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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

5]pvHc  
f?vbIc`  
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。 sG{fxha  
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。

OSreS5bg  
    RLE dt&m YSZ}  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    124 Yuo:hF\DH  
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300 3,`I\>No  
        APS    5 oGt,^!V1  
        UNITS MM mq 0d ea  
        OBB    0.000000    10.00000    25.40000    -8.63996    0.00000    0.00000 *\Z9=8yK  
    25.40000 gySCK-(y  
        MARGIN    1.270000 T_iX1blrgh  
        BEVEL    0.254001 QS7<7+  
            0    AIR dRj2% Q f  
            1 RAD    73.9295960000000    TH    12.00000000 c12mT(+-  
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119 (D2G.R\pr  
            1    GTB S    'LASFN30    ' Z~R7 G  
            1    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000    0.000000 e}lF#$  
            1    EFILE EX2    34.000000    34.000000    0.000000  FZL"[3  
            2    RAD    -263.9335099999995    TH    5.22356650 AIR sg YPR  
            2    EFILE EX1    34.000000    34.000000    34.000000 jW]Q-  
            3    RAD    -81.3505230000000    TH    6.00000000 `CpfQP&^  
            3    N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161 `Iwl\x[A  
            3    CTE    0.830000E-05 u@&e{w~0  
            3    GTB S    'SF57    ' <pA%|]  
            3    EFILE EX1    31.841015    33.619003    34.000000    0.000000 'q>2WP|UY9  
            3    EFILE EX2    33.365005    33.365005    0.000000 xER-TT #S  
            4    RAD    553.8617899999995    TH    19.92504900 AIR `qoRnG  
            4    EFILE EX1    33.365005    33.365005    34.000000 DVJuX~'|!  
            5    CV    0.0000000000000    TH    13.18557900 AIR z)tULnR8  
            6    RAD    169.2089400000000    TH    9.00000000 +O$`8a)m  
            6    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 arK(dg~S  
            6    GTB S    'LAKN12    ' HxUJ 0Q  
            6    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917    0.000000 z)%Ke~)<\@  
            6    EFILE EX2    25.241916    25.241916    0.000000 } H#C<:A  
            7    RAD    -83.9867310000000    TH    0.10051658 AIR 3+[;  
            7    EFILE EX1    25.241916    25.241916    25.495917 r:{;HM+  
            8    RAD    39.2493850000000    TH    34.99484900 )6 U6~!k  
            8    N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733 /1@py~ZX  
            8    GTB S    'LAKN12    ' ^8.s"4{  
            8    EFILE    EX1    22.063038    22.063038    22.063038    0.000000 F\u]X  
            8    EFILE    EX2    22.063038    22.063038    0.000000 %-?k [DL6  
            9 RAD    -24.3037950000000    TH    3.00000000 P5Bva  
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732 -HwqR Y s  
            9 CTE    0.810000E-05 )7c/i+FsC  
            9    GTB S    'SF6        ' Kz~E"?  
            9    EFILE    EX1    12.935701    12.935701    13.697701    0.000000 ?,}:)oA_  
            9    EFILE    EX2    11.336482    13.443700    0.000000 hZIbN9)8A  
            10 RAD    38.6888290000000    TH    7.79631890 AIR i/{dD"HwM  
            10 EFILE EX1    11.336482    13.443700    13.697701 mUan(iJ  
            11 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR /07iQcT(  
        END
u+lNcyp"MW  
<) cJz  
让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。 zK_Q^M`  
在EE编辑器中，输入（L6M1.MAC）
,NAwSmocVP  
    PANT _|r/* (hh  
    VLIST RAD ALL VLIST TH ALL  h3 e %(a  
    VLIST GLM 1 3 6 8 9 END `\beQ(g  
?`= <*{_o  
    AANT {K N7Y"AI  
    M 1 1 A FNUM ZAJ~Tbm[f  
    M 7.8 1 A BACK RH9P$;.7  
    M    0    1    A    DELF XqLR2 d  
    M    0    1    A    SA3 &8;Fi2}(L  
    M    0    1    A    CO3 uS<og P  
    M    0    1    A    TI3 QsX`IYk  
    M    0    1    A    SI3 <<DPer2  
    M    0    1    A    PETZ Ts\PZQ!q  
    M    0    1    A    DI3 v65]$%F?  
