三階像差的案例
SYNOPSYS?光學設計軟件----三階像差
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概述
C10L1.RLE透鏡的三階像差
THIRD三階像差參數
C10M1.MAC優化后三階像差
三階像差結論
降低公差靈敏度
THIRD SENS降低公差靈敏度參數
設置工作目錄
選擇Dbook工作目錄
參考Donald Dilworth《Lens Design Automatic and quasi-autonomous computational methods and techniques》第10章
二維圖
FETCH C10L1.RLE
三階像差
THIRD
三階像差參數
SA3是三階球差
CO3是子午彗差
TI3是子午象散
SI3是弧失象散
PETZ是Petzval場曲
DIS(FR)是畸變
PAC主要軸向色差
PLC主要橫向色差
SAC次要軸向色差
SLC次要橫向色差
優化
點擊Open MACro按鈕
打開C10M1.MAC，點擊Open
點擊Run按鈕
三階像差
THIRD
UMC求解表面6的曲率半徑，0.1111是0.5/4.5，4.5為F/number，負號是因為邊緣光線在像平面下降。
三階像差結論
更大的三階像差提供更好的透鏡。
在像差平衡方面，不要試圖猜測程序。
當你設計一個鏡頭時，你通常只關心兩件事： 圖像是否清晰，是否在正確的位置？
降低公差靈敏度
FETCH C10L2
THIRD SENS
THIRD SENS
SENS的意思是程序將評估某些像差組合，其中一些顯示像差對傾斜或偏心的敏感性。
展開 短焦距水下廣角監控鏡頭設計 | SYNOPSYS 光學設計軟件第78課
選擇默認的評價函數，對其一階特性、F數等參數進行優化，同時控制邊緣厚度、中心厚度，進行模擬退火以達到全局最小值，結果如下圖。
一階特性基本達到要求后，對其像質進行優化。查看其三階像差，發現其畸變與像散較高，且MTF曲線較差。先對三階像差進行優化，直到三階像差數值降到小數點后一位。
像差優化完成后，開始優化MTF。選擇使用GSO指令對波相差進行優化，并保留對F數及畸變的約束，并進行模擬退火。直到0視場和0.5視場的MTF曲線呈現出比較好的結果。
此時，MTF曲線還有0視場的結果比較差，更改為評價函數10，使用GSHEAR，繼續進行優化和模擬退火。
當所有視場的MTF曲線都呈現良好結果時，在命令窗口輸入 MRG ，插入真實玻璃，選擇成都光明玻璃庫。
最后結果圖如下：
查看各項參數，達到設計要求。
至此，短焦距水下廣角鏡頭的初步設計完成。各位讀者可以自行嘗試本案例的搭建，也可以嘗試通過縮短總長，減少非球面數來設計更優秀的鏡頭結構，感謝閱讀。
展開 FRED：平凸透鏡球差分析
如何查看三階像差賽德爾系數大小：
我們這里利用近軸分析工具“paraxial analysis”,可以計算系統的一階和三階系數。
1. 首先我們自定義光線路徑Ray trace/user –defined ray paths，
光線按照序列追跡走向分別經過面1-面2-像平面
首先必須要給路徑命名，其次是注意元件序列追跡的順序以及光線通過每一面的光線屬性控制，此例子中我們是允許光線在透鏡面透過，因此我們選擇鏡像透射，并在像平面處停止。
2. 創建完成后，我們點擊Analyses/ paraxial analysis
注意創建之前我們需要修改表面0的半孔徑值：0.0001改為無限遠的物點
點擊Third Order,
第一列即為三階球差貢獻量。
總結：
到此球差分析就結束了，FRED提供的分析工具最多可分析到三階像差，對于高階球差的分析則需要自定義腳本，畢竟FRED不是專門透鏡設計軟件，它可以導入zemax等光學軟件設計好的結構。
展開 自動刪減元件|SYNOPSYS光學設計軟件第90課
接著，先注釋 AED指令，然后對新的鏡頭結構進行一個初步的優化，最終得到:
鏡頭文件：
請聯系工作人員獲取
如上的結果圖，三階像差，MTF 和 RMS 光斑半徑相較之前沒有太大的變化，成像質量也在要求范圍內，我們成功的用三片的鏡頭達到了要求，這會在制作時減少工序和降低成本。
SYNOPSYS 光學設計軟件課程五十七：關于AEI的練習與使用
wx_fmt=png&from=appmsg" width="354"></p><p>如上的結果圖，三階像差，MTF 和 RMS 光斑半徑相較之前都得到了較好的提升，整個鏡頭的成像質量也得到了提升。</p><p><br></p>
平凸透鏡球差分析
</p><p><strong>如何查看三階像差賽德爾系數大小</strong>：</p><p>我們這里利用近軸分析工具“paraxial analysis”,可以計算系統的一階和三階系數。</p><p>1. 首先我們自定義光線路徑Ray trace/user –defined ray paths，</p><p>光線按照序列追跡走向分別經過面1-面2-像平面</p><p class="ql-align-center"><img src="https://q7.itc.cn/images01/20250721/f5e696bd99ff48a2847f6a16350b52f3.png" height="247" width="607"></p><p>首先必須要給路徑命名，其次是注意元件序列追跡的順序以及光線通過每一面的光線屬性控制，此例子中我們是允許光線在透鏡面透過，因此我們選擇鏡像透射，并在像平面處停止。</p><p>2.
