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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

$8=|<vt  
$eYL|?P50h  
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。 _p-e)J$7  
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。

0X=F(,>9  
    RLE |58HPW9  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 \VNu35* J|  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 Ek_5% n  
        APS    5 5#K*75>  
        UNITS MM C`[<6>&y  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 8=`L#FkRp  
    25.40000 }KI/fh  
        MARGIN    1.270000 r/j:A#6M]o  
        BEVEL    0.254001 X4 Arn,  
            0    AIR q!$s<n  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 $Nu{c;7"  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 uuC ["Z  
            1    GTB S    'LASFN30    ' .^Sgl o  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 SVe]2ONd  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 n)e2?  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR OETo?Wg1Z  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 ]`/>hH>+~9  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 >JyS@j}  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 7D6`1 &  
            3    CTE    0.830000E-05 vMTf^V  
            3    GTB S    'SF57    ' 'C1lP)S5  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 $UR:j8C{p$  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 mmTpF]t ?`  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR *N">93:  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 _U s"   
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR DrK]U}3fh"  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 J9Ao*IW~  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 V8^la'_j  
            6    GTB S    'LAKN12    ' ABWn49c.  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 ,Z q:na  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 aLa<z Essz  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR 5,"c1[`-  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 #e' >9T  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 u8Ys2KLpL  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 [G<ga80  
            8    GTB S    'LAKN12    ' \|HEe{nA  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 m\&|#yq  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 ${f<}  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 m'rDoly"62  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 Y^fw37b  
            9 CTE    0.810000E-05 c1#0o) q*7  
            9    GTB S    'SF6        ' 9@ k8$@  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 # T=iS(i  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 )~ ( *q  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR Q:-T' xk@  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 EXDDUqZ5\  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR ;wn9 21r  
        END
%'Cj~An  
/<rvaR  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 4V@%Y,:ee  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
vV,TT%J8D  
    PANT gv*b`cl  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL )w7vE\n3  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END RkYdK$|K  
Nk'<*;e  
    AANT F s/CW\  
    M 1 1 A FNUM ? i{?Q,  
    M 7.8 1 A BACK 'S`l[L:.8  
    M    0    1    A    DELF ;uBGB h<  
    M    0    1    A    SA3 (i~UH04r>s  
    M    0    1    A    CO3 :""HyjY!  
    M    0    1    A    TI3 z|#*c5Y9w  
    M    0    1    A    SI3 H*=cw<  
    M    0    1    A    PETZ >h7(kj:  
    M    0    1    A    DI3 $qNF /rF  
    M    0    1    A    PAC .9J^\%JD  
    M    0    1    A    SAC Ac:`xk<  
    M    0    1    A    PLC L!}!k N:?  
    M    0    1    A    SLC \c_g9Iqa  
    END 7HPwlS  
p6DI7<C<H  
    SNAP \s=r[0tj!  
    SYNO 30
*C_A(n5"V  
S;~eI8gQ"  
该MACro将改变所有设计变量并控制F/number ，离焦和后焦距，并同时以三阶像差校正为零作为目标。 输入VLIST RAD ALL将改变所有半径，VLIST TH ALL将改变所有厚度和空气间隔，本例中我们不建议使用VLIST GLM ALL命令，因为该命令将会改变透镜的材料，在这个例子中，我们必须单独声明表面。 WVP?Ie8  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
G5}_NS/  
我们用命令查看三阶像差
TU|#Pz7n-Z  
        THIRD S?688  
    SYNOPSYS AI>THIRD 8zK#./0\  
T?8BAxC?K  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 %' DO FiU  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS 5rsz2;#p  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT ?8~l+m6s$  
            50.804            25.400        8.958 kV'zA F v  
[ V.67_~  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS !>48`o ^  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION <cTX;&0=  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) $kUB%\`  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 Vn#}f=u\  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS %]P{)*y-?  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT >|3Y+X  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) f^pBXz9&=  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 E@ea ?Sx  
    SYNOPSYS AI>
hz/mNDE]  
S{^x]h|?  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
|f_'(-v`E  
    ID FIVE-ELEMENT LENS b7.7@Ly y  
ka_m Q<{9  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS /stvNIEa  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT ]]|#+$ ~  
        50.800                   25.400    8.957 d+DO}=]  
@X/ 1`Mp  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS GCl *x:  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION wDvu2iC=  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) bF _]j/  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 Z_ GGH2u  
8F[ ];LF>  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS ,!Wo6{'  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT ?o(284sV3  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) rWr'+v?  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
a en%  
H9WYt#  
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。 -mO#HZIq  
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。 lf"w/pb'  
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： Do4hg $:40  
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。
B EwaQvQ!  
