CN1777831A

CN1777831A - 光学系统设计方法

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Publication number: CN1777831A
Application number: CN200480010909.XA
Authority: CN
Inventors: 早川和仁; 本桥胜实; 加藤茂
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: EP1619530A1; US20060200323A1; US7478017B2; WO2004097489A1; CN100360980C; JP2004325880A

Abstract

一种设计光学系统的方法，具有：初始值设置步骤(S1)，用于设置在没有考虑制造误差的设计状态下的光学参数；制造状态制备/更新步骤(S2)，用于通过将制造误差添加到设计状态下的光学参数中来制备参数作为制造状态下的光学参数，或者用于更新现有制造状态下的光学参数的制造误差；评估函数制备步骤(S3)，用于制备评估函数；以及优化执行步骤(S4)，用于优化评估函数并获得最佳光学参数。

Description

光学系统设计方法

技术领域

本发明涉及光学系统设计方法，其特别适于在诸如计算机等设计处理装置中执行。本发明还涉及记录有光学系统设计程序的记录介质，使用光学系统设计方法或光学系统设计程序而设计的光学系统和光学装置。

背景技术

常规上，作为光学系统设计方法，已经使用了最陡坡降(steepestdescent)法、共轭梯度法、最小平方法等。这些方法中的每一个都被称为优化技术，并且使用了具有两个或更多个变量的评估函数。

当对光学系统的设计使用这些优化技术时，与评估函数的变量等价的是例如评估参数(或评估准则)，如像差等。基于诸如光学作用面的曲率半径、表面间隔和折射率等光学系统的光学参数(或构成要素)来计算该评估参数。因此，如果改变了光学系统的光学参数值，则评估参数值发生变化，并且评估参数值的变化引起了评估函数值的变化。

因而，通过逐渐改变光学系统的光学参数值来执行用于计算评估函数的最佳值(例如，最小值和极小值)的处理。

由此，当获得了评估函数的最佳值时，此时的光学系统的各光学参数值的组合表示了最佳的光学系统。结果，获得了最接近设计者意图的光学系统的光学参数值。此外，在计算评估函数的最佳值的情况下，执行同时使评估参数也接近期望目标值的处理。

通过这种方式，在光学系统的设计中，求出使评估函数成为最佳值并且使评估参数达到目标容许级别的光学系统的光学参数。

如上所述，当常规上使用评估函数来设计光学系统时，通常使用如光学作用面的曲率半径、表面间隔和折射率等光学参数作为基本变量。

然而，在常规光学系统设计中，对于这些光学参数，没有考虑制造误差的影响。因此，所获得的光学系统的光学参数值并不一定是使得光学系统的制造变得容易的值。这样，很难容易地获得能使制造变得容易的光学系统的工业参数值的组合。

例如，为了减小制造误差所引起的光学系统性能的改变，已经进行了如下处理：将一定校正加入设计值中、对要优化的变量的数目施加限制等。通过设计者自己的手动工作来执行这种校正和限制。该手动工作是基于诸如计算机所得到的设计值、设计者的知识和经验等专业技能等来执行的。

因此，在常规光学系统的设计方法中，虽然计算机的计算速度有了提高，但是仍需要许多帮助和时间，因此，不能进行有效的光学系统的设计。

此外，难于获得将由于制造误差而引起的性能改变抑制到较小并且使设计性能变为期望值的最佳光学系统的设计值。

然而，近年来，例如日本特开平11-30746号公报、日本特开平11-223764号公报、日本特开平11-223769号公报、第3006611号申请以及日本特开2002-267926号公报等中已经提出了新的光学系统设计方法。

在最近由日本特开平11-30746号公报以及日本特开2002-267926号公报所公开的方法中，关注了制造误差，即光学组(optical group)的离心。

然而，根据这些方法，在应用于受离心以外的其它制造误差的很大影响的光学系统时还存在问题。

在最近由日本特开平11-223764号公报以及日本特开平11-223769号公报中公开的方法中，关注在没有误差的状态下的性能指标。此处，使不存在误差的状态下的性能指标成为测量制造误差的影响的量度。

