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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

{$bAs9L  
B-|:l 7  
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。 C^K?"800  
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。

?%i|].<-'  
    RLE <tMiI)0%  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 4&!`Yi_1L  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 ]}i_NqW)  
        APS    5 <<6i6b  
        UNITS MM Dsw(ti`@  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 f}Eoc>n  
    25.40000 acdaDY  
        MARGIN    1.270000 0diQfu)Fi  
        BEVEL    0.254001 NwIl~FNK  
            0    AIR c>:}~.~T  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 'D-eFJ5  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 NjMbQ M4  
            1    GTB S    'LASFN30    ' YU9xANi6  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 y+_G L=J  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000 =S4_^UY;  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR D0v!fF ~  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 z^gf@r  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 {kD|8["Ie'  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 `8\ _ ]w0  
            3    CTE    0.830000E-05 @E{c P%fv  
            3    GTB S    'SF57    ' {vx{Hwyv  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 aU<0<Dx  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 GQ[: vX`  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR j0>S)Q  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 <oS2a/Nd  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR qtnLQl"M  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 ah>;wW!6/  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 i d\0yRBt  
            6    GTB S    'LAKN12    ' )3=oS1p  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 J1cD)nM<A  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 h2`W~g_  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR RvZi%)  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 2shr&M fp[  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 QY8I_VF  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 r4@!QR<h  
            8    GTB S    'LAKN12    ' ?9mFI(r~  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 pR4{}=g,  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 T#DJQ"$  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 'C]zB'H=  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 &dp(CH<De  
            9 CTE    0.810000E-05 ;-~ Wfh+  
            9    GTB S    'SF6        ' 8b8ui  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 :iD( [V  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 :aV(i.LW  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR Q%o ]&Hdn  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 sEt5!&  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR W @Y$!V<  
        END
Wy.2*+5FX0  
>k<.bEx(A  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 -_[n2\|we)  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
tbJB0T|G  
    PANT 2P`hdg  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL J_ ?;On5  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END =SA@3)kHH  
bmr.EB/  
    AANT yBXdj`bV  
    M 1 1 A FNUM A7>0Pn%D3  
    M 7.8 1 A BACK H^_[nL  
    M    0    1    A    DELF 7G.IGXK$  
    M    0    1    A    SA3 K||9m+  
    M    0    1    A    CO3 uhSRl~tn  
    M    0    1    A    TI3 x$QOOE]  
    M    0    1    A    SI3 NC)Iu  
    M    0    1    A    PETZ j +\I4oFN  
    M    0    1    A    DI3 (5]<t&M  
    M    0    1    A    PAC 1/c7((]7(,  
    M    0    1    A    SAC AH{]tE  
    M    0    1    A    PLC  poGF  
    M    0    1    A    SLC ` :eXXE  
    END 1Y$ gt  
s+YQ :>F  
    SNAP ?k<i e2  
    SYNO 30
q+.DZ @  
PCF!Y(l  
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。 EpB2?XGA  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
t%Vc1H2}  
我们用命令查看三阶像差
x[U/ 8#f&  
        THIRD 6]^ShOX_Z  
    SYNOPSYS AI>THIRD %Ui&SZ\  
/)ps_gM  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 fWhwI+  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS xgn@1.}G  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT NVU@m+m~  
            50.804            25.400        8.958 d@#!,P5 `  
Rx<m+=  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS AWsO? |YT  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION !*HH5qh6  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) j2\bCGY  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 .xS3,O_[  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS >p [|U`>{  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT -^]8w QU  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) <e-9We."  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 0+jR,5 |  
    SYNOPSYS AI>
|6'(yn  
6+u}'mSj8  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
X1?7}VO  
    ID FIVE-ELEMENT LENS HhDiGzOSi  
+kP)T(6  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS e` Z;}& ,  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT }u:@:}8K  
        50.800                   25.400    8.957 _p<W  
,V'+16xW  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS hNgbHzW  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION )8VrGg?  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) !G =!^RA  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 ukHSHsR  
3B!lE(r%J  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS =># S7=  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT T4dLuJl  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) Aw9se"d  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
^BIB'/Kh)  
n[8ju,=  
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。 zs|R#?a=  
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。 M }=X/*T  
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： 4Xt.}S!  