    M    0    1    A    PAC EG8%X"p  
    M    0    1    A    SAC |Ed?s  
    M    0    1    A    PLC FM=XoMP q  
    M    0    1    A    SLC i"0*)$ h W  
    END WN $KS"b6}  
j/8q  
    SNAP ?7#{#sj  
    SYNO 30
Xz?7x0)Z  
U#x`u|L&6  
该MACro将改变所有设计变量并控制F/number ，离焦和后焦距，并同时以三阶像差校正为零作为目标。 输入VLIST RAD ALL将改变所有半径，VLIST TH ALL将改变所有厚度和空气间隔，本例中我们不建议使用VLIST GLM ALL命令，因为该命令将会改变透镜的材料，在这个例子中，我们必须单独声明表面。 oj=% < a  
我们运行这个MACro，得到了一个糟糕的结果！
(zPsA  
我们用命令查看三阶像差
9ec>#Vxx  
        THIRD B?db`/G9  
    SYNOPSYS AI>THIRD DaBy<pGb?  
ta@fNS4  
    ID FIVE-ELEMENT LENS    179    01-JUN-17    13:49:05 |hS^eK_  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS e6>[ZC  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT ;Kh[6{W  
            50.804            25.400        8.958 g)ofAG2  
@X2zIFm  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS -k  }LW4  
    SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION 8M0<:p/  
          (SA3)        (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) 6>3zD)tG  
    -9.657E-06    -0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06    1.060E-05    -0.00056 y:  ]  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS .E 9$j<SP-  
    AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT WOeG3jMz?  
    (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC) E#A}2|7,g  
    -0.00276      -0.00027      0.01062      0.00112 S\ K[l/  
    SYNOPSYS AI>
hh$i1n  
(tF/2cZk  
结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样？
-UWyBM3c@  
    ID FIVE-ELEMENT LENS _PLZ_c:O  
yjOZed;M  
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS pJ x H  
    FOCAL LENGTH    ENT PUP SEMI-APER    GAUSS IMAGE HT /uPMzl  
        50.800                   25.400    8.957 @nnX{$YX  
\'X-><1  
    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS sHPlNwyy  
        SPH ABERR        COMA    TAN ASTIG    SAG ASTIG    PETZVAL DISTORTION /IG3>|R  
            (SA3)       (CO3)        (TI3)        (SI3)        (PETZ)    (DI3(FR)) E*yot[kj  
        -0.01806    -0.03730    -0.04236    -0.08744    -0.10998    -0.01754 _ t.E_K  
 wH\ K'/  
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS a *bc#!e  
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT f*EDSJu\  
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC) VrKLEN\  
        -0.01215    0.01518       0.00724         0.00478
W6)XMl}n  
Sq5}v]k@&  
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。 1lsg|iVz  
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:I  
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： a ~k*Gd(  
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。
OTEx9  
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。
u$ vLwJ|o  
    RLE BA9;=orx  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO    236 Qqd+=mgc  
    FNAME 'L6L2.RLE    ' SwO8d;e  
    MERIT    0.145212E-01 LOG        236 BPy pA $  
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 qvs[Gkaa@  
    APS    4 IFXnGDG$  
    GLOBAL ?U,XyxN  
q#0yu"<  
    UNITS MM wh3Wuh?x  
    OBB    0.000000    5.00000    25.40000    -0.88448    0.00000    0.00000 ^J@ Xsl  
    25.40000 F3nPQw{;  
        0    AIR ?'$} k  
        1 RAD    107.5431718565176    TH    11.00000000 CbMClnF  
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 @iVEnb.'  
