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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

#5d8?n  
-ddOh<U>  
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。 m9g^ -X  
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。

Ao!=um5D J  
    RLE YnxU(v'\  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 7sN0`7  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 K|~AA"I;  
        APS    5 0HPO" x3-O  
        UNITS MM gCwt0)  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 X0x_+b? _  
    25.40000 Lnx2xoNk  
        MARGIN    1.270000 vUfO4yfdg  
        BEVEL    0.254001 [5LMt*Y  
            0    AIR q/J3cXa{K  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 3AP YO  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 gDc]^K4>  
            1    GTB S    'LASFN30    ' ypT9 8  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 jQIV2TY[  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 QZYM9a>  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR WV~SL/k|   
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 /~"AG l.  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 [R$liN99z;  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 u dUXc6U  
            3    CTE    0.830000E-05 q\G{]dz?R  
            3    GTB S    'SF57    ' 1Y2a* J  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 L.Vq1RU\"  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 JSUzEAKe  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR tQCj)Ms'X  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 " #J}A0  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR gTyW#verh$  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 y (ldO;.  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 6%z`)d  
            6    GTB S    'LAKN12    ' tdb4?^.s  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 7Fc |  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 )rS^F<C  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR @hBx, `H^  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 *ig5Q(b*N  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 X[Y #+z4  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 o+R. u}|  
            8    GTB S    'LAKN12    ' 3 dY6;/s  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 1(D1}fcul  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 Q)9369<A  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 hXBqz9  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 {bxhH)a'  
            9 CTE    0.810000E-05 H.f9d.<W%  
            9    GTB S    'SF6        ' q w"e0q%)  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 gZ ~y}@L y  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 W|FNDP0  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR 5@""_n&FV  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 CVi<~7Am\  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR MEDskvBG  
        END
^S3A10f,  
~V|KT}H  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 M~#5/eRX  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
#NSaY+V  
    PANT Rf&^th}TH  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL d9ZDpzx B  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END Ab/v_ mA;  
7Ljs4>%l9j  
    AANT FP0<-9DO  
    M 1 1 A FNUM QZ_nQ3K  
    M 7.8 1 A BACK  #=>kw^5  
    M    0    1    A    DELF 1Q3%!~<\s  
    M    0    1    A    SA3 48W:4B'l9  
    M    0    1    A    CO3 dVK@Fgo  
    M    0    1    A    TI3 6eVe}V4W  
    M    0    1    A    SI3 `7+tPbjs  
    M    0    1    A    PETZ 6S` ,j  
    M    0    1    A    DI3 (%=lq#,   
    M    0    1    A    PAC eo-XqiJ,]  
    M    0    1    A    SAC ,|=iv  
    M    0    1    A    PLC H 7 o$O  
    M    0    1    A    SLC 'Sm/t/g"|  
    END T749@!v`z  
`V$cz88b  
    SNAP c1=;W$T(s  
    SYNO 30
m  mw)C"  
JB: mbH  
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。 <L[  *hp  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
fte!Ll'  
我们用命令查看三阶像差
>V77X+!  