对于所关注的性能指标与由制造误差所引起的性能变化之间的因果关系，难于直观把握。从提高设计效率的角度看，这是个问题。

在第3006611号专利所公开的方法中，为了获知制造误差所引起的性能改变，通过制备从设计阶段起有意给出制造误差的制造状态，来确定光学性能。此外，除了设计阶段的光学性能，还给出制造状态下的光学性能，作为用于优化的设计方法的评估参数。然而，在该方法中，在从设计阶段起有意给出制造误差的过程中，设计者要对于构成光学系统的许多光学参数(光学作用面的曲率半径、镜厚、空气间隔、折射率等)分别给出制造误差。因此，需要花费很多时间和精力，从而存在容易产生输入工作中的错误等问题。此外，由于各设计者可以随意给出制造误差，因此受各设计者的能力(专业技能)的影响。

因此，本发明的目的是提供一种光学系统设计方法，该方法能有效设计出其中不容易出现由设计误差引起的性能劣化的光学系统。

发明内容

为了获得上述目的，一种根据本发明的光学系统设计方法，在使用评估函数的该光学系统设计方法中，包括以下步骤：初始值设置步骤，该步骤设定了在没有考虑制造误差的设计状态下的光学参数；制造状态制备/更新步骤，其中通过将制造误差加入设计状态下的光学参数中来制备制造状态下的光学参数，或者更新现有制造状态下的光学参数的制造误差；制备评估函数的评估函数制备步骤；以及优化执行步骤，该步骤通过对所述评估函数进行优化来确定最佳光学参数。

本发明的光学系统的设计方法被构造为使得：在所述制造状态制备/更新步骤中，根据按照用于获取制造误差量的必要条件而预先建立的误差量表的值，获得要赋予的制造误差量，将所述误差量应用于设计状态下的光学参数，由此新制备制造状态下的光学参数，或者根据设计状态下的光学参数的变化对已经赋予现有制造状态下的光学参数的误差量的值进行更新。

在本发明的光学系统的设计方法中，在所述评估函数制备步骤中，除了所述评估函数的评估参数以外，还包括至少一个基于设计状态和制造状态的光学性能而确定的制造误差灵敏度参数，作为评估参数。

根据本发明的光学系统的设计方法，其适于计算机使用，其中可以对各种像差等进行校正，并且使得由于制造误差引起的光学系统性能的改变很难发生。由此，可以有效设计光学系统。因此，可以有效地执行光学系统的设计。

除了以上所述的这些之外的本发明的其它目的、特征和优点将通过参照附图的以下详细说明而变得清楚。

附图说明

图1是示出根据本发明的光学系统设计方法的第一实施例的整个设计过程的流程图。

图2是示出根据本发明的光学系统设计方法的第二实施例的优化实现步骤的具体处理过程的流程图。

图3是示出根据本发明的光学系统设计方法的第三实施例的用于制造状态制备/更新步骤的具体处理过程的流程图。

图4是示出根据本发明的光学系统设计方法的第四实施例的制备/更新制造误差的具体处理过程的流程图。

图5是示出用于实现本发明的光学系统设计方法的处理设备的构成的方框图。

具体实施方式

在说明本发明的实施方式之前，将解释在本发明的光学设计中所使用的两个不同状态。

在光学系统的初始设计阶段，对于诸如构成光学系统的光学作用面的曲率半径、镜厚、空间间隔等光学参数，通常只假设如下情况：可以完全没有任何误差地制备实际光学系统。在本发明中，没有任何误差的理想光学系统的状态称为设计状态。该设计状态是光学系统由预定光学参数构成的状态。这些预定光学参数是在没有产生任何制造误差的前提下获得的光学参数。

另一方面，在实际光学系统中，由于制造误差，构成光学系统的光学参数的值变得与设计状态下的值不同。因此，存在光学系统的性能不同于设计状态下的性能的情况。因此，在设计阶段，需要考虑与设计状态下的性能不同的性能。因此，将制造误差赋予设计状态下的多个光学参数中的至少一个光学参数。由此，设定了如下状态：光学系统的构成与设计状态相比略微变化。在本发明中，这种状态称为制造状态。

在制造状态下，期望可以再现所有实际的制造误差。即，理想地，将所有误差都赋予设计状态下的光学参数。然而，全面地给出(再现)具有分布的所有误差是不现实的。从而，使用基于实际生成能力的代表值作为赋予光学参数的误差量δ。对于赋予特定光学参数A的误差，可以考虑两种误差：A+δ和A-δ。

在误差量δ为微小值的情况下，认为由误差引起的性能的变化能大致保持线性。因此，赋予的误差量可以是A+δ或A-δ。当然，如果赋予了A+δ和A-δ两者，则当然，可以更准确地考虑误差的影响。