展開 光學工程仿真軟件FRED
FRED共有三個版本：FRED Standard擁有軟件基本功能；FRED Optimum除了有Standard版本所有功能外，還具備優化功能和分布式計算的功能，計算速度更快；FRED MPC除了有Optimum版本所有的功能外，還能利用GPU進行計算，其計算速度是其他兩個版本的100倍！
應用領域
FRED 運用的領域非常廣泛，只要是幾何光學可分析的系統皆可使用 FRED 來分析、模擬。常見的應用領域為：照明系統、導光管、投影系統、激光、干涉、雜散光、鬼影分析、生物醫學、其它光學系統原型之系統設計等等，無論是簡易或是復雜的成像與非成像系統結構，FRED都可以準確的建構及分析。
功能特性
? 序列與非序列光線追跡
? 全面透析光機系統設計
? 照明與非成像系統設計
? 雜散光與鬼像分析
? 相干光束傳播模擬
? 成像系統設計和實際場景渲染
? 自發熱輻射分析
? 公差分析與系統調試
FRED主要功能
? 可進行PSF、MTF、點列圖、三階像差、光程差、雜散光路徑、重點采樣、鬼像、PST與關鍵被照面、衍射、冷反射、紅外熱成像分析。
? 真實三維模型渲染和實時顯示窗口，可以直觀快速的找到整機裝配中不匹配等常見問題。
? 可分析光學系統的三階像差、波像差、振幅、相位、能量等光信息。
? 具有快速的序列與非序列光線追跡能力，光線追跡數量數沒有限制。
? 可支持63核CPU的多線程運算能力，并支持分布式計算。
? 擁有內置混合優化功能，擁有fractional weighting、Pickup功能以鏈接變量，可進行局部和偽全局優化，可內建或從CAD導入的NURB表面進行優化，可大大減輕照明等領域的設計中繁重的工作量，支持多重結構的優化。
展開 SYNOPSYS 光學設計軟件課程五十六：SYNOPSYS 如何實現鏡頭縮放？
點擊左側快捷鍵可以查看系統的三階像差，可以通過縮放前后的數據比對，可以看到隨著系統的焦距變大，系統的像差也對應的增大，后續需要在此基礎上對系統的像差進行優化。
選擇縮放初始結構的總長，使其達到70mm
除了這里介紹的幾個縮放模式，這個窗口中還有其他的縮放模式，如縮放后焦、像高等，大家可以下去自行嘗試。
線上培訓 |《 SYNOPSYS? 成像設計 》正在招生中
以下是該培訓的大綱介紹：
課程大綱
第一天
· 光學和光學系統
· 光學基礎知識
· 三階像差、高級像差
· SYNOPSYS 界面介紹
· 單透鏡的建模和優化
· 從零開始設計五片式透鏡
· 光學成像質量分析
· 用非球面設計反射式望遠鏡
· 邊緣形狀的定義
· ZEMAX 導入和導出
· SYNOPSYS 設計實例：投影物鏡
第二天
· SYNOPSYS 初始結構搜索指令詳解
· FFB 自由曲面系統設計
· HUD 設計
· 紅外復消色差鏡頭的設計
· 玻璃庫的定義
· 鬼像分析
· 紅外夜視系統冷反射分析
· 無熱化分析
· 變焦鏡頭介紹
· ZSEARCH 變焦鏡頭初始結構搜索
· 8倍和45倍變焦鏡頭設計實例
· 變焦鏡頭凸輪曲線
· 膜層的定義、設計和優化
第三天
· SYNOPSYS 優化指令詳解
· 特殊面型的介紹和實例
· SYNOPSYS 設計和優化實例：
· 非球面手機鏡頭
· 廣角車載鏡頭
· DOE 光束整形器
· 光柵光譜儀
· 公差分析簡介
· TOL公差分析
· BTOL公差分析
· 公差敏感度優化
· 自動對模板工具
· 楔形誤差自動優化
培訓詳情
? 授課說明：
? 本課程為線上直播培訓；
? 培訓內容練習指導，講師答疑；
