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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

} LS8q  
NGSts\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。 ~q}L13^k  
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。

q+\<%$:u  
    RLE *lvADW5e  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 Rtz~:v%  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 3\@2!:>  
        APS    5 <[)-Q~Gg5  
        UNITS MM o& FOp'  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 ah:["< z<  
    25.40000 kEnGr6e  
        MARGIN    1.270000 Pd~=:4  
        BEVEL    0.254001 P.XT1)qo*  
            0    AIR Pgr2 S I  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 qIQ=OY=6  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 ih".y3  
            1    GTB S    'LASFN30    ' H]R/=OYBUh  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 XQ}J4J~Vm  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 iVn4eLK^v  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR W+!UVUpW  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 +Pb:<WT}%  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 ,~naKd.ZY  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 bPxL+ +  
            3    CTE    0.830000E-05 BA: x*(%~  
            3    GTB S    'SF57    ' H_ $?b  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 U_"!\lI_yg  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 ZQE1]ht  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR =|z:wlOs  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 y<Q"]H.CkQ  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR *uyP+f2O  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 !6'N-b1  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 S{;Pga*Px  
            6    GTB S    'LAKN12    ' +_7a/3kh  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 UmWXv#q\l  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 6P{^j  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR adP  :{j  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 >NBc-DX^  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 {1OxJn1hd  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 W]oD(eZ  
            8    GTB S    'LAKN12    ' Sk|e#{  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 (NvjX})eh  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 `xBoNQai  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 =Nt HV4=b  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 %42a>piev  
            9 CTE    0.810000E-05 o4kLgY !Q  
            9    GTB S    'SF6        ' "V>}-G&  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 #-;W|ib%z  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 nv:Qd\UM  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR h+1|.d  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 GP%V(HhN  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR =o##z5j K  
        END
4]U=Y>\Sr  
F<I*?${[  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 n>ui'}L  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
d^}p#7mB\  
    PANT *2X~NJCt  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL !Ap5Uwd  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END *lSu=dk+  
0A) 0Zw  
    AANT Vn^GJ'^  
    M 1 1 A FNUM jU&m*0nL  
    M 7.8 1 A BACK e-ta7R4  
    M    0    1    A    DELF U.<j2K um  
    M    0    1    A    SA3 s=n4'`y1  
    M    0    1    A    CO3 'Bue*  
    M    0    1    A    TI3 =-si| 1Z  
    M    0    1    A    SI3 ynIC (t  
    M    0    1    A    PETZ $t;:"i>  
    M    0    1    A    DI3 72s qt5C]  
    M    0    1    A    PAC .]vb\NBK7  
    M    0    1    A    SAC a*cWj }u  
    M    0    1    A    PLC i=Qy?aU?  
    M    0    1    A    SLC wb.yGfJ  
    END PeIx41. +s  
7\ _MA!:<  
    SNAP kg^0%-F  
    SYNO 30
>.Gmu  
[K3 te  
该MACro将改变所有设计变量并控制F/number ，离焦和后焦距，并同时以三阶像差校正为零作为目标。 输入VLIST RAD ALL将改变所有半径，VLIST TH ALL将改变所有厚度和空气间隔，本例中我们不建议使用VLIST GLM ALL命令，因为该命令将会改变透镜的材料，在这个例子中，我们必须单独声明表面。 7 XxZF43  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
*-9i<@|(U^  
我们用命令查看三阶像差
X hq ss),  
        THIRD qf x*a88  
    SYNOPSYS AI>THIRD A'jvm@DvQI  
12Oa_6<\0;  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 jB?SX  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS fmuh 9Z  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT A]|w1nq  
            50.804            25.400        8.958 }%u #TwZ  
n*7^lAa2  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS K KB+o)*W  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION UDG1F_&h  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) ]<^2B?}  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 #'Y lO -C  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS 2GptK"MrD  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT Vg NB^w  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) V5K/)\#  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 \78E>(`'  
    SYNOPSYS AI>
w,p'$WC*  
%nZ:)J>kz  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
# sw4)*v  
    ID FIVE-ELEMENT LENS <<0sv9qw1  
v#Rh:#7O%U  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS gq?7O<  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT -V}oFxk]q  
        50.800                   25.400    8.957 M^Sa{S*?  