此外，对于制造状态的制备，可以考虑以下两种情况。一种情况是将制造误差中的一种赋予一个光学参数，并制备一种制造状态，下面给出这种示例。此处，a、b、c和d是制造误差，其种类互不相同。

制造状态A＝设计状态下的光学参数A+制造误差a

制造状态B＝设计状态下的光学参数B+制造误差b

制造状态C＝设计状态下的光学参数C+制造误差c

制造状态D＝设计状态下的光学参数D+制造误差d

例如，当光学参数A是曲率半径时，制造误差a是牛顿数(Newtonnumber)。此外，当光学参数B是镜厚时，制造误差b是厚度误差。在这种情况下，评估函数F变为评估函数F(制造状态A，制造状态B，制造状态C，制造状态D)。在这种情况下，由于可以掌握各误差所引起的光学性能的改变，所以这适于阐明现象。

另一种情况是将两种或更多种制造误差赋予一个光学参数，并且制备一种制造状态。下面示出这种实例。此处，a、a′、b、c和d是制造误差，其种类互不相同。

制造状态X＝设计状态下的光学参数A+制造误差a+制造误差a′+设计状态下的光学参数B+制造误差b

制造状态Y＝设计状态下的光学参数C+制造误差c+设计状态下的光学参数D+制造误差d

例如，当光学参数A是曲率半径时，制造误差a是牛顿数，并且制造误差a′是像散(astigmatism)。此外，当光学参数B是镜厚时，制造误差b是厚度误差。

在这种情况下，评估函数F成为评估函数F(制造状态X，制造状态Y)。在这种情况下，可以掌握由于两个或更多个光学参数中的误差的叠加而产生的光学性能变化。如上所述，与针对各制造误差的每一种来制备制造状态的情况相比，可以将制造状态的总数抑制到较少数目。用于创建制造状态的方法由要设计的光学系统的规格、误差的影响程度等决定。即，设计者可以通过其自己的判断来选择任一种方法。或者，也可以通过例如制备两者的制造状态，并使用将它们进行了组合的评估函数作为评估函数F(制造状态A、制造状态X)等，来执行光学设计。

接下来，将针对每一步骤说明本发明的实施方式。

图1是示出光学系统的设计方法的一个实施方式的设计方法流程图。本发明的光学系统的设计方法包括：初始值设置步骤(步骤S1)、制造状态制备/更新步骤(步骤S2)、评估函数制备步骤(步骤S3)、优化执行步骤(步骤S4)以及效果判定步骤(步骤S5)。

首先，将说明初始值设置步骤(步骤S1)。在初始值设置步骤中，设计者设定设计状态下的光学参数的值。作为该光学参数的值，可以使用在过去设计的光学系统的光学参数值。要么，基于执行光学设计而获得的新光学系统的数据，设定该光学参数的值。

接下来，将说明制造状态制备/更新步骤(步骤S2)。在该步骤中，确定待赋予设计状态下的光学参数值的误差量。此处，特征点在于该误差量不是设计者可以随意确定的值，而是基于光学系统的制造能力来确定的值。

在本实施方式中，为了获得待赋予的误差量，预先准备误差量表。该误差量表是基于用于获取制造误差的必要条件而制备的。此外，考虑制造能力等来确定该误差量表的数据值。

在本发明中，用于获取制造误差的必要条件是指以下三个。

(1)应当赋予的制造误差的种类：

例如，牛顿误差(牛顿数：线数(number of lines))、像散、镜厚误差、透镜间隔误差、移位离心、倾斜离心等。

(2)设计状态下的光学参数的种类：

例如，光学作用面或透镜面的曲率半径、镜厚、透镜间隔、外径等。

(3)通过光学参数值表现的条件：

例如，根据条件对光学参数值的区间进行分割，在该区间内，要赋予的误差量可以成为同一值。

然而，存在如下情况：不存在其中误差量只由条件(1)、(2)决定的光学参数的数值条件。

例如，在表1中示出了曲率半径的误差量表。此处，制造误差的种类可以是牛顿误差或像差。光学参数是曲率半径。此外，光学参数的数值条件被分为五个，并且用作各条件的光学参数值的区间在以下表1中示出。

