像差
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像差的視頻教程
ZEMAX 成像設計線上培訓
培訓大綱 01 OpticStudio 軟件功能介紹; 02 材料庫、鏡頭庫介紹； 03 如何定義新材料； 04 如何使用鏡頭庫； 23 柯勒照明綜合設計實例； 24 投影系統設計 25 集光系統設計； 26 暗盒系統介紹； 05 像差理論介紹； 06 Zemax 里像差分析圖譜； 07 優化; 08 局部優化 27 分析工具應用； 28
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像差的實例教程
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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
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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 </span></p><p><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">當使用具有球面的透鏡進行</span>成像<span style="color: rgb(0, 0, 0);">應用時，所解釋的效應會導致所謂的球面像差，從而嚴重降低圖像質量。同樣，使用球面透鏡聚焦或</span>準直，激光束<span style="color: rgb(0, 0, 0);">會導致光束畸變。</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">在許多情況下，像差效應遠沒有上面所示的球透鏡那么嚴重，因為所涉及的曲率并不那么強。</span></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong>平板的球面像差</strong></p><p><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">球面像差的問題可以推廣到與相位變化的非理想徑向相關性相關的所有像差。當發散或會聚的光穿過平面平行板時，即使對于平面表面也可能發生這種情況。這主要是因為</span>折射<span style="color: rgb(0, 0, 0);">包含正弦函數而不是正切函數，這是避免球面像差所必需的。</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">圖3顯示了一個示例案例。
展開 本文將以用圖文并茂的方法、較為通俗易懂的方式講述光學設計中的幾種光學像差。
像差是什么，像差說白了，就是理想光線與實際光線之間的偏差。
為什么要矯正像差，因為像差是影響成像清晰度的主要原因，當然次要原因就是一些環境因素了，而光學設計的目的就是通過鏡片的組合來矯正像差。
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球差
初中我們就知道，放大鏡（凸透鏡）可以聚焦，讓光線匯聚去烤螞蟻烤樹葉，但是它會將光線匯聚成一個理想的點嗎，顯然是不能的，如下圖所示。
在這種聚焦的時候，光線不能很好的聚集在一個點上，我們稱它為球差。下圖為光線到達像面上的分布形狀，會呈現明顯的彌散環，紅色為標注。
那這種偏差怎么去消除呢，方法也很簡單，正負透鏡組合消除球差。因為正透鏡有負球差，負透鏡有正球差。正負組合，正負球差就會抵消，如下圖所示。
明顯看到，聚焦的效果已經明顯好了很多，值得注意的是，正透鏡通常為冕牌K玻璃，負透鏡通常為火石F玻璃。
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慧差
慧差可以理解成有角度的光線進入系統后在像面上形成的球差，球差是0°角度進入系統的，如下圖所示。
慧差在像面上的分布形狀是一個有頭有尾的彗星圖案，所以稱它為慧差。
那么慧差怎么去消除呢，其實，在結構正確、優化方法正確的情況下，只要把彌散斑收斂到位，所有的像差都會隨之矯正的，不然強行用操作數減小某一個像差，會給其他像差造成很大的影響。后續的文章中會陸續提到的。
展開 光束整形應用需要高性能和低像差的光學系統，如非球面系統。