        1 CTE    0.630000E-05 cMfnc.P\K  
        1    GTB S    'SK16    ' [5]* Be  
        2 RAD    -349.2713337442812    TH    3.00000000 ^izf&W.j!  
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645 oTeQY[%$  
        2 CTE    0.790000E-05 >SS979  
        2    GTB S    'SF15    ' Egl1$,e  
        3 RAD -2.9912862137173E+05    TH    1.00000001 AIR <$ %Y#I'zX  
        TH    1.00000001 AIR fM<g++X  
        TH    5.00000000 } d7o-  
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 U6M&7 l8  
        5 CTE    0.820000E-05 } ejc  
        5 GTB S    'K5    ' L ~$&+g  
        6    RAD    -90.4865897926554    TH    1.35282284    AIR D|8h^*Ya  
        7    RAD    -87.2286998720792    TH    3.00000000 wHErF #xo  
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 6o GF6C  
        7 CTE    0.820000E-05 rzKn5Z  
        7 GTB S    'F2    ' Wp=:|J   
        8    RAD    491.7930148457936    TH    73.15839431    AIR s`L>mRw`  
        9    RAD    218.6390525466715    TH    6.00000000 HF%)ip+  
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 !?m8UE  
        9 CTE    0.820000E-05 HTP~5J  
        9    GTB S    'F2    ' M5B?`mTl  
        10 RAD    -99.1627747164714    TH    3.00000000 T) cbpkH4  
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442 3]/Y= A  
        10 CTE    0.820000E-05 t2z@"e   
        10    GTB S    'K5    ' c6HH%|  
        11    RAD    -182.3746109793576    TH    45.48880137    AIR ;4(FS  
        12    RAD    -67.5075897018110    TH    3.00000000 ,,(BW7(  
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182 _MGhG{p7t  
        12 CTE    0.630000E-05 x;/%`gKn8  
        12    GTB S    'SK16    ' u=B,i#>s  
        13 RAD    -40.7083005956173    TH    7.00000000 ;Z#DB$o\  
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204 mvBUm-X  
        13 CTE    0.820000E-05 K-7i4 ~  
        13    GTB S    'F2    ' V, e  
        14 RAD    -832.2479524920537    TH    86.31660394 AIR b .v^:M  
        14    CV    -0.00120156 zC$(/nZ  
        14    UMC    -0.10260000 }!Xj{Eoc  
        14    TH    86.31660394 yl~h `b4  
        14    YMT    0.00000000 tJ9`Ys  
        15 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR ,:/3'L  
    END
51x)fZQ  
,9ZN k@q  
一些公差降低得非常快速，如下表所示，其中标称数据是针对此透镜的。
　3 TH6 wedge7 tilt5 YDC7 YDC9 YDC12 YDC
Nominal0.0340.23 min0.24 min.0.00420.00340.00530.0086
Case A0.0910.670.420.0110.0090.0110.011
Case B0.1120.870.890.0150.0180.0250.014
W_G'wU3R  
将透镜位置保持公差很紧导致制造成本将会很昂贵。（看看表面7上的中心公差。）所以我们按如下方式进行： 24/ ^_Td  
1.运行命令THIRD SENS，查看这些参数的当前值。
.JL?RH2@8  
    THIRD SENS (yi{<$ U*  
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO 2;=xH t  
:S{+|4pH  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY v"smmQZik  
=ZN~*HLl}  
    SS    OF    SA3 BY SURFACE (SAT) =        85.107903 *.Ceb%W7C  
    SS    OF    CO3 BY SURFACE (COT) =        21.404938 6}e"$Ee}9  
    SS    OF    CO3/YDC BY SURFACE (ACD)    =    0.007657 fwi( qx1=}  
    SS    OF    CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    73.889722 `}f wR  
    SS    OF    CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.003941 NX:i]t  
    SS    OF    CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    31.259708 SiQszV.&  
    SS    OF    SA3 BY ELEMENT (ESA) =        1.944190 [0mg\n?  
    SS    OF    CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.492351
= eDi8A*~  
j]5bs*G  
2.由于我们主要关注中心误差，我们可能会尝试降低ECD的值，即当元件偏心变化时，CO3的变化。 让我们添加到AANT文件（在L6M2.MAC中）的行
) %&~CW+  
    M .001 100 A ECD5
m%km@G$  
{QTnVS't 0  
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。 B>M@'  
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。
@s;qmBX4  
    THIRD SENS J.QFrIB{]+  
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO KPSHBv-#  
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =    7.027782 k),.  
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =    4.876613 \`M8Mu9~w  
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =    0.001649 &?#G)suP  
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =    19.621736 /<$\)|r  
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.001064 Grw|8xN0t  
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =    8.602740 ,P9q[  
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =    0.185606 YCd[s[  
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =    0.127624
v5;V$EGD&  
qKg*/)sD(  
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。
5u-jjUO  
    M 7 1 A ACT
fSFb)+  
Vyqj)1Z8>  
透镜视图如下：
Qs5^kddz=  
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。） B#T4m]E/  
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。 OWRT6R4v  
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。 e1 j3X\ \  
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。 9c@."O`  
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
09SLQVo  
    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14
z.q^`01/H  
r#%z1u  
并尝试目标和权重直到获得最佳效果。
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