SYNOPSYS 光学设计软件课程十八：什么是好光瞳？

课程十八：什么是好光瞳？

镜头设计师已经知道两种常见的光瞳定义：一种是简单结构或者光阑位于系统的最前方。对于更复杂的系统，“光线瞄准”，用于模拟光阑在系统内部的情况。镜头通常在系统内部有一个“光阑”，如下例所示（可在X32.RLE中找到）。（对于这张图片，我们修改了镜头以显示正确的光瞳类型。你看到的是第二种光瞳类型。）这里是镜头文件:

(资料图片)

RLEID 8-ELEMENT LENS 124FNAME ‘X32.RLE ‘LOG 124WAVL .6562700 .5875600 .4861300APS -7UNITS MM OBB 0.0000000 50.0000000 2.5000000 -22.5672845510 0.0000000 0.0000000 2.5000000MARGIN 1.270000BEVEL 0.2540010 AIR1 RAD 37.4815570000000 TH 2.000000001 N1 1.63724049 N2 1.64049314 N3 1.647896521 CTE 0.680000E-051 GTB S ‘LAK21 ‘1 EFILE EX1 19.357100 19.357100 19.357100 0.0000001 EFILE EX2 14.692000 18.849100 0.0000002 RAD 15.8675620000000 TH 4.000000002 N1 1.79607463 N2 1.80516268 N3 1.827727322 CTE 0.810000E-052 GTB S ‘SF6 ‘2 EFILE EX1 14.819000 14.819000 14.819000 0.0000002 EFILE EX2 11.575600 14.565000 0.0000003 RAD 12.9308330000000 TH 10.91744800 AIR3 EFILE EX1 11.575600 14.565000 14.8190004 RAD 305.4637200000000 TH 3.000000004 N1 1.63724049 N2 1.64049314 N3 1.647896524 CTE 0.680000E-054 GTB S ‘LAK21 ‘4 EFILE EX1 9.781226 9.781226 10.035227 0.0000004 EFILE EX2 8.075024 9.781226 0.0000005 RAD 10.9366700000000 TH 11.874405005 N1 1.59873780 N2 1.60341201 N3 1.614602255 CTE 0.800000E-055 GTB S ‘F5 ‘5 EFILE EX1 8.329025 8.329025 8.329025 0.0000005 EFILE EX2 8.075024 8.075024 0.0000006 RAD -166.3317900000000 TH 2.00000000 AIR6 EFILE EX1 8.075024 8.075024 8.3290257 CV 0.0000000000000 TH 2.00000000 AIR8 RAD -33.0806250000000 TH 3.008454608 N1 1.63724049 N2 1.64049314 N3 1.647896528 CTE 0.680000E-058 GTB S ‘LAK21 ‘8 EFILE EX1 5.649585 5.649585 5.776585 0.0000008 EFILE EX2 5.776585 5.776585 0.0000009 RAD -6.9399049000000 TH 7.365488909 N1 1.72919661 N2 1.73349009 N3 1.743361009 CTE 0.550000E-059 GTB S ‘LAK16A ‘9 EFILE EX1 5.649589 8.868400 9.249400 0.0000009 EFILE EX2 9.249400 9.249400 0.00000010 RAD -18.5676100000000 TH 0.82847441 AIR10 EFILE EX1 9.249400 9.249400 9.24940011 RAD 533.2038600000002 TH 6.0000000011 N1 1.72919661 N2 1.73349009 N3 1.7433610011 CTE 0.550000E-0511 GTB S ‘LAK16A ‘11 EFILE EX1 9.905219 9.905219 10.159218 0.00000011 EFILE EX2 10.159218 10.159218 0.00000012 RAD -12.4803940000000 TH 2.0000000012 N1 1.75364679 N2 1.76178544 N3 1.7819078212 CTE 0.820000E-0512 GTB S ‘SF55 ‘12 EFILE EX1 10.159200 11.268300 11.522300 0.00000012 EFILE EX2 11.268300 11.268300 0.00000013 RAD -31.2046360000000 TH 41.44465300 AIR13 EFILE EX1 11.268300 11.268300 11.52230014 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIREND

