4=3?5B"9  
        14    CV    -0.00120156 3F1Z$d(  
        14    UMC    -0.10260000 !A o?bs'  
        14    TH    86.31660394 .bGeZwvf:G  
        14    YMT    0.00000000 !:5n  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR VUb*,/hxa  
    END
%ZK}y{u\  
pxj"<q`nw8  
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
Xk$lQMwZ  
将透镜位置保持公差很紧导致制造成本将会很昂贵。（看看表面7上的中心公差。）所以我们按如下方式进行： 4Q5v8k=  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
BR'|hG  
    THIRD SENS }UrtDXhA  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO f7'%AuSQ(  
TfPx   
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY |=POV]K  
PR+!CFi&  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 >. Y ~F(  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 V_* ^2c)  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 +,lD_{}_  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 -)@.D>HsOt  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 \<} nn?~n  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 Ar==@777j  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 K^bn4Nr  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
k$UBZ,=iC  
J*k4&l  
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
>@"j9  
    M .001 100 A ECD5
O 2U/zF:X  
mI# BQE`p6  
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。 Lj H];=R  
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。
hk I$ow(  
    THIRD SENS s@$AYZm_  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO -AX3Rnv^!  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 7XNfH@  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 luMNi^FQ  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 OH~t\fQ1Zf  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 NQAnvX;  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 $spf=t"nh  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 XP7A.I#q0  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 p,Z6/e[SI  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
_W;u Qg']  
181P;R=}<  
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。
;Y"J j  
    M 7 1 A ACT
1pV"< ,t  
lwU&jo*@  
透镜视图如下：
L8W3Tpi&(  
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。） J0#% *B  
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。 0pR04"`;  
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。 7v-C-u[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。 6-3l6q  
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
rLwc=(|  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
r#XDgZtI  
cZu:dwE  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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