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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

? * ,  
JKrS;J^97v  
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。 ]jiVe_ OS<  
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。

G3]#Du  
    RLE   !\BM  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 %\|{_]h}y  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 Ol h{<~Fv  
        APS    5 wD$UShnm9-  
        UNITS MM 7hu7rWY`E  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 <HN{.p{  
    25.40000 3iX\):4  
        MARGIN    1.270000 .,#H]?Wil  
        BEVEL    0.254001 X's<+hK&  
            0    AIR eV(9I v[  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 bi",DKU{l  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 %yjD<2J;  
            1    GTB S    'LASFN30    ' L@zhbWY  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 ,d*hhe  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 < FO=PM  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR U1lqg?KO  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 q3h& V  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 79d(UG'O  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 ,p(&G_  
            3    CTE    0.830000E-05 $)8,dS  
            3    GTB S    'SF57    ' [Y@>,B!V  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 >nih:5J,ja  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 XQfmD;U  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR v*dw'i  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 wD{c$TJ?{F  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR eMFxdtH  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 :lvBcFw  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 ^[Ka+E^Q  
            6    GTB S    'LAKN12    ' c>>.>^5  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 Z(Y:  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 #RU8 yT  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR Vr( Z;YO  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 {]dtA&8(  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 + Hv'u  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 dY~z6bT  
            8    GTB S    'LAKN12    ' pPo xx"y  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 DU]KD%kl  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 hKWWN`;b !  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 E0&d*BI2  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 6},[HpXRc4  
            9 CTE    0.810000E-05 Nf3UVK8LtS  
            9    GTB S    'SF6        ' 9:VUtx#}2  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 650qG$  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 T :m" eD;  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR Rq[d\BN0.d  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 u Z-ZZE C  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR C}Kl!  
        END
GfEWms8z  
N8#j|yf  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 B,w ZI4oi*  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
0*rD'?)K+  
    PANT ,%l}TSs  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL <"P-7/j3j  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END }$L63;/H  
vI5lp5( -3  
    AANT X|eZpIA45  
    M 1 1 A FNUM &s(&B>M  
    M 7.8 1 A BACK je2_ .^  
    M    0    1    A    DELF W [K.|8ho  
    M    0    1    A    SA3 wT::b V{  
    M    0    1    A    CO3 y*vSt^  
    M    0    1    A    TI3  NzP71t+  
    M    0    1    A    SI3 VK1B}5/  
    M    0    1    A    PETZ /kkUEo+  
    M    0    1    A    DI3 $Emu*'  
    M    0    1    A    PAC 5Q"w{ n  
    M    0    1    A    SAC l$/lbwi%  
    M    0    1    A    PLC kv3Dn&<rJ  
    M    0    1    A    SLC 8SKrpwy  
    END 0C/ZcfFU~  
}>u `8'2v  
    SNAP @&O4a2+  
    SYNO 30
 xV5UaD<  
d>8" -$  
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。 U"p</Q  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
\?^2}K/  
我们用命令查看三阶像差
tMiIlf!>p  
        THIRD bP 9ly9FH  
    SYNOPSYS AI>THIRD {a:05Y  
Q[7i  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 4r1\&sI$~  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS d"#Zp&#  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT Q]xkDr?   
            50.804            25.400        8.958 \{lv~I  
!V37ePFje  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS - Fbp!*. u  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION )P:^A9&_n=  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) SE]5cJ'>  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 chE!,gik  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS DdgiY9a.  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT :V)jm`)#+  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) ZLv/otf:|"  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 &P|[YP37_  
    SYNOPSYS AI>
U+)p'%f;  
A>yU0\A  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
yS\&2"o  
    ID FIVE-ELEMENT LENS "S%t\  
FI$:R  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS :;7I_tb  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT )O~[4xV~  
        50.800                   25.400    8.957 RU:Rt'  
F`nQS&y  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS Iv6 q(c  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION ~-BF7f 6C  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) p?:5 U[KM  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 @yaFN>w  
i/ilG 3m>  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS WD[eoi  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT c[dzO .~  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) C8}:z\A_@Z  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
7C{ y NX#  
jV3PTU  
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。 8-#%l~dr  
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。 d,"LZ>hNY*  
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：  .w9LJ  
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。
)\fY1WD  
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。
do}LaUz  
    RLE iEr,ly  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 |@Tga_0p  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' $"^K~5Q  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 'x!\pE-  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 %fqR  
    APS    4 i6`"e[aT[o  
    GLOBAL 6Xlzdt  
9t"Rw ns  
    UNITS MM ,BU;i%G&s  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 Wy}I"q[~So  
    25.40000 QU|_ r2LM  
        0    AIR y/lF1{}5  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 j9+$hu#a  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 11[lc2  
        1 CTE    0.630000E-05 $cCC 1=dW  
        1    GTB S    'SK16    ' M ?$[WS  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 ~U9K<_U  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 ji"g)d6  
        2 CTE    0.790000E-05 ^OR0Vp>L  
        2    GTB S    'SF15    ' }htjT/Nm  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR =!O->C:  
        TH    1.00000001 AIR eU?hin@X  
        TH    5.00000000 ggr  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 k_al*iM>H  
        5 CTE    0.820000E-05 0+1wi4wy/  
        5 GTB S    'K5    ' WNjwv/  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR j2Zp#E!  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 H",B[ YK  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 +eM${JyXH  
        7 CTE    0.820000E-05 yPm2??5MW>  
        7 GTB S    'F2    ' 3FEJ 9ZyG  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR Zp_(vOc  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 nV;'UpQw  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 hvd}l8  
        9 CTE    0.820000E-05 S&op|Z)1  
        9    GTB S    'F2    ' &1xCPKIr  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 mP(3[a_Q  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 o u|emAV  
        10 CTE    0.820000E-05 n/H OP  
        10    GTB S    'K5    ' Qw5nfg3T  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR @=Kq99=\U  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 IUcL*  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 ^[L(kHOGzk  
        12 CTE    0.630000E-05 JE?p'77C  
        12    GTB S    'SK16    ' 30Q p^)K  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 ;t`  ?|  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 A KNx~!%2  
