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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

42:\1B#[  
rZe"*$e  
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。 vyERt^z  
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。

57)S"  
    RLE !k||-Q &  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 E$34myOVf  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 HLAWx/c,j"  
        APS    5 9<WMM)  
        UNITS MM 4 Yc9Ij  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 +e%9P%[+  
    25.40000 }-)2CEj3L%  
        MARGIN    1.270000 WDSkk"#TF  
        BEVEL    0.254001 K-)_1  
            0    AIR j.sxyW?3  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 5Qo\0YH  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 X(?.*m@+TB  
            1    GTB S    'LASFN30    ' }q G{1Er  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 G7pj.rQ  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 ly}6zOC\  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR A0cC)bd&  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 Zb8Ty~.\P  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 /lx\9S|  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 MJV)| 2C  
            3    CTE    0.830000E-05 V? w;YTg  
            3    GTB S    'SF57    ' _,=A\C_b@  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 syA*!Up  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 {tV)+T  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR |zKe*H/  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 O>w Gc8Of\  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR EJ.oq*W!*J  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 7qA0bUee5  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 @T._   
            6    GTB S    'LAKN12    ' I0(BKMp&  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 `Ff3H$_*  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 Nlx7"_R"Q  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR 4cRF3$a md  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 36*"oD=@  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 @R_a'v-  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 KF|+# qCN  
            8    GTB S    'LAKN12    ' CuR\JKdRo  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 ZvpcjP  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 V'#dY~E-P  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 :`2<SF^0O  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 ';hU&D;s  
            9 CTE    0.810000E-05 JC(rSs*  
            9    GTB S    'SF6        ' aA-A>z  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 #25Z,UU  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 Al09R,I;  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR wV+ W(  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 @HxEp;*NH"  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR AMG}'P:  
        END
=dHM)OXD"  
"fdgBso  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 8B JxD<  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
wdS^`nz|  
    PANT U[*VNJSp  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL WW{5[;LYiB  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END h$)(-_c3  
i6?,2\K  
    AANT l)[\TD  
    M 1 1 A FNUM <{bQl L  
    M 7.8 1 A BACK [mn@/qf  
    M    0    1    A    DELF vp? 87h  
    M    0    1    A    SA3 PUV)w\!&is  
    M    0    1    A    CO3 E0'+]"B  
    M    0    1    A    TI3 I@+h| n  
    M    0    1    A    SI3 R  5-q{  
    M    0    1    A    PETZ U&yXs'3a&  
    M    0    1    A    DI3 15+>W4v  
    M    0    1    A    PAC _Db=I3.HJ  
    M    0    1    A    SAC BAG) -  
    M    0    1    A    PLC /vll*}}  
    M    0    1    A    SLC Umjt~K^Z  
    END SeN4gr*  
=.(yOUI  
    SNAP 0?KXQD  
    SYNO 30
+~?ze,Di  
AD#]PSB  
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。 <cNXe4(  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
k!3X4;F!_  
我们用命令查看三阶像差
Qz\yoI8JA,  
        THIRD rl4B(NZi}  
    SYNOPSYS AI>THIRD ZQXv-"  
oW(lQ'"  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 {STOWuY  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS fOJ 0#^Z  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT l9KL P  
            50.804            25.400        8.958 xI}o8GKQq  
~qt)r_jW  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS 0<_|K>5dS|  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION 5b45u 6  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) aDmyr_f$  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 Hy ^E m  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS XK??5'&{  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT (DJLq  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) ]E'BFon  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 [zv>Wlf,%  
    SYNOPSYS AI>
tvXoF;Yq  
nw swy]e8/  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
Ls{z5*<FM  
    ID FIVE-ELEMENT LENS <~;;iM6  
E9z^#@s  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS !>fYD8Ft,  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT ,Tc3koi  
        50.800                   25.400    8.957 7 K.&zn  
bwo-9B  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS gwhd) .*  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION w}No ^.I*4  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) ' QGacV   
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 JLUG=x(dA  
mkgGX|k;  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS !$Aijd s5  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT ;,P-2\V/  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) DTmv2X  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
