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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

#;2n;.a  
) u`[6,d  
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。 Rx=>6,)'  
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。

z?*w8kU&>  
    RLE DBr ZzA  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 /Y2}a<3&0  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 8b;1F Q'  
        APS    5 BdH-9n~,  
        UNITS MM %_%Q 8,W  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 kTu[ y;  
    25.40000 :Ra,Eu  
        MARGIN    1.270000 $m-2Hh qZ  
        BEVEL    0.254001 WGZ9B^A  
            0    AIR \=ux atw  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 aGtf z)  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 dQA'($  
            1    GTB S    'LASFN30    ' .ufTQ?Fe  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 S]Mw #O|  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 b((M)Gz  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR QLiu2U o  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 'R'*kxf  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 }o?APvd  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 #(N+(():  
            3    CTE    0.830000E-05 !W}9no  
            3    GTB S    'SF57    ' )I^7)x  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 YSic-6z0Ms  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 keX,d#  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR nG'&ZjA  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 c]n1':FT"  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR F`XP@Xx  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 koZ*+VP=  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 bB1UZ O  
            6    GTB S    'LAKN12    ' d\|?-hY`[  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 U4C 9<h&  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 x7!L{(E3  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR mpU$ +  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 v4`"1Ss,K  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 c4^ks&)'  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 >_-s8t=|  
            8    GTB S    'LAKN12    ' l3Q(TH~I  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 g9}DnCT*.  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 >>t@}F)  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 z"-u95H  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 g(qJN<R C/  
            9 CTE    0.810000E-05 (a.z9nqGA  
            9    GTB S    'SF6        ' ff,pvk8N5  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 ;o2$ Q  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 [65 `$x-  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR 5 ZGNz1)?V  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 N`5,\TR2f  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR j,lT>/  
        END
.f%fHj  
bLij7K 2H  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 )_syZ1j  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
t{^*6XOcJ  
    PANT Ai=s e2  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL f_jo+z{-ik  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END "GMBjT8  
=.f-w0V  
    AANT AS'R?aX|C  
    M 1 1 A FNUM Z_};|B}  
    M 7.8 1 A BACK 7~^GA.92  
    M    0    1    A    DELF %Gz0^[+  
    M    0    1    A    SA3 nm5cpnNl  
    M    0    1    A    CO3 Fq~yL!#!  
    M    0    1    A    TI3 ZRh~`yy  
    M    0    1    A    SI3 ); !eow  
    M    0    1    A    PETZ Bu<M\w?7Y  
    M    0    1    A    DI3 g]<4&)~  
    M    0    1    A    PAC I5 o)_nc  
    M    0    1    A    SAC $+8cc\fq  
    M    0    1    A    PLC fHE <(  
    M    0    1    A    SLC @r/#-?W  
    END A!s`[2 Z  
[,t*Pfq'W8  
    SNAP L[oui,}_  
    SYNO 30
@Owb?(6?  
dt \TQJc~  
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。 y I HXg#  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
fxgPhnaC>  
我们用命令查看三阶像差
`18qbot  
        THIRD Bn=by{i  
    SYNOPSYS AI>THIRD <Swt);  
nrL9 E'F'  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 \\r)Ue]  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS a,@]8r-"  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT 9_L[w\P|4  
            50.804            25.400        8.958 6]V4muz#c  
yzbx .  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS ^crCy-`#  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION E ]A#Uy  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) q M fT>rH  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 -[ *,^Ti`  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS @K\~O__  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT ^W`<gR  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) O,+1<.;+  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 j~2{lCT  
    SYNOPSYS AI>
y6ECdVF  
y?[ v=j*U  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
ciFmaM.  
    ID FIVE-ELEMENT LENS V/%>4GYnC  
Ttu2skcv  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS $*^kY;  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT s`M9    
        50.800                   25.400    8.957 e}D3d=6`  
iqC|G/  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS oz,np@f)J  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION I?h)OvWd  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) iQ tN Aj  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 i2@VB6]?  