表1

	设计状态的曲率半径r
	设计状态的曲率半径r					r＜\|10\|	\|10\|≤r＜\|100\|	\|100\|≤r＜\|500\|	\|500\|≤r＜\|1000\|	\|1000\|≤r
	牛顿(线)	7	7	10	15	r＜\|10\|	\|10\|≤r＜\|100\|	\|100\|≤r＜\|500\|	\|500\|≤r＜\|1000\|	\|1000\|≤r	20
像散(线)	牛顿(线)	7	7	10	15	5	6	8	10	15	20
像散(线)	…	…	…	…	…	5	6	8	10	15	…

在表1中，设计状态的曲率半径被分为5个数值区间。关于每一个数值区间，设定牛顿数和像散数。在本发明的光学系统的设计方法中，参照该误差量表执行设计。即，从该误差量表获取要赋予设计状态的光学参数值的误差量。然后，将所获得的误差量赋予设计状态的光学参数值，并新准备制造状态下的光学参数值。在这种情况下，制造状态制备/更新步骤成为用于制备制造状态的步骤。

否则，也可以在设计光学系统的过程中将误差量变为新的误差量。如果在最初的制造状态下进一步设计光学系统，则光学参数值将改变。例如，假设在最初的制造状态下的曲率半径(光学参数)值90变为120。在这种情况下，根据表1的误差表，将牛顿数的误差量(制造误差)从7更新到10。

由此，基于误差量表，对赋予现有制造状态下的光学参数值的误差量进行更新或改变。在这种情况下，制造状态制备/更新步骤变为更新制造状态的步骤。

根据实际制造能力确定误差量表的值。因此，如果使用这种误差量表来执行设计，则将容易获得与实际制造能力对应的光学系统。这是期望的，因为根据该误差量表自动确定误差量，并且可以有效执行设计。

此外，可以使用多于一种的误差量表。制备多种误差量表以制备一览表是有益的。由此，通过这种方式，设计者可以在参照一览表的同时赋予误差量。通过将该一览表记录在计算机上以构成误差数据库(下文简写为误差DB)也是有益的。通过这种方式，使得设计者不必每次都要考虑适当的误差量。由此，可以有效进行光学系统的设计。

此外，期望将本实施方式的制备/更新制造状态步骤程序化。通过这种方式，该步骤将成为光学设计软件(下文中，简写为光学CAD)中可得到的步骤。光学CAD是可在计算机上利用的设计工具。因此，上述步骤可以并入光学CAD中。通过这种方式，从误差DB获取误差量，并通过使用该误差量，可以利用光学设计工具新制备出制造状态。或者，可以更新现有制造状态。结果，可以自动进行从误差获取到制备和更新制造状态的处理。由此，可以更有效地进行光学系统的设计。

作为制造状态的制备方法，有如下方法：将制造误差赋予两个或更多个光学参数，并制备一个制造状态。在这种情况下，对于本实施方式的制造状态制备/更新步骤，期望如下来执行该步骤。

首先，设计者选择设计者自身所关注的至少一种评估参数。选择赋予光学参数的制造误差的种类。然后，基于误差量表，将误差量赋予设计状态的光学参数值。

在这种情况下，从误差量表中选择一个使得所选择的评估参数的值可能成为最坏值的误差量。这是因为可以选择正值和负值(+δ、-δ)作为要赋予的误差量。因此，可能某个组合可以整体消除制造误差的影响。即，虽然赋予了误差量，但是处于无制造误差影响的制造状态中。因而，评估参数值变为最坏值。通过这种方式，可以消除如下情况：由于要赋予的误差量的某个组合消除了制造误差的影响，使得忽略了制造误差的影响。

此外，对于本实施方式的制备和更新制造状态的步骤，优选地，期望构成为可以自动设定赋予光学参数值的误差量。在这种情况下，组合光学CAD和误差DB是有益的。

当完成了光学CAD的基本设计时，获得设计状态。此时，将设计状态的光学参数值存储在计算机的存储器中。从而，如果参照该存储器的值，则可以从误差DB中获取误差量。通过这种方式，可以从误差量表中自动选择赋予光学参数值的误差量。由此，可以进一步有效地设计光学系统，这是由于可以自动执行从获得误差到制备/更新制造状态的操作。当基于误差量表赋予误差量时，同时执行对期望的评估参数的值可能成为最坏值进行检查的处理。