01/簡介
零波像差雙遠心物鏡以“視場全域波前畸變趨近于零、物像比例恒定”的特性，成為3D NAND、精密微納制造等場景的核心光學器件，但其對成像模型的維度適配性提出嚴苛要求。二維矢量成像模型雖能滿足平面圖形的偏振態表征需求，卻因忽略深度方向光場耦合與厚掩模衍射效應，無法適配三維堆疊圖形的成像預測。
三維矢量成像模型通過全空間矢量光場建模，可精準捕捉雙遠心光路下三維偏振演化與深度衍射規律，成為破解該瓶頸的關鍵。本文以零波像差雙遠心成像為視角，對比二維與三維矢量模型的適配性差異，重點聚焦三維模型的應用機理，為先進三維制程光刻精度提升提供理論支撐。
02/三維矢量成像模型在零波像差雙遠心物鏡中的應用
零波像差、雙遠心成像時，物鏡三維偏振像差的偏振追跡矩陣與二維偏振像差的瓊斯矩陣可相互轉換。
從瓊斯矩陣轉換為三維偏振追跡矩陣，只需借助物方和像方的變換矩陣：將物方變換矩陣、瓊斯矩陣、像方變換矩陣依次結合，即可得到對應的三維偏振追跡矩陣。
而物方、像方變換矩陣的元素，對應的是“物方局部坐標系在全局坐標系中的坐標”“像方局部坐標系在全局坐標系中的坐標”——這些坐標信息是實現矩陣轉換的基礎支撐。
這一轉換能力，讓零波像差雙遠心物鏡中的偏振像差處理，能在三維與二維矩陣間靈活切換，適配不同的計算與優化場景。
二維-三維坐標系與矩陣轉換
光刻成像模型中x-y坐標系（全局）和i-j坐標系（局部）示意圖如圖所示。
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像差的最新內容
成像系統：由多片透鏡組合而成，負責將菲林片圖案放大成像，矯正像差與色差，控制投影畸變，確保圖案清晰規整。
04/OAS軟件仿真流程設置
? 模型構建
借助 OAS 軟件實體建模與輕量化 CAD 核心功能，構建投影燈完整三維模型，精準還原聚光透鏡組、菲林固定支架、成像鏡頭及外殼結構的幾何形貌與裝配關系。
這兩個像差源于這樣一個事實，即大多數探測器是作為平面操作的，而透鏡則是將光線聚焦到一個曲線上。這些像差可以通過VirtualLab Fusion提供的易于使用的集成工具進行研究，如以下例子所示。
場曲分析器
場曲描述了物鏡（鏡頭）的設計焦平面和實際焦距曲線之間的差異。在這個用例中，我們介紹了一個分析這種效應的工具。
這種效應被稱為“場曲”，是任何透鏡系統性能分析中需要考慮的一個重要像差。在這個用例中，我們引入一個專門的分析器來研究這種影響。
場曲
場曲，也稱為“場的曲率”，是一種常見的光學效應，它會使平面物體在畫面的某些部分看起來很銳利，而不是在整個幀上均勻銳利。這是由于大多數光學元件的彎曲性質造成的，它們將圖像投影到曲面上，而不是平面上。它被定義為Δz和Φ之間的函數。
畸變定義
畸變與主光線的球面像差相對應。它被定義為光線束的橫向位置相對于焦平面的參考位置的偏差。使用掃描鏡頭的有效焦距（??'），可以計算出焦平面的參考位置，這主要取決于入射角。
f’：有效焦距。
θ：入射角度。
圖4 介質中存在吸收時理想高斯光束的成像切片
圖5 介質中存在吸收同時考慮自聚焦效應時理想高斯光束的成像切片
圖6 介質中存在吸收同時考慮自聚焦效應時帶像差高斯光束的成像切片
OCAD：雙膠合透鏡初始設計13天前
對于一個新設計的光學系統，首先根據性能要求對其進行外形尺寸計算，然后就得開始對各光學零部件進行初級像差設計，求解每個零部件的、、C的分配值，最后根據對各個零部件的、、C要求值進行設計計算該零部件的光學參數（表面半徑R、表面間隔D以及其玻璃材料）。這一整套過程就是光學系統的“初始結構設計”。
如需雙膠合透鏡能夠在前，也要先選擇單透鏡玻璃材料，再根據單透鏡的像差貢獻選擇雙膠合透鏡。選擇方法與前面相同。最后結果如圖5所示。
圖5.雙膠合-單透鏡透鏡組合結構數據
現有技術可分為三類：
像差分析法：基于節點像差理論，建立誤差與波前像差的解析關系，需高精度波前測量，設備成本高昂[2]；
數據驅動法：通過深度學習、靈敏度矩陣建立數值映射[3]，依賴大量樣本與復雜訓練，工程落地門檻高；
搜索優化法：構建評價函數引導優化，無需復雜建模，但遍歷搜索耗時極長，多自由度場景下效率暴跌。
OCAD：反射棱鏡的初始結構設計16天前
圖4.一般光學系統設計界面
圖5.初級像差設計與計算
圖6.反射棱鏡結構單元初始設計界面
線性偏振光纖模式16天前
來自光纖光源的聚焦模式的像差效應
光纖模式計算器可用于計算可在單芯階躍折射率光纖或無限拋物線型漸變折射率光纖中傳播的線性偏振 (LP) 模式。