#+:9T /*>0  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS h%o%fH&F!  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT RHaI~jb  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) ;+e}aER&9  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
In:9\7~jC  
TC @s  
这些像差要大得多 - 但初始透镜性能要好得多！ 所以在像差平衡方面，不要试图将像差校正到极端状态。 fL_4uC i\  
一般人们在设计透镜时，通常只关心两件事：图像是否清晰，是否在正确的位置。 :Ux?,  
然而，这些三阶像差在降低公差敏感度上有很重要的作用。 这是因为，当透镜制造偏差越大，三阶像差变化最快。 因此，我们定义了一组可以放入AANT文件的八个定义像差的命令： ^`*9QjY  
SAT COT ACD ACT ECD ECT ESA ECO
SAT表面对球差的贡献的平方和SA3。
COT表面对慧差贡献的平方和CO3。
ACD每个表面偏心时CO3变化量的平方和。
ACT每个表面倾斜时CO3变化量的平方和。
ECD每种元件偏心时CO3变化量的平方和。
ECT每个元件倾斜时CO3变化量的平方和。
ESA元件对球差的贡献的平方和SA3。
ECO元件对慧差贡献的平方和CO3。
3VsW@SG7N  
以下是如何使用这些像差来放宽透镜公差的示例。 我们优化了下面所示的透镜，并以目标波前权重0.05运行BTOL。
M`. tf_x  
    RLE ujDd1Bxf?  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 ~k\fhx  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' T_s _p  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 HTVuStM8  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 Hc!  mB  
    APS    4 4~k\j  
    GLOBAL qIVx9jNN  
xAqb\|$^  
    UNITS MM E[2m&3&  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 OP~HdocB  
    25.40000 G^~k)6v=m  
        0    AIR kY&k-K\  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 $}<PL}+  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 w&$`cD  
        1 CTE    0.630000E-05 )LdP5z-  
        1    GTB S    'SK16    ' $&y%=-]|  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 hXfQ)$J  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 `s"'r !  
        2 CTE    0.790000E-05 o}$XH,-9&  
        2    GTB S    'SF15    ' XF Patd  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR |2?'9<  
        TH    1.00000001 AIR NMW#AZVd  
        TH    5.00000000 )` SE S."  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 iWei  
        5 CTE    0.820000E-05 <A[E:*`*  
        5 GTB S    'K5    ' 1QqYQafA  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR 8I-u2Y$Sr  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 _p# CwExuy  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 *v;!-F&8>  
        7 CTE    0.820000E-05 ST2.:v;lb  
        7 GTB S    'F2    ' k'gh  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR bBu,#Mc  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 *-+&[P]m  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 IC#>X5  
        9 CTE    0.820000E-05 B.wYHNNV  
        9    GTB S    'F2    ' yW+yg{Gg:  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 !(mjyr  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 >NqYyW,%  
        10 CTE    0.820000E-05 {kp-h2I,  
        10    GTB S    'K5    ' }XZ'v_Ti  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR +J_c'ChN  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 k ]W[`  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 fXXr+Mor  
        12 CTE    0.630000E-05 B||*.`3gN  
        12    GTB S    'SK16    ' <p}R~zk  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 - |kA)M[  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 mYxuA0/k  
        13 CTE    0.820000E-05 j Yx38_5e  
        13    GTB S    'F2    ' Wc,_RN-  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR *Nw&_<\9Q  
        14    CV    -0.00120156 *n; !G8\  
        14    UMC    -0.10260000 ~1cnE:x;V  
        14    TH    86.31660394 l=]cy-H  
        14    YMT    0.00000000 ~Cl){8o  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR `k OD[*  
    END
2]I4M[|&z  
xgABpikC^  
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
%dJX-sm@  
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： 6^%UU o%  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
BsBK@+ZyI  
    THIRD SENS bQE};wM,  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO vK 7^*qr;j  
cYFiJJLG]  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY 0rh]]kj  
pM x  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 aF)1Nm[  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 &?VQ,+[ <  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 `%CtWJ(e  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 c#a @n 4  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 w<zIAQN  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 7Ok;Lt!x  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 cS>e?  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
OH;b"]  
n_$ :7J  
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
TS/.`.gT  
    M .001 100 A ECD5
NXwz$}}Pp  
6^uq?  
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。 eyefWn&  
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。
pF&(7u  
    THIRD SENS #6ri-n  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO + hn+K1  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 RMX:9aQ3F  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 e "/;7:J5\  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 }tsYJlh5  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 aD=a,  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 >"gf3rioW  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 :{qv~&+C  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 5V5%/FU m  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
~ (x;5{  
HOw -]JSP2  
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。
r;>*_Oc7g  
    M 7 1 A ACT
RMd[Yr2e  
@.G[s)x  
透镜视图如下：
x;-. ZVF  
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。） ELBa}h;  
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。 7s"< 'cx_F  
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。 K3m]%m2\  
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。 !lEY=1nHOJ  
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
G:<`moKgL  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
u`y><w4i  
C K:y?  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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