接下来，将一起说明评估函数制备步骤(步骤S3)和优化执行步骤(步骤S4)。首先，说明评估函数。通常，在使用评估函数的光学系统的设计方法中，评估函数由至少一个评估参数组成。各评估参数包括如光学性能等的评估量、权重等。作为光学性能的评估量，有由光学参数决定的像差这样的评估量。至于权重，设计者确定整个评估函数中的评估量的权重。

例如，当将评估函数设为F，评估参数设为Pi，评估参数的期望值设为Qi，并将所分配的评估参数的权重设为Wi时，评估函数F可以表示如下：

F＝∑Wi(Pi-Qi)²

此处，作为评估参数，可以使用表示光学性能的光学系统的规格、性能等，如各种像差和光学系统的焦距。在光学设计中，制备这种评估函数。然后，对于该评估函数执行优化。通过该优化，可以确定最佳光学参数的组合。通过执行这种处理来实现光学参数的设计。此处，优化的目的是通过使用所给予的评估函数获得尽可能更为接近目标性能和规格的光学参数值。至于优化方法，已知上述各种方法，如最小平方法等。其中，至于在本发明的光学系统的设计方法中使用的优化方法，可以使用任何已知的方法。此处，省略对于优化方法的具体内容的说明，因为这不与本发明直接相关。

在本实施方式的光学系统的设计方法中，除了迄今为止已经使用的诸如设计状态下的光学性能等评估参数以外，还引入了新的评估参数。该新的评估参数是制造误差敏感度参数。这种制造误差敏感度参数包括制造状态的光学性能等。在本实施方式中，引入了这种制造误差敏感度参数以执行优化。

本实施方式中的制造误差敏感度参数X是由设计状态下的光学参数y₀和制造状态下的光学参数y_i构成的评估参数。这是通常可以使用任意函数F如下表示的量。

X＝F(y₀，y_i)

作为示例，将说明一种用于根据设计状态N₀以及制造状态N₁和N₂获取制造误差敏感度参数的方法。此处，将说明如何基于质量工程进行获取的方法。至于设计状态N₀，确定条件1、2、…、k下的光学性能y₀₁、y₀₂、…、y_0k。接下来，至于制造状态N₁和N₂，类似地确定光学性能y₁₁以及y₁₂、…、y_1k，y₂₁以及y₂₂、…、y_2k。该列表在表2中示出。

表2

	1	2	…	k
	1	2	…	k	N₀N₁N₂	y₀₁y₁₁y₂₁	y₀₂y₂₁y₂₂	………	y_0ky_1ky_2k

此处，作为光学性能，存在像差、光点RMS和MTF、光强等。作为条件，可列举FNO、NA、物距、像高等。

下面，在制备了这种数据表之后，计算以下各种参数。至于参数的意义，由于在通用质量工程的文献中已经全面详细地进行了说明，所以此处省略其说明。

L1＝∑y_0jy_1j＝y₀₁y₁₁+y₀₂y₁₂+…+y_0ky_1k

L2＝∑y_0jy_2j＝y₀₁y₂₁+y₀₂y₂₂+…+y_0ky_2k

r＝∑y_0j ²＝y₀₁ ²+y₀₂ ²+…+y_0k ²

S_T＝∑∑y_ij ²＝y₁₁ ²+y₁₂ ²+…+y_1k2+y₂₁ ²+y₂₂ ²+…+y_2k ²

S_β＝(L1+L2)²/2r

S_N×β＝(L1²+L2²)/r-S_β

S_e＝S_T-S_β-S_N×β

f_e＝2k-2

f_N＝2k-1

V_e＝S_e/f_e

V_N＝(S_N×β+S_e)/f_N

根据上述参数，可以如下来计算制造误差敏感度参数X。

X＝10log{(S_β-V_e)/V_N}

该制造误差敏感度参数表示了制造误差的稳定性，并具有如下特性，即越难于受到制造的影响则值变得越大。由此，当使用制造误差敏感度参数时，可以容易地掌握制造误差的影响程度，并且因此，可以有效地执行设计。此处，制造误差敏感度参数表示了根据设计状态和制造状态的制造误差的影响级别。

接下来，将并入了制造误差敏感度参数的评估函数设为F′。然后，通过包含先前解释的评估函数F，如下来新制备评估函数F′。

F′＝F+∑w_j(X_j-Y_j)

