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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

Yb|zE   
_]=`F l  
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。 C3%,pDh  
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。

T_}\  
    RLE Xm`K@hJ@  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 ^/Hj^4~_U  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 BX),U  
        APS    5  5m+:GiI  
        UNITS MM g(:y_EpmLH  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 ;D/'7f7.}  
    25.40000 |yI?}zyR  
        MARGIN    1.270000 |7zm!^t$  
        BEVEL    0.254001 b)u9#%Q  
            0    AIR RU `TzD  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 `,(1'  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 !UUh7'W4u  
            1    GTB S    'LASFN30    ' ,gU9y wg  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 rr4yJ;qpeP  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 U[S;5xeF.j  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR $Mx.8FC +  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 \]J" e%  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 D0QXvrf  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 >?e*;f$VdJ  
            3    CTE    0.830000E-05 y|KDh'Y  
            3    GTB S    'SF57    ' @fpxGMy&  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 d1j v>tu  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 6x@-<{L  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR Yb =8\<;  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 iA ZtV'VQ)  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR NUL~zb  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 HIh oYSwB  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 y&__ 2t^u  
            6    GTB S    'LAKN12    ' j7-#">YL  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 kX1hcAa  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 `T9<}&=!  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR ^:-%tpB#!  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 '~ ]b;nA  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 9Zrn(D  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 v2@M,xbxF:  
            8    GTB S    'LAKN12    ' y+ :<  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 +[2lS54"W4  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 NHc+QMbou(  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 n? s4"N6  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 f\(Kou$  
            9 CTE    0.810000E-05 \iVYhl  
            9    GTB S    'SF6        ' m@c2'*&Y  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 q>omCk%h  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 b'-gy0  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR _X.M,id  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 \+Cp<Hv+  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR nj9hRiL n  
        END
\W@?revK  
n(o Jb  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 <b Ta88,)  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
Hh@mIusj  
    PANT alu`T c~  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL HRw,D=  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END 5!cplx=<  
@/7Rp8Fr  
    AANT \|&5eeE@  
    M 1 1 A FNUM Q'=!1^&  
    M 7.8 1 A BACK 0^[$0]Mt[  
    M    0    1    A    DELF MoF Z  
    M    0    1    A    SA3 /cjf 1Dc  
    M    0    1    A    CO3 ja>Tnfu  
    M    0    1    A    TI3 yWK[@;S]%  
    M    0    1    A    SI3 %Bo Jt-v  
    M    0    1    A    PETZ {jq-dL  
    M    0    1    A    DI3 '",5Bu#C  
    M    0    1    A    PAC (^Ln|3iz  
    M    0    1    A    SAC l;;:3:  
    M    0    1    A    PLC p{U8z\  
    M    0    1    A    SLC $ `ho+  
    END FQ4rA 4  
~|!lC}!IKL  
    SNAP -FPl",f=r  
    SYNO 30
`150$*K&B  
~gAx  
该MACro将改变所有设计变量并控制F/number ，离焦和后焦距，并同时以三阶像差校正为零作为目标。 输入VLIST RAD ALL将改变所有半径，VLIST TH ALL将改变所有厚度和空气间隔，本例中我们不建议使用VLIST GLM ALL命令，因为该命令将会改变透镜的材料，在这个例子中，我们必须单独声明表面。 a[JgR/E@x  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
;}PL/L$L6;  
我们用命令查看三阶像差
7)]G"m{  
        THIRD 9(I4x]`  
    SYNOPSYS AI>THIRD FPMW"~v  
& 3a+6!L[  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 P6?Q;-\q0  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS b13>>'BMB  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT oc?VAF  
            50.804            25.400        8.958 lDA%M3(p  
5u!cA4e"  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS a|>MueJ  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION I[|I\tW  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) 2,fB$5+  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 :`|,a (  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS +l#2u#e  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT S&0x:VW  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) &0"`\~lA  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 7 D^A:f  
    SYNOPSYS AI>
(*1 A0+S90  
O| 2Q- @D  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
'SY &-<t(  
    ID FIVE-ELEMENT LENS ZA P+jX;  
i>~?XVU  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS 6 qq7:  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT 3m^BYr*y^  
        50.800                   25.400    8.957 OwEz( pj@  
w*}9;l  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS I5~DC  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION Y `{U45  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) wfdFGoy(  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 o6r4tpiR5  