j(^ot001%v  
^,u0kMG5l  
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。 ALvj)I`Al  
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。 #:C;VAAp  
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： 3D_Ky Z~M+  
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。
~f=~tN)hZ  
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。
QK _1!t3  
    RLE f ?8cO#GU  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 w1HE^ /  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' %pj 6[x`@  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 Ft%HWGE  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 ?xEQ'(UBQ  
    APS    4 {Hncm  
    GLOBAL 06DT2  
r_C|gfIP  
    UNITS MM =B4,H=7Spf  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 ! `5[(lm  
    25.40000 lOIBX@K E  
        0    AIR jv $Y]nf  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 +Qy*s1fit  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 ?#8',:  
        1 CTE    0.630000E-05 ]=\Mf<  
        1    GTB S    'SK16    ' )E;+C2G  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 Y `4AML  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 n\d`Fk  
        2 CTE    0.790000E-05 *Q2;bmIc  
        2    GTB S    'SF15    ' .5Y%I;~v  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR $r`K4g  
        TH    1.00000001 AIR O7@CAr  
        TH    5.00000000 l`lo5:w  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 n Q|4.e;  
        5 CTE    0.820000E-05 Bz}Dgbb  
        5 GTB S    'K5    '  .G}E  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR rZRcy9$y>  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 TymE(,1  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 _&S?uz m  
        7 CTE    0.820000E-05 .K?',x  
        7 GTB S    'F2    ' 6o@}k9AN  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR whb|N2  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 6OYXcPW'  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 ,#3}TDC  
        9 CTE    0.820000E-05 =Y`P}vI]w%  
        9    GTB S    'F2    ' [NcS[*qp  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 ^NJ]~h{n$  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 Xx{ho 4qq  
        10 CTE    0.820000E-05 >Gbj1>C}  
        10    GTB S    'K5    ' shW$V93<  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR 5,=Yi$x  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 O v3W;jD  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 S,T?(lSl  
        12 CTE    0.630000E-05 )6|7L)Dk  
        12    GTB S    'SK16    ' H5t 9Mg|  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 hW*2Le!I  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 &tY3nr  
        13 CTE    0.820000E-05 g*b 4N _  
        13    GTB S    'F2    ' QX (x6y>Q  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR EubR] ckB  
        14    CV    -0.00120156 YwGc[9=n  
        14    UMC    -0.10260000 _'&N01  
        14    TH    86.31660394 PoMkFG6  
        14    YMT    0.00000000 YArNJ5z=  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR #!p=P<4M  
    END
\~xI#S@  
51yI W*  
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
 f])?Gw  
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： h"VQFqQy  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
4X7y}F.J  
    THIRD SENS ^}; 4r  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO Lm+!/e  
HE&,?vioy  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY !mFo:nQ)}  
Cpaeo0Oq  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 >Bp%~8f  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 }_XW?^/8  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 A2'   
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 E [JXQ76  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 5@c,iU-L  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 A9PXu\%y  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 PK1j$ &F  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
m%V+px  
5A1oZ+C#  
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
.fcU&t  
    M .001 100 A ECD5
j`Lf/S!}  
SCeZt [  
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。 { frEVHw  
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 Vy,A7f  
    THIRD SENS %sC,;^wla'  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO sBuJK'  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 vl$! To9R"  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 z.1 6%@R  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649  N>`+{  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 >`*iM  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 G B!3` A%&  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 hM E|=\  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 'R*gSqx~  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
7UHqiA`L  
, >Y. !  
即使我们只针对其中一个（ECD），请注意所有值都已更改。 该透镜的公差列于上表中的情况A.。显然，现在的公差要宽松得多，尽管这对制造商来说仍然是一个挑战。 让我们再试一试。 这次我们将ACT的值定为7.0，即标称值的1/10。
Qv8#{y@U  
    M 7 1 A ACT
W9 y8dw.  
X@+:O-$  
透镜视图如下：
t )Z2"_5  
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。） gT @YG;  
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。 nR/; uTTz  
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。 D,xWc|V  
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。 OxElvbM#  
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
iM2 EEC  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
567ot|cc  
pALB[;9g  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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