各个视场的光线充满了表面7的孔径，这被称为光阑。当你告诉程序追迹光线时，它首先必须知道瞄准光线的位置，以便知道到达光阑上的位置。例如，HBAR = 1且YEN = 1的光线（全视场边缘光线）应该在表面7的边缘处。它是如何知道瞄准目标的？这是光瞳定义的问题。

最常用的两个定义是近轴和真实光瞳。首先，让我们看一下使用简单的近轴光瞳得到的结果

可以使用输入在镜头文件中声明该光瞳定义

RLE

…

APS 7

…

END

但是你会注意到这个定义有两个问题：主光线不会穿过表面7的中心，而边缘光线不会填满那个表面的孔径。让我们依次解决这些问题。首先，我们声明表面7是一个真正的光阑，用

CHG APS

-7

END

减号表示这是一个真正的光阑，必须通过迭代找到主光线。这激活了仅针对主光线的光线。

现在主光线还可以，但边缘光线不行。我们需要另一个命令，它将调整光瞳的大小，以便很好地充满光阑。这是WAP 2选项（有三种广角 – 光瞳（WAP），您可以在用户手册中阅读。它通过在光阑的边缘迭代一些光线来找到入瞳的形状。但是这个选项需要在光阑表面上设置一个硬性通光口径，以便于光线瞄准。我们假设当前没有定义孔径。您可以执行CAP列表 – 查看所有当前孔径的值 – 然后为表面7指定一个“通光口径”。该值结果为3.9937，因此我们可以在CHG文件中输入该值或使用工作表。以下是使用CHG文件的方法：

CHG

7 CAO 3.9937

END

更简单的方法是在CHG文件或WorkSheet编辑窗格中键入7 CFIX。这可以修复当前值，所以您不需要自己键入它。现在再次使用工作表更改为WAP 2 …

然后单击“更新”按钮。你得到的镜头如上图第一张图所示。现在，主光线和边缘光线都到达了表面7上的正确位置。在这里，我们开启了光线，总共瞄准了五条光线。到到目前为止，这并不复杂。假设您正在优化镜头并且表面7上所需的孔径不断变化。在这种情况下，我们固定的孔径值将会出现问题。没问题。我们指定一个选项，每次更换镜头时重新计算该孔径。这是通过将指令CSTOP添加到镜头输入文件来完成的。现在程序将改变7上的CAO，因此它总是等于那里的近轴边缘光线高度。如果镜头的光瞳像差太大，以至于真正的轴向边缘光线需要与近轴光线有不同的孔径，请将其更改为CSTOP REAL。您甚至可以指定用于定义此孔径的真实光线，如UM中所述。但是所有这些选择的意义何在？是不是只是为了更容易的对付那种“光线瞄准”？其它程序是不是也可以？是的，它更容易 – 但速度要慢得多。通常实现时，当这些程序追迹任何类型的像质分析的光线网格时，它们在光阑处创建一个方形网格，然后迭代每条光线，使其通过该网格点。所有迭代都需大量时间。下图是一个超广角镜头设计的例子。这是镜头文件：