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。
Zj[m  
    RLE vjX,7NY?  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 $}vk+.!*1  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' i$kB6B#==  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 t?9J'.p  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 +2MF#{ tS  
    APS    4 >_j(uw?u  
    GLOBAL JWHsTnB  
ZV{C9S&  
    UNITS MM U*+-#  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 ^p(aZj3k  
    25.40000 ((gI OTV  
        0    AIR Ucv7`W gr  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 KTYjC\\G  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 $7YZ;=~B  
        1 CTE    0.630000E-05 @PM<pEve  
        1    GTB S    'SK16    ' = cRmaD  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 cn}15JHdR  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 eFsl  
        2 CTE    0.790000E-05 e/hCYoS1n  
        2    GTB S    'SF15    ' 'jO2pH/%  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR DOu^   
        TH    1.00000001 AIR #pZeGI|'J  
        TH    5.00000000 (+gTIcc >  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 >V8!OaY5n  
        5 CTE    0.820000E-05 A$p&<#  
        5 GTB S    'K5    ' wfO -bzdw  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR ,q%X`F rc  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 %3dc_YPS  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 r.)n>  
        7 CTE    0.820000E-05 50 w$PW  
        7 GTB S    'F2    ' :.=:N%3[  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR l!}gWd,H  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 H, 3Bf  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 ([<{RjPb  
        9 CTE    0.820000E-05 -W6@[5c  
        9    GTB S    'F2    ' 6<@ mB Z  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 hqeknTGsIn  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 p p0356  
        10 CTE    0.820000E-05 a;dWM(;Kw  
        10    GTB S    'K5    ' wmV=GV8 d  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR rXmrT%7k  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 P'iX?+*  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 mvH}G8  
        12 CTE    0.630000E-05 B Hp>(7,  
        12    GTB S    'SK16    ' j)G%I y[`  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 G[e,7jev  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 !.%*Tp#k#  
        13 CTE    0.820000E-05 o#"yFP1  
        13    GTB S    'F2    ' >/Z*\6|Zx#  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR 8\E=p+C  
        14    CV    -0.00120156 ThP~k9-  
        14    UMC    -0.10260000 /V0Put  
        14    TH    86.31660394 >"UXY)  
        14    YMT    0.00000000  DEu0Z  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR 5M>p%/  
    END
Q65M(x+oy  
%{'[S0@Z  
一些公差降低得非常快速，如下表所示，其中标称数据是针对此透镜的。
　3 TH6 wedge7 tilt5 YDC7 YDC9 YDC12 YDC
Nominal0.0340.23 min0.24 min.0.00420.00340.00530.0086
Case A0.0910.670.420.0110.0090.0110.011
Case B0.1120.870.890.0150.0180.0250.014
d$ o m\@  
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： 3<.DiY  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
o1 27? ^  
    THIRD SENS )/f#~$ws  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO GZ<@#~1%\  
T-n>+G{  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY I;AS.y  
Dd0yQgCu  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 i:N-Q)<Q*)  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 Z 9cb  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 fFC9:9<  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 xP9R d/xa|  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 08@4u L  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 ej7N5~!,s  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 g<F+Ldgj  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
G@e;ms1  
aA*h*  
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
[GM!@6U  
    M .001 100 A ECD5
s(5(zcBK  
f7 ew<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。 F*z>B >{)  
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。
IY~I=}  
    THIRD SENS p? +!*BZ  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO ,: z]15fX  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 "AqLR  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 q}'<[Wg  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 R/B/|x  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 &9Z@P[f  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 kSJ;kz,_  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 }>f%8O}  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 x`p908S^  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
U/HF6=Wot  
pi;fu  
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。
}!*|VdL0  
    M 7 1 A ACT
Vl(id_~_  
nJgN2Z  
透镜视图如下：
'&|%^9O/"  
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。） ~s?y[yy6i  
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。 B'B0e`  
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。 x `%x f  
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。 , P1m#  
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
RU.MJ kYQ5  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
lS2 `#l>  
Efd@\m:~>  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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