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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

O1+2Z\F  
sb"etc`w%-  
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|8P{ZO  
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。

_lrCf  
    RLE kW"6Gc&HUN  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 s2-`}LL  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 xEt".K  
        APS    5 #HjiE  
        UNITS MM ou;E@`h;x  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 K !&{k94  
    25.40000 Y`5(F>/RQG  
        MARGIN    1.270000 &tT*GjPwg;  
        BEVEL    0.254001 *~~&*&+  
            0    AIR |{ E\ 2U  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 xE$(I<:  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 1'c  
            1    GTB S    'LASFN30    ' V) #vvnq  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 ;Kq/[$~0  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 ZP>KHiA  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR p<5ED\;N;  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 ][b_l(r$?  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 B3Id}[V  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 V=)0{7-9  
            3    CTE    0.830000E-05 mJBvhK9%  
            3    GTB S    'SF57    ' ykY#Y}?^  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 dd+[FU  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 1Ner1EKGp  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR da c?b (  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 {ZiZ$itf  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR RrMC[2=  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 ~f/nq/8  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 >j [> 0D  
            6    GTB S    'LAKN12    ' }pP<+U  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 JZQT}  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 E;[ANy4L  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR ,2H@xji [  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 yH\z+A|  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 OGgP~hd  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 9.F+)y@  
            8    GTB S    'LAKN12    ' }yde9b?F  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 >"^H"K/T  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 uWs5 +  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 oLJP@J  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 w Phs1rL  
            9 CTE    0.810000E-05 W0vdU;?%  
            9    GTB S    'SF6        ' {fi:]|<1h  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 $tGk,.#j  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 u`Ew^-">  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR A"wor\(  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 R)s@2S  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR P<AN`un  
        END
{-28%  
%G~ f>  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 qla$}dnvc  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
9(.P2yO  
    PANT < * )u\A  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL &|t*9 D  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END -p|@Enn  
. }QR~IR'  
    AANT N7A/&~g5L  
    M 1 1 A FNUM <"|BuK  
    M 7.8 1 A BACK Yb57Xu  
    M    0    1    A    DELF P{ AJH1  
    M    0    1    A    SA3 -rYOx9P4  
    M    0    1    A    CO3 0E9LZOw4T  
    M    0    1    A    TI3 G813NoS o  
    M    0    1    A    SI3 <VB;J5Rv  
    M    0    1    A    PETZ N O|&nqq,>  
    M    0    1    A    DI3 p 4k*vuu>  
    M    0    1    A    PAC F\1{bN|3  
    M    0    1    A    SAC tOn_S@/r  
    M    0    1    A    PLC a~b^`ykcWP  
    M    0    1    A    SLC \IZfp=On  
    END qq0bIfF\4  
:-x F=Y(;  
    SNAP Go>_4)jy  
    SYNO 30
VH3 j  
K8 Y/sHl  
该MACro将改变所有设计变量并控制F/number ，离焦和后焦距，并同时以三阶像差校正为零作为目标。 输入VLIST RAD ALL将改变所有半径，VLIST TH ALL将改变所有厚度和空气间隔，本例中我们不建议使用VLIST GLM ALL命令，因为该命令将会改变透镜的材料，在这个例子中，我们必须单独声明表面。 !^ko"^p  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
s_} 1J,Y  
我们用命令查看三阶像差
D'y/ pv}!  
        THIRD E}S)uI,gn  
    SYNOPSYS AI>THIRD Y }*[Krw  
F?]nPb|  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 t\2Lo7[Pu  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS {}ks[%,_\  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT *c}MI e'&  
            50.804            25.400        8.958 g%1FTl  
2J;h}/!H  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS Fwn4c4-%  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION #8.%YG  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) /`yb75  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 31b9pi}nf  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS n,eO6X 4  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT ]kC/b^~+m  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) 't3/< h<  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 IZ /Md@C  
    SYNOPSYS AI>
{3Z&C$:s  
RH+3x7 l  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
KL]@y!QU  
    ID FIVE-ELEMENT LENS lxTW1kr  
WZ}c)r*R  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS Lx&2)  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT {Z<4  
        50.800                   25.400    8.957 uZ mi  
U#v??Sl  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS LO8V*H(  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION oy90|.]G  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) =8`,,=P^  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 jdxwS  
XYD}OddO  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS F-%wOn /  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT HpI[Af}l  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) y~_wr}.CS  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
pQc5'*FKd  
xcO Si>  
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。 Y>z~0$  
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。 F)4Y;;#  
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： r=[T5,L(s  
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。
)+2GF0%  
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。
>W[8wR  
    RLE DZGM4|@<7Y  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 )24r^21.q  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' =s"_! 7  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 H3T4v1o6  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 ^]}UyrOn  
    APS    4 "`Q~rjc$2  
    GLOBAL \ 4y7!   