RLEID JAMIESON LENS 135 DEGREES 37577FNAME ‘C22L2.RLE ‘LOG 37577WAVL 12.00000 10.00000 8.000000APS -9FILLSTOPWAP 2XPXTRPUPILUNITS MM OBD 1.00000E+09 135. 1.706199485 -44.99895 0 0 1.706199485 0 AIR0 CV 1.0000000000000E-09 AIR1 RAD 42.7770000000000 TH 1.305000001 N1 4.00116571 N2 4.00243362 N3 4.004766681 DNDT 4.100E-04 4.100E-04 4.100E-04 2.05000E+00 1.10000E+01 2.20000E+011 CTE 0.550000E-051 GTB U ‘GE ‘2 CAO 24.89910000 0.00000000 0.000000002 RAD 25.9690000000000 TH 63.51400000 AIR2 HYPERHEMISPHERICAL3 RAD -34.1700000000000 TH 1.566000003 CC 3.326000003 N1 4.00116571 N2 4.00243362 N3 4.004766683 CTE 0.550000E-053 GID ‘GE ‘3 PIN 14 RAD -41.2140000000000 TH 21.08000000 AIR5 RAD -48.1390000000000 TH 1.827000005 N1 4.00116571 N2 4.00243362 N3 4.004766685 CTE 0.550000E-055 GID ‘GE ‘5 PIN 16 RAD -36.4540000000000 TH 0.05200000 AIR7 RAD 24.5320000000000 TH 1.827000007 N1 4.00116571 N2 4.00243362 N3 4.004766687 CTE 0.550000E-057 GID ‘GE ‘7 PIN 18 RAD 35.3880000000000 TH 3.65400000 AIR9 CAO 7.62452400 0.00000000 0.000000009 CV 0.0000000000000 TH 15.24900000 AIR10 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR

光阑位于表面9上，并且由WAP 2选项很好地填充。让我们看一下表面上的足迹，它显示来自全视场的光线：

这肯定不是一个均匀的方格！采用“光线瞄准”的那些程序以错误的方式分布填充该孔径，根据该点处的实际光线密度改变每条光线的有效光焦度。虽然这确实可以产生对像质的正确评估，但人们不得不问为什么在所有光线迭代中花费了这么多时间。相反，SYNOPSYS找到入瞳的大小和形状，然后用均匀的网格填充它。对于上述镜头，表面1上的光瞳如下。 SYNOPSYS中的光瞳选项模拟了此分布的轮廓，因此常规网格可以按原样填充它。没有必要迭代每条光线，因此它更快，并且在光阑处的分布被正确建模。对于这个极端的例子，一个简单的轮廓并不是很好（但通常它是由椭圆形建模）。在这种情况下，通过在镜头文件中声明RPUPIL可以找到更好的光瞳。现在它以一个包围该椭圆的矩形开始，并删除分布在孔径外的任何光线。这是进入镜头时的形状： 以下是通过的光线： 我们更喜欢使用这种方法，而不是其他代码中使用的计算比较慢“光线瞄准”。不要忘记查看对话框MPW（菜单，光瞳向导）和MOW（菜单，物面向导），您可以通过复选框和从各种选项中选择来定义所需的光瞳类型。这两个对话框都做了很多相同的事情，但它们的原理方式不同; 您可以根据您的喜好选择。光瞳向导： 物面向导： 哪种方式更好？

SYNOPSYS中独特的光瞳定义提供了一个有趣的可能性 – 这很方便，但需要一些习惯。让我们说明一下。首先，我们将向您展示一些不符合您期望的光线，然后我们将描述一种简单的方法来保持正确的光线。取出命名为1.RLE的镜头。