BAhC-;B#R  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS x0d+cSw  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT zaZnL7ZJX  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) xI@~Ig  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
![ QQF|  
i_MI!o  
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。 aI<~+]  
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。 s*IfXv  
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： cNVdGY%&  
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。
|h7v}Y  
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。
~JXHBX  
    RLE J-}NFWR;t  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 I%p#E#[G  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' @2mP  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 -: ,h8JyMP  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 cC4T3]4l'  
    APS    4 d}ZH Y[  
    GLOBAL /K^cU;E,  
#RF=a7&F  
    UNITS MM cGp^;> ]M  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 .bE,Q9:  
    25.40000 B /W$RcV  
        0    AIR e0L;V@R  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 H[D/Sz5`  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 /Uc*7Y5j  
        1 CTE    0.630000E-05 Ps7%:|K]  
        1    GTB S    'SK16    ' )hug<D *h  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 ,<1*  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 (5> ibe  
        2 CTE    0.790000E-05 f2wW2]Fg  
        2    GTB S    'SF15    ' Bu1z$#AC  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR K\b O[J  
        TH    1.00000001 AIR />C~a]}  
        TH    5.00000000 ]lUu%<-;  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 -e~U u  
        5 CTE    0.820000E-05 akQH+j  
        5 GTB S    'K5    ' &wN 2l-  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR >v[(w1?rX  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 /<0D E22  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 Wv"tAseu  
        7 CTE    0.820000E-05 C~qhwwh  
        7 GTB S    'F2    ' LzRiiP^q  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR D.(G9H  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 6mdnEmFM]  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 ^%&x{F.  
        9 CTE    0.820000E-05 ?N*0 S'dY  
        9    GTB S    'F2    ' :2E1aVo4b  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 <+gl"lG  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 [.X%:H+  
        10 CTE    0.820000E-05 $)Yog]}  
        10    GTB S    'K5    ' _m],(J=,z  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR m]\zt  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 1v&Fo2ML  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 `fZD%o3l  
        12 CTE    0.630000E-05 U*Qq5=dqD  
        12    GTB S    'SK16    ' R`2A-c  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 rf->mk{  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 VA'X!(Cv  
        13 CTE    0.820000E-05 ,SF.@^o@a  
        13    GTB S    'F2    ' _wNPA1q0J  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR |QLX..  
        14    CV    -0.00120156 IY6_JGe_w  
        14    UMC    -0.10260000 P/Kit?kngS  
        14    TH    86.31660394 R*Z]  
        14    YMT    0.00000000 B#"|5  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR <z uE=0P~%  
    END
R9h>I3F=c  
*W12Rb2  
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
br  Z, s  
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： pYl{:uIPN8  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
]TgP!M&q  
    THIRD SENS V wVQ|UH  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO lt6;*z[  
i1I>RK  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY 45sxF?GSwL  
iN_D8dI  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 XcMJD(!  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 M J,ZXJXs  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 3g [j%`k  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 JhCkkw  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 K\+}q{  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 l(,;wAH  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 `E5"Pmg  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
8i;)|z7  
VtO;UN  
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
<;cE/W}}  
    M .001 100 A ECD5
7TkxvSL X  
Y#&0x_Z  
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。 c5E#QV0&v~  
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。
i9eyrl+!  
    THIRD SENS j- YJ."  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO z5` 8G =A  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 =6L*!JP<  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 O R<"LTCL  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 pzq; vMr  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 4r[pMJiq  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 x}&a{;  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 J+b!6t}mZn  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 hyb +#R  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
tB7K&ssi  
/Pn.)Lxfl  
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。
l>D-Aan  
    M 7 1 A ACT
B9e.-Xaf  
:vK(LU0K  
透镜视图如下：
ZP6x  
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。） X#DL/#z k  
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。 wfDp,T3w7  
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。 =1*%>K  
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。 e" Eqi-  
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
LMFK3Gd[  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
e(~'pk"mZ  
8Y\OCwO  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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