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SYNOPSYS 光学设计软件课程六: 三阶像差的重要性

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。

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。

    RLE
    ID FIVE-ELEMENT LENS	124
        WAVL .6562700 .5875600 .4861300
        APS	5
        UNITS MM
        OBB	0.000000	10.00000	25.40000	-8.63996	0.00000	0.00000
    25.40000
        MARGIN	1.270000
        BEVEL	0.254001
            0	AIR
            1 RAD	73.9295960000000	TH	12.00000000
            1 N1 1.79798347 N2 1.80318130 N3 1.81530119
            1	GTB S	'LASFN30	'
            1	EFILE EX1	34.000000	34.000000	34.000000	0.000000
            1	EFILE EX2	34.000000	34.000000	0.000000
            2	RAD	-263.9335099999995	TH	5.22356650 AIR
            2	EFILE EX1	34.000000	34.000000	34.000000
            3	RAD	-81.3505230000000	TH	6.00000000
            3	N1 1.83648474 N2 1.84664080 N3 1.87201161
            3	CTE	0.830000E-05
            3	GTB S	'SF57	'
            3	EFILE EX1	31.841015	33.619003	34.000000	0.000000
            3	EFILE EX2	33.365005	33.365005	0.000000
            4	RAD	553.8617899999995	TH	19.92504900 AIR
            4	EFILE EX1	33.365005	33.365005	34.000000
            5	CV	0.0000000000000	TH	13.18557900 AIR
            6	RAD	169.2089400000000	TH	9.00000000
            6	N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733
            6	GTB S	'LAKN12	'
            6	EFILE EX1	25.241916	25.241916	25.495917	0.000000
            6	EFILE EX2	25.241916	25.241916	0.000000
            7	RAD	-83.9867310000000	TH	0.10051658 AIR
            7	EFILE EX1	25.241916	25.241916	25.495917
            8	RAD	39.2493850000000	TH	34.99484900
            8	N1 1.67418625 N2 1.67790015 N3 1.68646733
            8	GTB S	'LAKN12	'
            8	EFILE	EX1	22.063038	22.063038	22.063038	0.000000
            8	EFILE	EX2	22.063038	22.063038	0.000000
            9 RAD	-24.3037950000000	TH	3.00000000
            9 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.82772732
            9 CTE	0.810000E-05
            9	GTB S	'SF6		'
            9	EFILE	EX1	12.935701	12.935701	13.697701	0.000000
            9	EFILE	EX2	11.336482	13.443700	0.000000
            10 RAD	38.6888290000000	TH	7.79631890 AIR
            10 EFILE EX1	11.336482	13.443700	13.697701
            11 CV	0.0000000000000	TH	0.00000000 AIR
        END

让我们制作一个可以有效控制三阶像差的优化MACro。

在EE编辑器中,输入(L6M1.MAC)

    PANT
    VLIST RAD ALL
    VLIST TH ALL
    VLIST GLM 1 3 6 8 9
    END

    AANT
    M 1 1 A FNUM
    M 7.8 1 A BACK
    M	0	1	A	DELF
    M	0	1	A	SA3
    M	0	1	A	CO3
    M	0	1	A	TI3
    M	0	1	A	SI3
    M	0	1	A	PETZ
    M	0	1	A	DI3
    M	0	1	A	PAC
    M	0	1	A	SAC
    M	0	1	A	PLC
    M	0	1	A	SLC
    END

    SNAP
    SYNO 30

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。

我们运行这个MACro,得到了一个糟糕的结果!

我们用命令查看三阶像差

        THIRD
    SYNOPSYS AI>THIRD

    ID FIVE-ELEMENT LENS	179	       01-JUN-17	13:49:05
    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS
    FOCAL LENGTH	ENT PUP SEMI-APER	GAUSS IMAGE HT
            50.804		    25.400	    8.958

    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS
           SPH ABERR		COMA	TAN ASTIG	SAG ASTIG	PETZVAL DISTORTION
               (SA3)	    (CO3)		(TI3)		(SI3)		(PETZ)	(DI3(FR))
           -9.657E-06	-0.00027 -3.991E-05 -6.235E-06	1.060E-05	-0.00056
    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS
	       AX COLOR     LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT
            (PAC)          (PLC)      (SAC)        (SLC)
	       -0.00276	  -0.00027	  0.01062	  0.00112
    SYNOPSYS AI>

结果显示 这些像差非常小。那么初始透镜的像差怎么样?