RLEID MIT 1 TO 2 UM LENS 119FNAME ‘1.RLE ‘LOG 119WAVL 1.970100 1.529600 1.060000APS 4NOVIGUNITS MM OBB 0.0000000 7.0000000 17.5000000 -1.05311319975 0.0000000 0.0000000 17.5000000MARGIN 1.270000BEVEL 0.2540010 AIR1 RAD 86.7200000000000 TH 4.000000001 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.288241841 DNDT 4.330E-05 4.330E-05 4.330E-05 6.32800E-01 3.39000E+00 1.06000E+011 CTE 0.650000E-051 GTB U ‘ZNS ‘1 EFILE EX1 19.582988 19.582988 19.836989 0.0000001 EFILE EX2 19.117143 19.582988 0.0000002 RAD 256.1599999999999 TH 1.90921550 AIR2 EFILE EX1 19.117143 19.582988 19.8369893 RAD 23.3200000000000 TH 7.648714303 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.288241843 CTE 0.650000E-053 GID ‘ZNS ‘3 EFILE EX1 17.645011 17.645011 17.645011 0.0000003 EFILE EX2 15.628478 17.391010 0.0000003 PIN 14 RAD 46.0900000000000 TH 1.00000000 AIR4 EFILE EX1 15.628478 17.391010 17.6450115 RAD 50.8000000000000 TH 3.000000005 N1 2.42680709 N2 2.43804204 N3 2.469732645 GTB U ‘AS2S3 ‘5 EFILE EX1 15.127101 15.127101 15.381102 0.0000005 EFILE EX2 12.658484 15.127101 0.0000006 RAD 17.3870000000000 TH 28.71738800 AIR6 EFILE EX1 12.658484 15.127101 15.3811027 RAD 27.1400000000000 TH 3.500000007 N1 2.26522482 N2 2.27174246 N3 2.288241847 CTE 0.650000E-057 GID ‘ZNS ‘7 EFILE EX1 13.589301 13.589301 13.589301 0.0000007 EFILE EX2 12.890646 13.335300 0.0000007 PIN 18 RAD 65.2260000000000 TH 16.29978150 AIR8 EFILE EX1 12.890646 13.335300 13.5893018 TH 16.299781508 YMT 0.000000009 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIREND

在PAD中查看：

此时镜头已在表面4上指定了一个近轴孔径。在PAD中，单击PAD顶部按钮，然后选择绘制单根光线的选项。单击“确定”，将打开一个小框，您可以使用两个滑块选择要绘制的光线。将顶部滑块移至全视场（HBAR = 1），将底部移至全孔径（YEN = 1）。此对象已定义为正角度，这意味着“全视场”光线从轴下方的对象开始。

您可以按预期看到全视场边缘光线。

现在将顶部滑块移动到视场的底部（HBAR = -1）。

再来一次，光线进入光瞳的顶部。这是近轴光瞳的基本情况。关闭光线显示对话框，打开工作表，并将光阑指定更改为APS -4，

在工作表中。请记住，全视场位于负Y坐标处，远离镜头左侧。现在再次打开单光线对话框，再次将其设置为全孔径和全视场。

“全孔径”光线现在位于光瞳的底部。为何如此？

简单，此功能旨在使您可以轻松纠正羽化边缘，无论您在哪个视场寻找。如上图所示，如果羽化是一个问题，你可以沿着“上部”边缘光线（显示的光线）进行校正。现在转到较低的视场，HBAR = -1。

要纠正的光线仍然是上边缘光线！程序根据您要追迹的视场的方向旋转整个入瞳。如果您在倾斜视场中追迹一个点，“上边缘光线”将变成极端歪斜光线，因此您可以轻松控制羽化边缘。如果我们让所有视场上边缘光线和下边缘光线的定义相同（就像光瞳一样）; 你必须找出要修复的倾斜光线，然后为它创建一个像差。

那么如何才能轻松找出要检查或纠正羽状边缘的光线？简单。PAD显示屏打开时，按F7键。只显示“较低”的边缘光线。F8键仅显示“上部”。只需按一下键就可以判断哪条光线在哪里！

这种光瞳定义还有另一个优点：入射光瞳通常被建模为椭圆形，如本课程的第一部分所示，并且事实证明椭圆也随着视场旋转。因此，它可以模拟场中所有点的渐晕光瞳。

有关旋转光瞳的示例，请参阅用户手册中的第2.6.2节。

程序根据全视场物体高度的符号决定哪条光线称为“上部”光线。由于在这个例子中光线在是负视场的，它将边缘光线翻转为正HBAR。在负HBAR处，对象来自正Y坐标，并且光线不会翻转。

在HBAR = 0？为避免混淆既不是正视场也不是负视场，程序会在那里显示一个非常小但非零的视场。

试试F7和F8键。您将了解更多。