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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

HVa9b;  
Bsa;,  
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。 aE~T!h  
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。

[Hh*lKg  
    RLE 9]eG |LFD  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 ?UsCSJ1V  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 )LGVR 3#  
        APS    5 \Oq2{S x\  
        UNITS MM Mt.Cj;h@^[  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 +La2-I  
    25.40000 _=HaE&  
        MARGIN    1.270000 cZVx4y%kz  
        BEVEL    0.254001 pX &bX_F{  
            0    AIR z"f@iJX?2  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 riW9l6s'  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 DO~ D?/ia  
            1    GTB S    'LASFN30    ' 'V]C.`9c  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 ~vXbh(MX  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 f1vD{M ;  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR )0/9 L  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 |enLv12Gm  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 Ar<5UnT  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 8:0/Cj  
            3    CTE    0.830000E-05 J%?5d:iN+  
            3    GTB S    'SF57    ' }uma<b  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 I8XP`Ccq  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 ,:mL\ZED  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR $b`nV4p  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 t+v %%N_  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR # scZP  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 Y"lEMY  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 @T^FOTW  
            6    GTB S    'LAKN12    ' _:[@zxT<x  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 ,IB\1#  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 /Bt!xSI  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR ),yar9C  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 {&+M.Xn  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 NF0_D1Goi  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 \Y!#Y#c  
            8    GTB S    'LAKN12    ' |$\K/]q -  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 /3M8 ;>@u  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 >@7$=Y>D  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 [W3X$r~-  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 /0}Z>i K  
            9 CTE    0.810000E-05 \ ku5%y  
            9    GTB S    'SF6        ' r#OPW7mhE  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 [mzed{p]]  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 h/n(  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR ) A:h  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 1)k+v17]f5  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR (iq>]-=<  
        END
~vz%I^xW  
+(2$YJ35  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 nF'YG+;|@  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
Ry >y  
    PANT ^i|R6oO_5  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL l:'#pZ4T  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END ^2- <XD)  
36Lkcda[  
    AANT q;,lv3I  
    M 1 1 A FNUM G%sq;XT61  
    M 7.8 1 A BACK %rrA]\C'  
    M    0    1    A    DELF ,!_6X9N-h  
    M    0    1    A    SA3 X.>=&~[  
    M    0    1    A    CO3 *b>RUESF  
    M    0    1    A    TI3 TR3U<:  
    M    0    1    A    SI3 Zp)=l Td  
    M    0    1    A    PETZ %>$<s<y  
    M    0    1    A    DI3 2{?]W/&fS  
    M    0    1    A    PAC "r46Rfa  
    M    0    1    A    SAC ]mMJ6n  
    M    0    1    A    PLC &IN%2c  
    M    0    1    A    SLC jMn,N9Mf  
    END E[t0b5h  
k&ooV4#f6  
    SNAP K.xABKPVc  
    SYNO 30
>$'z4TC\T  
41<~_+-@  
该MACro将改变所有设计变量并控制F/number ，离焦和后焦距，并同时以三阶像差校正为零作为目标。 输入VLIST RAD ALL将改变所有半径，VLIST TH ALL将改变所有厚度和空气间隔，本例中我们不建议使用VLIST GLM ALL命令，因为该命令将会改变透镜的材料，在这个例子中，我们必须单独声明表面。 "jAd.x?X7e  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
p XXf5adl<  
我们用命令查看三阶像差
#DgHF*GG+>  
        THIRD *|S6iSn9R!  
    SYNOPSYS AI>THIRD 0{b} 1D  
sex\dg<  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 {V/>5pz4e  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS C7S\4rDJ  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT dCi:@+z8  
            50.804            25.400        8.958 6C&&="uww  
'$OUe {j<  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS 3'.@aMA@  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION J- S.m(  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) 1<G+KC[F  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 o{y}c->  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS K ~mUO  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT ZjmQ  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) jTR?!Mt0  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 74M9z  
    SYNOPSYS AI>
jM\{*!7b  
SyVGm@  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
E<\$3G-do  
    ID FIVE-ELEMENT LENS qf(mJlU  
U|3!ixk>>w  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS ~bZ =]i  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT 1x|3|snz)  
        50.800                   25.400    8.957 o=YOn&@%  
\Sd8PGl*'  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS % [$HX'Y  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION LJ[zF~4#  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) n.+'9Fj  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 F(hPF6Zx(  
M<Wi:r:  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS X6cn8ak 3  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT w&?XsO@0W  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) I uxf`sd  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
q2X::Yqk  
e\C-a4[C8P  
这些像差要大得多 - 但初始透镜性能要好得多！ 所以在像差平衡方面，不要试图将像差校正到极端状态。 R->x_9y-R  
一般人们在设计透镜时，通常只关心两件事：图像是否清晰，是否在正确的位置。 `xzKRId0  
然而，这些三阶像差在降低公差敏感度上有很重要的作用。 这是因为，当透镜制造偏差越大，三阶像差变化最快。 因此，我们定义了一组可以放入AANT文件的八个定义像差的命令： vntJe^IaFd  
SAT COT ACD ACT ECD ECT ESA ECO
SAT表面对球差的贡献的平方和SA3。
COT表面对慧差贡献的平方和CO3。
ACD每个表面偏心时CO3变化量的平方和。
ACT每个表面倾斜时CO3变化量的平方和。
ECD每种元件偏心时CO3变化量的平方和。
ECT每个元件倾斜时CO3变化量的平方和。
ESA元件对球差的贡献的平方和SA3。
ECO元件对慧差贡献的平方和CO3。
`r}_92Tt  
以下是如何使用这些像差来放宽透镜公差的示例。 我们优化了下面所示的透镜，并以目标波前权重0.05运行BTOL。
Y]([K.I=  
    RLE -LiGO#U  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 B!/kC)bF:  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' 8b?nr;@  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 8lV:-"+5  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 #tR:W?!  