其中X_j是制造误差敏感度参数，Y_j是制造误差敏感度参数的期望值。w_j是分配给产品误差敏感度参数的权重。

当制备这种评估函数F′时，在包括制造误差的影响的状态下，可以执行光学系统的优化。结果，可以有效获得不易于被制造误差影响的光学参数。

此外，将评估函数并入程序中，以使得其可以在计算机上被处理。然后，将各步骤构造为使得可以通过计算机来执行优化。通过这种方式，可以更有效地设计光学系统。

最后，在效果判断步骤(步骤S5)中，判断通过优化得到的光学系统是否满足所期望的规格、所期望的性能等。此处，如果光学系统具有这种所期望的规格和性能，则终止设计。另一方面，当不是这种情况时，返回到制造状态制备/更新步骤，或者初始值设置步骤。然后，重复光学系统的设计处理。

接下来，将使用附图说明本发明的实施例。

第一实施例

图1示出了光学系统的设计方法的第一实施例。此处，示出了表示整个设计过程的流程图。

在本实施例的光学系统的设计方法中，首先，在初始值设置步骤(步骤S1)中，设定在设计状态下的光学参数值。在该设计状态下不考虑制造误差。

接下来，在制造状态制备/更新步骤中，将制造误差的误差量赋予设计状态的光学参数值。或者，不是赋予在制造状态下的光学参数值被赋予的误差量，而是赋予新的误差量。在这种情况下，该步骤成为误差量的更新。由此，设定制造状态下的光学参数值(步骤S2)。该误差量是通过参照误差DB自动确定的。

接下来，在评估函数制备步骤中，确定评估函数的评估参数的种类，以便满足所期望的规格和性能。在这种情况下，赋予期望值和分配的权重。通过这种方式，确定评估函数(步骤S3)。

接下来，在优化执行步骤中，基于预定评估函数执行优化。然后，确定评估函数的最佳光学参数(步骤S4)。此处，在评估函数制备步骤中(未示出)制备评估函数。

接下来，在效果判断步骤中，根据优化执行步骤所获得的光学参数，判断光学系统的规格和性能是否是所期望的规格和性能(步骤S5)。在效果判断步骤中，当已经获得成为所期望的规格和性能的光学参数时，结束光学系统的设计。另一方面，当没有获得所期望的规格和性能时，返回到制造状态制备/更新步骤，同时保持当前的光学参数。如果返回到制造状态制备/更新步骤，则更新制造状态下的光学参数的误差量。然后，以更新的误差量继续设计处理。当需要对设计状态的光学参数值施加某种变更时，返回到初始值设置步骤。

根据第一实施例的光学系统的设计处理过程，考虑到制造误差，可以有效执行光学设计。结果，可以容易地获得受制造误差的影响较小的光学系统。此外，可以提高制造率，并且可以降低制造成本。

第二实施例

图2示出了光学系统的设计方法的第二实施例。此处，通过流程图示出了优化执行步骤的具体过程。

在进行本实施例的优化的步骤中，首先，基于所设定的光学参数值，计算并存储评估函数的值E0(步骤S11)。随后，基于评估函数进行优化，并对光学参数的值进行改变和设定(步骤S12)。接下来，基于变化之后的光学参数值，计算和存储评估函数的值E1(步骤S13)。

接下来，根据所存储的评估函数的值E0和E1，计算评估函数的改善度(improvement factor)ΔE＝-E1-E01(步骤S14)。此处，ΔE是用于判断评估函数从尚未进行优化的状态起所改善的程度的指标。该指标ΔE表示对于评估函数而言是否接近最佳光学系统。在步骤S14中，判断改善度是否大于预先设定的用于判断的标准值Ec。

假设指标ΔE小于预先设定的用于判断的标准值Ec，即，ΔE＜Ec。在这种情况下，即使进一步执行了优化，仍旧判定为其没有引起评估函数的显著改善，因此结束优化。

另一方面，假设指标ΔE不小于预先设定的用于判断的标准值Ec，即，ΔE≥Ec。在这种情况下，更新制造状态(步骤S15)。随后，返回到步骤S11，并从该步骤起重复相同处理。在步骤S14之后，只使用制造状态的更新部分。

根据用于进行第二实施例的优化的过程，可以赋予适于在优化阶段中改变的最佳参数的误差量。

第三实施例

图3示出了光学系统的设计方法的第三实施例。此处，在流程图中示出了进行制造状态制备/更新步骤的具体过程。

在本实施例的制造状态制备/更新步骤中，首先，判断是否存在制造状态(步骤S21)。当没有制备制造状态时，执行随后所述的步骤S28之后的处理。

另一方面，当已经制备了制造状态时，执行制造状态的更新。随后，将步骤S22到步骤S27的处理只重复制造状态的次数。将步骤S23到步骤S26的处理只重复赋予一个制造状态的制造误差的数目。即，在步骤S22中，将制造状态的最大数目存储在参数Imax中。然后，指定成为更新对象的制造状态。制造状态号 i表示数目为Imax的制造状态中的作为更新对象的制造状态。