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。
^ZV1Ev8T6  
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。
H^z6.!$m  
    RLE ,e$]jC<sv2  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 &6<>hqR^  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' ]Q1?Ox:'  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 <wWZ]P 2]  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 dZcRLLR  
    APS    4 DjY&)oce(  
    GLOBAL -x)Oo`  
x O?w8*d  
    UNITS MM x>:~=#Vi  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 vVB8zS~l ,  
    25.40000 t`=TonLb8  
        0    AIR Lf0Y|^!S_u  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 "#1KO1@G  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 c-3-,pyM_T  
        1 CTE    0.630000E-05 "[M,PI!B  
        1    GTB S    'SK16    ' H8.Aq\2S  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 ZGO% lkZ.  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 \) DJo  
        2 CTE    0.790000E-05 ?# ~3%$>  
        2    GTB S    'SF15    ' aVkgE>  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR 9n4vuBgv  
        TH    1.00000001 AIR dd1CuOd6(1  
        TH    5.00000000 4M4Y2f BH  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442  h0}r#L  
        5 CTE    0.820000E-05 '-C%?*ku  
        5 GTB S    'K5    ' !SRElb A;i  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR &Ui*w%  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 wJ#fmQXKJ5  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 -OV:y],-  
        7 CTE    0.820000E-05 ^ [FK<9  
        7 GTB S    'F2    ' z H$^.1  
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR (ndXz  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 "<['W(  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 qJV2x.!  
        9 CTE    0.820000E-05 t8SvU  
        9    GTB S    'F2    ' %c+`8 wj  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 @ 3n;>oi  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 |NuX9!S  
        10 CTE    0.820000E-05 :yg:sU  
        10    GTB S    'K5    ' .U}"ONd9e  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR o[Ojl .r<  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 J)(KGdk  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 zgre&BV0q  
        12 CTE    0.630000E-05 ^na8d's:  
        12    GTB S    'SK16    ' c%|K x  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 t!}QG"ma  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 2stBW5v3  
        13 CTE    0.820000E-05 F3d: W:^_  
        13    GTB S    'F2    ' j"G1D-S:  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR %#5\^4$z|N  
        14    CV    -0.00120156 (4:&tm/;  
        14    UMC    -0.10260000 Kf=6l#J7  
        14    TH    86.31660394 ]x)^/ d  
        14    YMT    0.00000000 Gg'sgn   
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR f@JMDJ  
    END
w=e_@^Fkx  
VN3"$@-POK  
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
Z8vMVo  
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： BhAWIH8@C  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
n*(9:y=l1  
    THIRD SENS RbOEXH*]  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO Ih Yso7g  
hA?Flq2QV  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY #kGgz O  
Kjw==5)}  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 n8h1S lK08  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 T"h@-UcTl  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 FYwMmb ~3  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 _xKuEU}  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 h=?V)WSM  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 Rgstk/1  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 ojmF:hR"  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
nK!yu?mS  
[N@t/^gRC  
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
^nO0/nqz]  
    M .001 100 A ECD5
5Z8Zb.  
.qd/ft2  
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。 R_DstpsT  
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。
 f$7Xh~  
    THIRD SENS Uz4!O  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO a:q>7V|%$  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 cj[a^ ZH  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 c+BD37S  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 OBnf5*eJ  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 R #f*QXv  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 F.rNh`44  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 \*a7o GyH>  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 xYmh{Vc8  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
Q>ZxJ!B<k  
|2L|Zp&  
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。
@Sr{6g*I  
    M 7 1 A ACT
`7D]J*?`  
W?>C$_p C  
透镜视图如下：
k?bIu  
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。） (&Kv]--  
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。 lRk)  
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。 ,H)v+lI  
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。 CI#6 r8u  
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
i]cD{hv  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
bHKTCPf  
;c/|LXc\  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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