    APS    4 W p)!G  
    GLOBAL i pn-HUrE@  
i%9vZ  
    UNITS MM WRD z*Zf  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 eaFkDl  
    25.40000 `Xos]L'w  
        0    AIR T!H(Y4A  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 3wv@wqx  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 ]pvHsiI:  
        1 CTE    0.630000E-05 {}$rN@OM$  
        1    GTB S    'SK16    ' G^ GIHdo  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 "IU}>y>J  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 9Rk(q4.OP  
        2 CTE    0.790000E-05 `NQ  
        2    GTB S    'SF15    ' *W8n8qG%T  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR +S{m!j%B  
        TH    1.00000001 AIR L"'=[O~  
        TH    5.00000000 BHY-fb@R]H  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 WVeNO,?ytS  
        5 CTE    0.820000E-05 QG*hQh  
        5 GTB S    'K5    ' 3?B1oIHQ  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR ^(TCUY~f&  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 lW c[Q1  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 edMCj  
        7 CTE    0.820000E-05 d7kE}{,  
        7 GTB S    'F2    ' Gt*<Awn8  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR 'b.jKkW7  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 Xgx/ubca0  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 \uTlwS  
        9 CTE    0.820000E-05 US)i"l7:H*  
        9    GTB S    'F2    ' k\O<pG[U  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 M1eh4IVE?  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 1R}9k)JQ  
        10 CTE    0.820000E-05 T)e2IXGN  
        10    GTB S    'K5    ' <ci(5M  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR m^oG9&";  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 _AF$E"f@  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 Q qF<HCO  
        12 CTE    0.630000E-05 4vL\t uoz  
        12    GTB S    'SK16    ' _zDS-e@  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 Gs~eRcIB  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 Lz1KDXr`)+  
        13 CTE    0.820000E-05 S!A:/(^WB  
        13    GTB S    'F2    ' V<WWtu;3  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR drAJ-ii  
        14    CV    -0.00120156 (.$$U3\  
        14    UMC    -0.10260000 Ei:m@}g  
        14    TH    86.31660394 WblH}  
        14    YMT    0.00000000 N_ ODr]L  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR Vl$RMW@Ds  
    END
3DO*kM1s@  
2(!W 9#]  
一些公差降低得非常快速，如下表所示，其中标称数据是针对此透镜的。
　3 TH6 wedge7 tilt5 YDC7 YDC9 YDC12 YDC
Nominal0.0340.23 min0.24 min.0.00420.00340.00530.0086
Case A0.0910.670.420.0110.0090.0110.011
Case B0.1120.870.890.0150.0180.0250.014
w(bvs&`{uC  
将透镜位置保持公差很紧导致制造成本将会很昂贵。（看看表面7上的中心公差。）所以我们按如下方式进行： J <z ^C  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
#^RIp>NN9  
    THIRD SENS <&[`  +  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO ]A[}:E 5}  
.~I:Hcf/  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY >0SG]er@  
"zw{m+7f,  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 n5"i'o{w  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 " :e <a?  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 yE N3/-S+  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 Pjq9BK9p  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 @B0fRG y  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 5q4wREh  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 ~Q"qz<WO  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
rui 8x4c  
EiD41N  
2.由于我们主要关注中心误差，我们可能会尝试降低ECD的值，即当元件偏心变化时，CO3的变化。 让我们添加到AANT文件（在L6M2.MAC中）的行
MX*4d{l  
    M .001 100 A ECD5
I.t)sf,  
Gmu[UI}w8  
由于ECD已经是一个很小的数字（与列表中的其他数字相比），我们给它一个很高的权重，因此它对评价函数产生了影响。 请记住，我们不能简单地将所有这些值都定为零，因为通常不能设计没有任何像差的透镜元件，并且没有光焦度。 而且，这些量以不明显的方式耦合。 例如，如果减少SAT的值，您可能会发现COT也变小了。 IHW s<U  
你不能给他们各自分配一个独立的值，并期望程序可以自己找到这样的组合。 因此，明智的做法是一次一个地进行，直到找到最适合您透镜的参数。 在这个例子中，控制ECD的值，即可得到透镜。
\gT({XU?  
    THIRD SENS }qGd*k0F0  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO s-6$C  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 ,I|^d.[2  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 ~rrl" a>  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 WTD86A  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 iPCn-DoIS  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 KD\%B5Jy  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 V,zFHXO  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 }x6)}sz7  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
xGOmvn^lQ  
PQi(Oc  
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。
>8>s K(S]  
    M 7 1 A ACT
[#aJ- Uu  
i%i s<'  
透镜视图如下：
EFU)0IAL[  
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。） @@3 NSKA  
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。 _TdH6[9  
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。 2I suBX\[  
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。 &n?RKcH}d  
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
H9;IA>  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
:V6t5I'_  
/V/ )A\g  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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