        THIRD rGP? E3  
    SYNOPSYS AI>THIRD +X4ttv  
J:k@U42  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 xQcMQ{&;  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS l93Q"*_  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT +U c&%Px  
            50.804            25.400        8.958 KG7X8AaK#  
 yS(=eB_  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS H>Iet}/c   
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION $/-wgyP3m+  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) Fb $5&~d  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 Sv CK;$:  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS c9/ 'i  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT cPa 0n4  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) 1yY'hb,0  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 Ynt&cdK9  
    SYNOPSYS AI>
*+zy\AhkP  
0VWCm( f-  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
;Ln7_  
    ID FIVE-ELEMENT LENS $rV:&A  
r A&#>R`  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS 0*'`%W+5  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT !F}J+N=}  
        50.800                   25.400    8.957 7m@^=w  
<yb=!  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS EUYa =-  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION KX=:)%+  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) 5O4&BxQ~}  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 B "s8i{Vm  
}rb ]d'|  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS K.sj"#D  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT 2TevdyI  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) ~,3v<A[5Vi  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
WhVmycdv  
(J?}eb;>n  
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。 _tR.RAaa"  
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。 xN":2qy#T  
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： Z-;uzx  
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。
3:CQMZ|;@  
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。
h-)A?%Xt  
    RLE N!4xP.Ps  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 5IB:4zx^h  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' l%)=s~6z  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 O7#}8-@}<u  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 n3@g{4~  
    APS    4 [laL6  
    GLOBAL IbNTdg]/F`  
8b#Yd  
    UNITS MM 86) 3XE[ 5  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 t+TbCe  
    25.40000 2w.9Q (Sn  
        0    AIR @|*Z0bn'  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 G5eLs  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 0m| Gp  
        1 CTE    0.630000E-05 :J)l C =  
        1    GTB S    'SK16    ' qh'f,#dI}  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 *#{.\R-D  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 s }R:q  
        2 CTE    0.790000E-05 4 d1Y\  
        2    GTB S    'SF15    ' T`2fPxM:cZ  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR k:uuJ|  
        TH    1.00000001 AIR ez<wEt S  
        TH    5.00000000 aPP<W|Cmo2  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 HjY-b*B  
        5 CTE    0.820000E-05 :+V1682u  
        5 GTB S    'K5    ' e4_aKuA  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR pQ2)M8 gf  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 Q*J ~wuE2  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 NS/L! "g  
        7 CTE    0.820000E-05  ( Vv[  
        7 GTB S    'F2    ' aw@Aoq  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR an5kR_=  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 ~v,KI["o  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 %TggNU,  
        9 CTE    0.820000E-05 dfk TDG+  
        9    GTB S    'F2    ' hFPRC0ftE  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 e~~k}2~  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 Z*Hxrw\!0  
        10 CTE    0.820000E-05 s^X/ Om  
        10    GTB S    'K5    ' EqDYQ 7  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR Da[X HUk  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 PY:#F|uHS`  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 Fea\ eB  
        12 CTE    0.630000E-05 ImY*cW=M  
        12    GTB S    'SK16    ' 9@EnmtR  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 ?GfA;O  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 GSb)|mj  
        13 CTE    0.820000E-05 4qXUk:C@m  
        13    GTB S    'F2    ' xla^A}{  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR 7T;RXrT  
        14    CV    -0.00120156 `; %aQR  
        14    UMC    -0.10260000 8BH)jna`Qo  
        14    TH    86.31660394 78BuD[<X-  
        14    YMT    0.00000000 s!!t  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR =5_F9nk-   
    END
fJ lN'F7  
kb\v}gfiD/  
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
p00Bgo  
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： 67:<X(u+!  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
%((3'le  
    THIRD SENS @Lv_\^2/}  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO ~\IDg/9 Cj  
Q&'Nr3H#tZ  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY r.5Js*VX!  
Q+M3Pqy  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 ~:b~f]lO  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 utS M x(  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 Ph_m'fbf  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 WbzL!zLd!  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 Cx'=2Y7  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 LZ]pyoi  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 &WU*cfJn)A  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
O5*uL{pvT{  
-dN;\x  
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
"?.Wb L  
    M .001 100 A ECD5
d>-EtWd  
&.4a  
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。 li XD2N  
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。
w%H#>k  
    THIRD SENS 1T?%i  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO LtIZgOd<  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 ebVfny$D  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 g<c^\WG  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 <W^~Y31:0  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 uCr  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 bFXCaD!{G  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 Di=6.gm[<  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 =#fvdj  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
MT gEq  
u[qtuM?&  
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。
.}>[ Kr  
    M 7 1 A ACT
]qRz!D%@^  
U]3JCZ{]0E  
透镜视图如下：
e]fC!>w(\  
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。） ]`m5!V_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。 H9[.#+ln  
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。 Y[,C1,  
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。 Ms3/P|{"p  
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
<[~M|OL9q,  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
<O&s 'A[  
nTlrG6  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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