? 培訓結束后支持錄播回放；
? 為保證課程質量，課程均采用小班制教學模式；
? 報名贈送原價800元《 LENS DESIGN 》英文原版書籍一本。
? 主辦單位：武漢墨光科技有限公司
? 主講人員：武漢墨光資深光學設計工程師
? 收費標準：3600元/人（三人同行享受八折優惠，不與墨光其他優惠同時使用）。
展開 3-4微米范圍內的中紅外透鏡設計 | SYNOPSYS光學設計軟件課程第92課
宏文件
請聯系工作人員獲取
為了很好的校正色差，我們要求所有測試組合使用已指定四個玻璃其中的至少三個。
這樣就可以避免在那些不可能成立的結構上浪費時間。
運行這個宏
現在得到了一個三階像差很小的光學結構：
我們成功地用普通玻璃替換了不需要的材料，同時性能也比原來好得多。
這是最終透鏡的SPEC列表：
光學設計中的優化思路
值得注意的是，像密接正透鏡這種空氣間隔只有0.1、0.2的地方，先不要動了，優化過程中如果發現某個空氣間隔很大了，那就把它固定下來，再開始優化，因為軟件這種東西，不知道你想要的是什么結果，它只管你像差的最（極）優解，可不管你鏡頭是否漂亮，不管你各部分公差是否靈敏。
評價函數
自動評價函數呢，選PTV-光斑半徑-主光線，然后RMS-光斑半徑-質心，然后RMS-波前-質心，這個方法雖然不是所有系統都適用，但是也算是個通用的方法。對于那種目視系統，用PTV就很好，對于那些對彌散斑收斂要求高的系統，用RMS就很好。主光線還是質心，這個優化過程中可以去切換。
操作數
對于操作數，越少越好，EFFL、TOTR、RAID等等一階光學參數約束就夠了，不需要假如很多操作數如SPHA、COMA、ASTI、FCUR、DIMX等。首先，這些操作數是三階像差，其次，強行約束一個像差，會給其他像差帶來更不好的影響。
優化過程
在優化過程中，始終關注光線的走勢。光線在某一鏡片過于陡峭，這會給公差帶來致命的影響，光線在某一鏡片偏轉極小，這說明該鏡片為弱光焦度，這個時候需要考慮是否還需要這枚鏡片。
優化過程中，不要讓正透鏡玻璃邊厚過薄，不要讓負透鏡中厚過薄，不要讓光線過陡，不要讓片數過多，不要讓鏡片形狀難以加工。
優化過程中，要時刻關注每一片鏡片的像差貢獻，要給鏡片留出口徑余量，要讓每一片鏡片形狀合理。等等。
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來源：微信公眾號瑞雪紛飛光學
展開 
《 SYNOPSYS 光學設計》課程內容升級，線上培訓招生中！
以下是該培訓的大綱介紹：
課程大綱
第一天：SYNOPSYS 光學設計課程 1
光學和光學系統
光學基礎知識
三階像差、高級像差
SYNOPSYS 界面介紹
單透鏡的建模和優化
從零開始設計五片式透鏡
光學成像質量分析
用非球面設計反射式望遠鏡
邊緣形狀的定義
ZEMAX 導入和導出
SYNOPSYS 設計實例：投影物鏡
第二天：SYNOPSYS 光學設計課程 2
SYNOPSYS 初始結構搜索指令詳解
FFB 自由曲面系統設計
HUD 設計
紅外復消色差鏡頭的設計
玻璃庫的定義
鬼像分析
紅外夜視系統冷反射分析
無熱化分析
變焦鏡頭介紹
ZSEARCH 變焦鏡頭初始結構搜索
8倍和45倍變焦鏡頭設計實例
變焦鏡頭凸輪曲線
膜層的定義、設計和優化
第三天：SYNOPSYS 光學設計課程 3
SYNOPSYS 優化指令詳解
特殊面型的介紹和實例
SYNOPSYS 設計和優化實例：
非球面手機鏡頭
廣角車載鏡頭
DOE 光束整形器
光柵光譜儀
公差分析簡介
TOL 公差分析
BTOL 公差分析
蒙特卡洛分析
