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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

!@v7Zu43,  
)+6MK(<"  
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。 4F{70"a  
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。

Ywwu0.H<  
    RLE GN2Sn` ;  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 >qF CB\(  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 Nal9M[]c  
        APS    5 o !U 6?  
        UNITS MM Cid ;z  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 R~6$oeWAw  
    25.40000 .;N1N^  
        MARGIN    1.270000 %QP0  
        BEVEL    0.254001 &oX>* 6L  
            0    AIR w.TuoWo>  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 [D4Es  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 Ll4g[8  
            1    GTB S    'LASFN30    ' aYSCw 3C<  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 ?pd8w#O  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 KGFv"u{  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR Uw7h=UQh  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 mV pMh#zw  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 \vO,E e~#W  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 b"{'T]"*j  
            3    CTE    0.830000E-05 3(,?S$>  
            3    GTB S    'SF57    ' bXNk%W[n  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 #e$5d>j(  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 AnX%[W "  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR ?snp8W-WB  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 |Ur"& Z{  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR ?o|f':  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 jJPGrkr  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 "9Q40w\  
            6    GTB S    'LAKN12    ' Z '7  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 L bmawi^  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 ]Yn_}Bq  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR ~G6Ox)/  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 W~7A+=&  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 wLnf@&jQ%  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 m3/O.DY%0  
            8    GTB S    'LAKN12    ' 5l UF7:A>#  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 2HsLc*9{4  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 |}di&y@-JI  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 85Otss/mM  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 /k,-P  
            9 CTE    0.810000E-05 '$ t  
            9    GTB S    'SF6        ' LAS'u "c|  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 -^hWM}F  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 =E#%'/ A;c  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR J`].:IOh  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 ud'-;W  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR #W.#Hjpp  
        END
e9U9Uu[  
?WqT[MnK  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 naR0@Q"\h  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
gL *>[@RO  
    PANT f\sQO&  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL 9\BT0kx  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END os:A]  
)9"_J9G  
    AANT ?En O"T.  
    M 1 1 A FNUM MS 81sN\d  
    M 7.8 1 A BACK _C*fs< #  
    M    0    1    A    DELF gf &Pn  
    M    0    1    A    SA3 pUQ/03dp  
    M    0    1    A    CO3 eoG$.M"  
    M    0    1    A    TI3 BMG3|N^  
    M    0    1    A    SI3 # Oc] @  
    M    0    1    A    PETZ yDegcAn?  
    M    0    1    A    DI3 DpvI[r//'*  
    M    0    1    A    PAC OuID%p"O  
    M    0    1    A    SAC (mTE;s(  
    M    0    1    A    PLC 5A3xVN=  
    M    0    1    A    SLC 1VG4S){}\9  
    END xqG[~)~  
!h23cj+V  
    SNAP Gi?/C&1T  
    SYNO 30
K<SyC54  
,*&:2o_r  
该MACro将改变所有设计变量并控制F/number ，离焦和后焦距，并同时以三阶像差校正为零作为目标。 输入VLIST RAD ALL将改变所有半径，VLIST TH ALL将改变所有厚度和空气间隔，本例中我们不建议使用VLIST GLM ALL命令，因为该命令将会改变透镜的材料，在这个例子中，我们必须单独声明表面。 AQ,' 6F9  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
g"p%C:NN  
我们用命令查看三阶像差
zuJ@E=7  
        THIRD #*K}IBz  
    SYNOPSYS AI>THIRD /_AnP  
Eg#K.5hJ  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 * K D I}B>  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS *rs5]U<  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT i@)i$i4  
            50.804            25.400        8.958 v1+3}5b'uF  
m.# VYN`+A  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS p.v0D:@&  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION 8*#R]9  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) 1PQ~jfGi  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 =[cS0Sy  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS n 22zq6m  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT Ln')QN  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) v &Yi  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 c'>/  
    SYNOPSYS AI>
[!HEQ8 2g  
&:9c AIe]H  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
4sF"6+%5d  
    ID FIVE-ELEMENT LENS SPX$ U5&  
Wu c S:8#|  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS :dl]h&C^  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT }Z@ovsG  
        50.800                   25.400    8.957 ~:kZgUP_f  
rzhWw-GY  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS %GjM(;Tk  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION eL10Q(;P`  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) ]'!f28Ng-  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 :~e>Ob[,"  