p]mN)  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS X84T F~2Y  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION `q36`Wn  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) 9f! M1  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 e-rlk5k%f  
$2a"Ec!7  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS T [SK>z  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT zGtJ@HbB  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) r? /Uu &  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
-P}A26qB  
%M iv8  
这些像差要大得多 - 但初始透镜性能要好得多！ 所以在像差平衡方面，不要试图将像差校正到极端状态。 xF[%R{Mn'  
一般人们在设计透镜时，通常只关心两件事：图像是否清晰，是否在正确的位置。 /JS_gr@DK  
然而，这些三阶像差在降低公差敏感度上有很重要的作用。 这是因为，当透镜制造偏差越大，三阶像差变化最快。 因此，我们定义了一组可以放入AANT文件的八个定义像差的命令： c& ;@i$X(  
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。
p^8a<e?f~f  
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。
M8~3 0L  
    RLE ,m{R m0  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 vaB ql(?'2  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' F@?-^ E@  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 lEHx/#qt9  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 S"&Gutu3o  
    APS    4 KUJLx  
    GLOBAL 1b%Oi.;  
 )kWxp  
    UNITS MM w1tM !4r  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 _Ay^v#a  
    25.40000 Y!L-5|G  
        0    AIR osXEzr(  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 pT|s#-}  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 6.)ug7aF  
        1 CTE    0.630000E-05 h[>pC"s?K  
        1    GTB S    'SK16    ' Tdcc<T  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 5?^#v  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 vxZ'-&;t  
        2 CTE    0.790000E-05 &x1A {j_  
        2    GTB S    'SF15    ' 4:/V|E\D  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR jC'h54 ,Mr  
        TH    1.00000001 AIR xqX3uq  
        TH    5.00000000 $eFMn$o  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 )NZH{G  
        5 CTE    0.820000E-05 9295:Y| w1  
        5 GTB S    'K5    ' 4  eLZ  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR 6Hnez@d  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 S($/Ov  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 W_}j~[&  
        7 CTE    0.820000E-05 7su2A>Ix  
        7 GTB S    'F2    ' Q'n+K5&p  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR 1%v6d !  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 ." xP {  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 q KD  
        9 CTE    0.820000E-05 4G,FJjE`p  
        9    GTB S    'F2    ' a]r+np]vTy  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 s6~;)(r  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 .zgh,#=  
        10 CTE    0.820000E-05 &b|RoPV  
        10    GTB S    'K5    ' v7"VH90`!  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR /Z6lnm7wJ  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 7GO9z<m)  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 nz3*s#k\-  
        12 CTE    0.630000E-05 q? ">  
        12    GTB S    'SK16    ' Ro]Z9C>1o  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 zu1"`K3b  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 kU/MvoV  
        13 CTE    0.820000E-05 R$awo/'^  
        13    GTB S    'F2    ' &?R/6"J  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR Q/SO%E`E  
        14    CV    -0.00120156 c K\   
        14    UMC    -0.10260000 Q2 !GWz$  
        14    TH    86.31660394 ;d}>8w&tfy  
        14    YMT    0.00000000 FygNWI'  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR Q#3}AO  
    END
~6;I"0b5  
h}a}HabA  
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
WOn<;'}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： h\[@J rDa  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
zwV!6xG  
    THIRD SENS m538p.(LIR  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO TnN yth wZ  
KdkL_GSLT  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY w(V%EEk  
Hl}lxK,]  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 cjN)3L{  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 +%XByY5  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 2"G9?)d9  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 b\0>uU  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 u9 &$`N_G  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 O8 .iP+  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 6]iU-k0b  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
lNxP  
Led\S;pl  
2.由于我们主要关注中心误差，我们可能会尝试降低ECD的值，即当元件偏心变化时，CO3的变化。 让我们添加到AANT文件（在L6M2.MAC中）的行
y-26\eY^P  
    M .001 100 A ECD5
OM1Z}%J  
}W'j Dz7O  
由于ECD已经是一个很小的数字（与列表中的其他数字相比），我们给它一个很高的权重，因此它对评价函数产生了影响。 请记住，我们不能简单地将所有这些值都定为零，因为通常不能设计没有任何像差的透镜元件，并且没有光焦度。 而且，这些量以不明显的方式耦合。 例如，如果减少SAT的值，您可能会发现COT也变小了。 6m$X7;x}  
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。
<<01@Q <  
    THIRD SENS D`@a*YIq  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO {j$2=0Cec  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 S%MDQTM  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 Nqj@p<y/q  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 b3%x&H<j  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 /C8}5)  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 9;LjM ~Ct  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 JxinfWk  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 Cdz?+hb  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
26/<\{q~  
U^KWRqt  
即使我们只针对其中一个（ECD），请注意所有值都已更改。 该透镜的公差列于上表中的情况A.。显然，现在的公差要宽松得多，尽管这对制造商来说仍然是一个挑战。 让我们再试一试。 这次我们将ACT的值定为7.0，即标称值的1/10。
`R2Iw I&  
    M 7 1 A ACT
r\"R?P$y|  
RK.lz VaY  
透镜视图如下：
F% n}vA`  
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。） {Lal5E4-  
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。 v'?Smd1v /  
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。 \'Ca1[y@B  
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。 }169]!R  
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
MtL<)?HQ  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
 x(HHy,  
ufk2zL8y  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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