公差敏感度優化
自動對模板工具
楔形誤差自動優化
培訓詳情
授課說明：
本課程為線上直播培訓；
培訓內容練習指導，講師答疑；
培訓結束后支持錄播回放；
為保證課程質量，課程均采用小班制教學模式；
報名贈送原價800元《 LENS
展開 探索 SYNOPSYS 的功能
主要包含了鏡頭庫、獲取鏡頭、SPEC 鏡頭數據列表、LE 鏡頭編輯器、三階像差、DWG 二維繪圖、PER 三維繪圖、SOLID 旋轉繪圖、RPT 光扇圖、RPO OPD 光扇圖、MDI 衍射分析、MOP MTF 分析、MGI 幾何分析以及點列圖等按鈕。
在鏡頭庫中，只能存 10 個設計好的鏡頭，調用的時候只需輸入相應的編號就可以了。獲取鏡頭和鏡頭庫不一樣，它沒有數量的限制，可以存更多的鏡頭文件。SPEC 鏡頭數據列表可清楚的觀察到鏡頭的詳細數據，在命令窗口中輸入 SPEC 指令也可以得到相同的結果。LE 鏡頭編輯器和主窗口頂部的功能按鈕欄中含有 LE 鏡頭編輯器是一樣的功能，三階像差在頂部的工具欄像質分析的子菜單像差中也可以找到，繪圖以及成像分析也都可以在頂部的工具欄中找到。
點列圖分析
SYNOPSYS 可以生成許多不同類型的分析窗口（打開1.RLE 鏡頭文件進行鏡頭分析）。
在主窗口側邊的快捷欄中，有點列圖分析的快捷按鈕，在您進行點列圖分析時，點擊該按鈕，軟件會自動出現鏡頭1視場的點列圖，結果如下圖所示：
還可以利用命令來進行點列圖分析，在命令窗口中輸入指令：
SPT M 1.0 200 0.05 0
再點擊回車，其出來的結果與點擊快捷鍵的一樣，如下圖：
除此之外，還可以在界面上進行操作得到分析結果，具體步驟如下圖所示：
首先在像質分析的子菜單中選擇點列圖。
然后在界面中進行數據設置，在設置數據時，窗口中間會有相應的命令行顯示，設置完成后點擊運行 SPT 按鈕。
SYNOPSYS 還支持其他類型的點列圖分析。
展開 SYNOPSYS?光學設計軟件--復消色差物鏡的公差設計
預估公差結果
拖動Command Window 的滑塊進度條，找到預估公差分析結果
結果非常糟糕
表面1和2的空氣間隔公 差是0.0016英寸
表面2和3的空氣間隔公 差是0.0049英寸，Vnumber的公差是0.054 ，偏心公差是0.00024
無法做出此公差的透鏡
公差靈敏度
THIRD SENS各參數含義見每天一例23-三階像差。
這個列表展示了各個平面對于各種像差的貢獻度及其導數的平方和。這里有一個概念就是如果這些參數很大，即使它們被其他的表面的貢 獻所補償了，但是系統會對微小的誤差非常的敏感，因為沒有辦法做的這么好。 SAT 的值，球差的總和為 8.363。
展開 《 SYNOPSYS 成像設計》課程內容升級，線下培訓招生中！
以下是該培訓的大綱介紹：
課
程
大
綱
第一天：
SYNOPSYS 成像設計課程 1
光學基礎知識
光學和光學系統
三階像差、高級像差
SYNOPSYS 界面介紹
單透鏡的建模和優化
從零開始設計五片式透鏡
光學成像質量分析
用非球面設計反射式望遠鏡
邊緣形狀的定義
ZEMAX 導入和導出
SYNOPSYS 設計實例：
投影物鏡
第二天：
SYNOPSYS 成像設計課程 2
SYNOPSYS 初始結構搜索指令詳解
FFB 自由曲面系統設計
HUD 設計
紅外復消色差鏡頭的設計
玻璃庫的定義
鬼像分析
紅外夜視系統冷反射分析
無熱化分析
變焦鏡頭介紹
ZSEARCH 變焦鏡頭初始結構搜索
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