[R(`W#W  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS y~ AVei&  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT X^}I-M%{m  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) bv]`!g: C  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
b~KDP+Ri  
bf ]f=;.+  
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。 2,$8icM  
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。 !;&p"E|b#  
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： D.B.7-_8  
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。
.zA^)qgL  
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。
y I HXg#  
    RLE >Wm `v.-  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 gp};D  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' 0bceI  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 >BIMi^  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 ?*[N_'2W+  
    APS    4 3GaQk-  
    GLOBAL 8p^bD}lN7  
bR*-Ht+wd  
    UNITS MM 1->dMm}G[  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 {C 6=[  
    25.40000  8{wwd:6  
        0    AIR C]O(T2l{l  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 _X^1IaL  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 6Z>FTz_  
        1 CTE    0.630000E-05 @K\~O__  
        1    GTB S    'SK16    ' f/ ?_  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 "9ZID-~]  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 b*;Si7-  
        2 CTE    0.790000E-05 [.O?Z=5a[V  
        2    GTB S    'SF15    ' IpINH3odT  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR r@72|:,  
        TH    1.00000001 AIR nF54tR[  
        TH    5.00000000 ,0~^>K  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 nno}e/zqf  
        5 CTE    0.820000E-05 r54&XE]O  
        5 GTB S    'K5    ' @oNH@a j%  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR dbwe?ksh  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 `> 7; !  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 opY@RJ]  
        7 CTE    0.820000E-05 L6t+zIUc-~  
        7 GTB S    'F2    ' ^Ew]uN>,  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR nGpXI\K  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 W3]_m8,Z  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 5m*iE*+  
        9 CTE    0.820000E-05 Nh8Q b/::  
        9    GTB S    'F2    ' c&r70L,  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 (n*^4@"2  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 g-Mj.owu=  
        10 CTE    0.820000E-05 ^`*9QjY  
        10    GTB S    'K5    ' Sc>,lIM  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR WzPTFw[  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 KX76UW   
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 C\S3Gs  
        12 CTE    0.630000E-05 zjJ *n8l  
        12    GTB S    'SK16    ' VvvRRP^q  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 *i\Qo  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 B( ]M&  
        13 CTE    0.820000E-05 J4QXz[dG  
        13    GTB S    'F2    ' -l`f)0{  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR YNLV9.P6  
        14    CV    -0.00120156 N^#ZJoR  
        14    UMC    -0.10260000 )T/0S$@  
        14    TH    86.31660394 ge,H-8'Z  
        14    YMT    0.00000000 88VZR&v   
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR hU(umL<  
    END
1 9&<|qTz  
vX{J' H]u  
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
)jU)_To  
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： nc~F_i=  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
I CZ4 A{I  
    THIRD SENS '[U8}z3  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO jK!Au  
VbJiZw(aR  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY I, -hf=-  
||T2~Q*:y  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 sc|_Q/`\.  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 ?{\nf7Y  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 4zASMu  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 )hd@S9Z.Y  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 ]=.\-K  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 ;o^eC!:/%  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190  !;EjB*&  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
P<PJ)>  
B\<Q ;RI2;  
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
 +EFgE1w  
    M .001 100 A ECD5
,LTH;<zB)  
:}yi -/_8!  
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。 *meZ8DV2DH  
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。
P7J>+cm  
    THIRD SENS  :l~ I  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO 8MK>)P o)  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 VcAue!MN  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 8yRJD[/S  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 {p)",)td  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 b^ L \>3  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 ]Oh@,V8  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 * 1T&  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 l*ayd>`~x  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
oE<`VY|  
tna .52*/  
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。
y#>,+a#5  
    M 7 1 A ACT
uG?_< mun  
O>qll 6]{@  
透镜视图如下：
unshH<  
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。） 6$fHtJD:  
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。 Dakoqke  
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。 -d8TD*^  
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。 8j Mk)-  
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
K2 he4<  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
WF2}-NU"  
<!L>Exh&r  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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