        13 CTE    0.820000E-05 XC4Z,,ah"  
        13    GTB S    'F2    ' !*IMWm>  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR |.IH4 K  
        14    CV    -0.00120156 )Nv1_en<!  
        14    UMC    -0.10260000 bQAznd0  
        14    TH    86.31660394 }2A6W%^>]  
        14    YMT    0.00000000 "cH RGJG#  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR ?0tg}0|  
    END
.p`4>XA  
'm%{Rz>j  
一些公差降低得非常快速，如下表所示，其中标称数据是针对此透镜的。
　3 TH6 wedge7 tilt5 YDC7 YDC9 YDC12 YDC
Nominal0.0340.23 min0.24 min.0.00420.00340.00530.0086
Case A0.0910.670.420.0110.0090.0110.011
Case B0.1120.870.890.0150.0180.0250.014
_B4&Fb.  
将透镜位置保持公差很紧导致制造成本将会很昂贵。（看看表面7上的中心公差。）所以我们按如下方式进行： G4&s_ M$  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
T X`X5j  
    THIRD SENS 0ju1>.p  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO t<%0eu|  
6Z/`p~e  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY )n/%P4l  
CU$kh z"  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 0MQ= Rt  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 ."K>h3(&V  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 'X~tt#T  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 ]AP1+ &9fN  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 b^Hr zn  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 sE9FT#iE  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 XGlt^<`  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
:d mE/Tq  
X/]@EF  
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
f49kf**  
    M .001 100 A ECD5
] !UYl  
~{c ?-qb  
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。 :-&|QVH  
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。
;#B(L=/  
    THIRD SENS U%{GLO   
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO \?bV\/GBR  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 #GsOE#*>T  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 gfk)`>E  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 a"~o'W7  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 3f|}p{3  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 [ X*p [  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 Wj{lb_Rj  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 pA7-B>Y  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
H$6RDMU  
:WhJDx`j  
即使我们只针对其中一个（ECD），请注意所有值都已更改。 该透镜的公差列于上表中的情况A.。显然，现在的公差要宽松得多，尽管这对制造商来说仍然是一个挑战。 让我们再试一试。 这次我们将ACT的值定为7.0，即标称值的1/10。
^ 5 >e  
    M 7 1 A ACT
p_r`"  
 CB7dr&>  
透镜视图如下：
&|SWy 2 N  
公差列在上面的案例B中。 对于一些公差来说，这可能是更好的预估。 （我们忽略了本课程的可制造性问题：某些元件太薄，应该使用ACM监视器进行控制。） !U`&a=k  
您选择控制的数量取决于您想要影响的公差。 例如，空气间隔的公差可以响应对ESA数量的控制。 另一方面，透镜厚度公差可能对SAT更好地响应。 您必须了解您的透镜，并尝试使用这些工具，以找到最佳目标和最佳BTOL预估。 Tw~R-SiS`s  
有时这些量的作用是增加评价函数。 通常这不是一个好主意，因为如果像质变得更糟，公差通常会变得更紧。 但是，本课中工具的放松效果有时会超过这种效果，无论如何都会使公差更加宽松。 当然，这只能在一定程度范围之内，如果评价函数太大，你的评价函数应该要求一个要求较低的值。 }A9#3Y|F  
我们无法保证任何这些像差目标在任何特定情况下都能起作用，但经验表明它们肯定值得一试。 您的公差可以放宽2到10倍。 ~{x1/eH  
最后，我们提到控制单个元件灵敏度的另一种非常有效的方法是使用SECTION像差。 虽然本课程中讨论的数量适用于所有表面或元件，因此非常易于使用，但SECTION像差仅适用于您指定的表面范围。 如果一个元件仍然被分配了一个非常紧的中心公差，即使你尝试了本节中给出的目标 - 如果某些元件的公差变得更宽松但问题元件的公差变得更紧，可能会发生这种情况 - 你可能只控制那个含彗差或球差的元件。 这使您可以精确控制所需的像差，并且通常值得采取额外步骤。 例如，如果表面13和14处的元件非常敏感，您可以尝试
 ` Xc7b  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
;5a$ OM  
!}*N';  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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