!gv/jdF  
    UNITS MM =}5;rK  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 Gz;.?=&iF  
    25.40000 <^+~? KDZM  
        0    AIR 0?525^   
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 E[bJ5o**#  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 !MoJb#B3^]  
        1 CTE    0.630000E-05 Iy8>9m'5  
        1    GTB S    'SK16    ' Ndq|Hkd  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 o*H j E  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 SBo>\<@  
        2 CTE    0.790000E-05 uev$5jlX  
        2    GTB S    'SF15    ' wS"[m>.{v  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR :JW!$?s8H  
        TH    1.00000001 AIR qCg`"/0  
        TH    5.00000000 p$dVGvM(  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 4;@|tC|u  
        5 CTE    0.820000E-05 86!"b  
        5 GTB S    'K5    ' t3!?F(&  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR K:&FWl.  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 `HXP*Bp#  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 lquY_lrri  
        7 CTE    0.820000E-05 i{zg{$U  
        7 GTB S    'F2    ' *'=JT#  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR &!uw;|%  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 "X~ayn'@w,  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 .RocENO0  
        9 CTE    0.820000E-05 dOPA0Ja  
        9    GTB S    'F2    ' X6s6fu;  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 +-~hl  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 dj,7lJy  
        10 CTE    0.820000E-05 N=hr%{} c  
        10    GTB S    'K5    ' g'G%BX  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR 6v7H?4  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 5&]|p'"W\  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 =/wAk0c^y  
        12 CTE    0.630000E-05 jT/SZ|S  
        12    GTB S    'SK16    ' Z(LDAZG  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 iR j/Tm*T'  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 ]37k\O?vd  
        13 CTE    0.820000E-05 W!B4~L  
        13    GTB S    'F2    ' Qzy[  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR '^pA%I2D  
        14    CV    -0.00120156  |/K+tH  
        14    UMC    -0.10260000 oK1"8k|Z  
        14    TH    86.31660394 WbZ{) i  
        14    YMT    0.00000000 c$aTl9e  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR z-(@j;.  
    END
z[:UPPbW  
sIQd }  
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
R=ddQ:W6g  
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： g;)xf?A9q  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
1Y iUf  
    THIRD SENS @a,X{ 0  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO seWYY $$  
q]Gym 7o  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY Iw(2D(se  
h*2Q0GRX  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903  e;8>/G  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 jSbO1go#  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 I,dH\]^h=  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 z#*M}RR  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 S^|Uzc  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 F. X{(8  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 O)C y4[  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
rq'Cj<=Zj  
.QX|:]|n  
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
Ijq',@jE  
    M .001 100 A ECD5
s>`$]6wPa  
{'dpRq{c|  
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。 hPtSY'_@_  
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。
tK)E*!  
    THIRD SENS J \U}U'qP  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO ]F5?>du@~  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 xEtzqP<]  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 >*rsRR  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 nW2 fB8yq  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 |,CWk|G  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 c"R`7P  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 w^tNYN,i  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 [su2kOX|X  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
V D+TJ` r  
[.;$6C/?  
即使我们只针对其中一个（ECD），请注意所有值都已更改。 该透镜的公差列于上表中的情况A.。显然，现在的公差要宽松得多，尽管这对制造商来说仍然是一个挑战。 让我们再试一试。 这次我们将ACT的值定为7.0，即标称值的1/10。
K FV&Dt}<  
    M 7 1 A ACT
g(xuA^~J  
[FLRrTcE  
透镜视图如下：
=fa!"$J3  
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。） j>XM+>  
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。 \/,54c2  
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。 vgRjd1k.\y  
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。 M B|+F  
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
3~H_UGw  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
-1t"(v  
qk~ni8  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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