    ID FIVE-ELEMENT LENS

    THIRD-ORDER ABERRATION ANALYSIS
    FOCAL LENGTH	ENT PUP SEMI-APER	GAUSS IMAGE HT
        50.800		           25.400	8.957

    THIRD-ORDER ABERRATION SUMS
        SPH ABERR		COMA	   TAN ASTIG	SAG ASTIG   	PETZVAL    DISTORTION
            (SA3)   	(CO3)		(TI3)		  (SI3)		     (PETZ)	    (DI3(FR))
           -0.01806 	-0.03730	-0.04236	-0.08744	     -0.10998	-0.01754

    PARAXIAL CHROMATIC ABERRATION SUMS
        AX COLOR    LAT COLOR   SECDRY AX   SECDRY LAT
        (PAC)        (PLC)       (SAC)       (SLC)
        -0.01215	0.01518   	0.00724	     0.00478

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。

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。

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:

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。

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。

    RLE
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO	       236
    FNAME 'L6L2.RLE	'
    MERIT	0.145212E-01
    LOG		236
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300
    APS	                4
    GLOBAL

    UNITS MM
    OBB	0.000000	5.00000	25.40000	-0.88448	0.00000	0.00000
    25.40000
        0	AIR
        1 RAD	107.5431718565176	TH	11.00000000
        1 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182
        1 CTE	0.630000E-05
        1	GTB S	'SK16	'
        2 RAD	-349.2713337442812	TH	3.00000000
        2 N1 1.69220502 N2 1.69894060 N3 1.71544645
        2 CTE	0.790000E-05
        2	GTB S	'SF15	'
        3 RAD -2.9912862137173E+05	TH	1.00000001 AIR
        TH	1.00000001 AIR
        TH	5.00000000
        5 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442
        5 CTE	0.820000E-05
        5 GTB S	'K5	'
        6	RAD	-90.4865897926554	TH	1.35282284	AIR
        7	RAD	-87.2286998720792	TH	3.00000000
        7 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204
        7 CTE	0.820000E-05
        7 GTB S	'F2	'
        8	RAD	491.7930148457936	TH	73.15839431	AIR
        9	RAD	218.6390525466715	TH	6.00000000
        9 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204
        9 CTE	0.820000E-05
        9	GTB S	'F2	'
        10 RAD	-99.1627747164714	TH	3.00000000
        10 N1 1.51981155 N2 1.52248493 N3 1.52859442
        10 CTE	0.820000E-05
        10	GTB S	'K5	'
        11	RAD	-182.3746109793576	TH	45.48880137	AIR
        12	RAD	-67.5075897018110	TH	3.00000000
        12 N1 1.61726800 N2 1.62040602 N3 1.62755182
        12 CTE	0.630000E-05
        12	GTB S	'SK16	'
        13 RAD	-40.7083005956173	TH	7.00000000
        13 N1 1.61502503 N2 1.62003267 N3 1.63207204
        13 CTE	0.820000E-05
        13	GTB S	'F2	'
        14 RAD	-832.2479524920537	TH	86.31660394 AIR
        14	CV	-0.00120156
        14	UMC	-0.10260000
        14	TH	86.31660394
        14	YMT	0.00000000
        15 CV	0.0000000000000	TH	0.00000000 AIR
    END

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 TH 6 wedge 7 tilt 5 YDC 7 YDC 9 YDC 12 YDC
Nominal 0.034 0.23 min 0.24 min. 0.0042 0.0034 0.0053 0.0086
Case A 0.091 0.67 0.42 0.011 0.009 0.011 0.011
Case B 0.112 0.87 0.89 0.015 0.018 0.025 0.014

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:

1.运行命令THIRD SENS,查看这些参数的当前值。

    THIRD SENS
    ID 8-ELEMENT TELEPHOTO

    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY

    SS	OF	SA3 BY SURFACE (SAT) =		85.107903
    SS	OF	CO3 BY SURFACE (COT) =		21.404938
    SS	OF	CO3/YDC BY SURFACE (ACD)	=	0.007657
    SS	OF	CO3/TILT BY SURFACE (ACT)	=	73.889722
    SS	OF	CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)	=	0.003941
    SS	OF	CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)	=	31.259708
    SS	OF	SA3 BY ELEMENT (ESA) =		1.944190
    SS	OF	CO3 BY ELEMENT (ECO) =		0.492351

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

    M .001 100 A ECD

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。

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。

    THIRD SENS
        ID 8-ELEMENT TELEPHOTO
        NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY
        SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =	    7.027782
        SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =	    4.876613
        SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =	0.001649
        SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) =	19.621736
        SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)	=	 0.001064
        SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) =	 8.602740
        SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =	     0.185606
        SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =	     0.127624

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。

    M 7 1 A ACT

透镜视图如下:

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。)

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。

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。

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。

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

    M 0 .1 A SECTION SA3 13 14

并尝试目标和权重直到获得最佳效果。