在步骤S23中，将制造误差的最大数目存储在参数Jmax中。此时的制造误差表示赋予作为更新对象的制造状态的制造误差。随后，指定作为更新对象的制造误差。制造状态号 j表示数目为Jmax的制造误差中的作为更新对象的制造误差。

该制造误差号 j具有以下信息。其表示制造误差的种类、被赋予了制造误差的光学参数的种类，以及该光学参数中的赋予了制造误差的部分。例如，下表3表示如下：制造误差号1表示制造误差是牛顿误差，将该牛顿误差赋予曲率半径和光学系统的第一表面。

表3

制造误差号：j	制造误差的种类	光学参数	被赋予的部分
制造误差号：j	制造误差的种类	光学参数	被赋予的部分	1	牛顿数目(线)	曲率半径	第一表面
2	像散	曲率半径	第二表面	1	牛顿数目(线)	曲率半径	第一表面
2	像散	曲率半径	第二表面	…	…	…	…
Jmax	厚度误差	中心部分厚度	第三透镜	…	…	…	…

在步骤24中，获得并存储用于获得制造误差的必要条件。将说明这一点。如上所述，制造误差号j具有制造误差的种类、光学参数的种类以及与被赋予的部分相关的信息。因此，根据与被赋予的部分相关的信息，可以获知在被赋予的部分中的光学参数值(例如，第一表面的曲率半径r的值)。即，根据与制造误差号j相关的信息，可以获得构成误差表的用于获取制造误差的必要条件。

在步骤S25中，基于在步骤24中获得的用于获取制造误差的必要条件，参照误差量表，将通过参照所获得的误差量作为新的误差量来进行赋予。即，更新误差量。

在步骤S26中，将当前误差号j加1所得到的值视为新的误差号。然后，判断新误差号j是否超过误差数目Jmax。当新误差号j超过了误差数目Jmax时，处理步骤S27。另一方面，当没有超过时，重复从步骤S23起的处理。

在步骤S27中，将当前制造状态号i加1所得到的值视为新制造状态号。然后，判断新制造状态号i是否超过制造状态数目Imax。当新制造状态号i超过了制造状态数目Imax时，处理步骤S28。另一方面，当没有超过时，重复从步骤S22起的处理。

接下来，在步骤S28中，判断是否要新制备制造状态。当不制备制造状态时，结束用于制备/更新制造状态的处理。另一方面，当要制备制造状态时，执行步骤S29起的处理。

在步骤S29中，制备制造状态原型。此处，制造状态原型是设计状态的拷贝。即，制造状态下的原型的光学参数值与设计状态的光学参数值相同。制造状态是将制造误差添加到设计状态而获得的。因此，如果设计状态为一个，则通过添加制造误差将失去设计状态。因此，制备许多个具有与设计状态相同的状态的事物，即原型。如果执行上述这种处理，则通常必定可以保留一个设计状态。

接下来，设定要添加的误差的种类和位置，获得并存储用于获取制造误差的必要条件(步骤S30)。上述表3用于设置要添加的误差的种类和位置。接下来，根据所获得的用于获取制造误差的必要条件，参照误差量表，获得误差量。然后，将误差赋予设计状态原型中的光学参数，并将其视为当前制造状态(步骤S31)。

接下来，判断是否要在当前制造状态的光学参数中，新添加其它误差(步骤S32)。

当不添加其它误差时，执行从之后的步骤S33起的处理。另一方面，当要添加其它误差时，返回到步骤S30并再次执行该步骤之后的处理。此外，在步骤S33中，判断是否要制备新的制造状态，即，是否要添加其它的制造状态。

当不制备新的制造状态时，结束用于制造状态的制备/更新的处理。另一方面，当要制备新制造状态时，返回到步骤S29，并再次执行该步骤之后的处理。

根据第三实施例中的制造状态的制备/更新的处理过程，可以同时有效地执行现有制造状态的更新以及新制造状态的赋予。因此，可以有效执行设计。

第四实施例

图4示出了光学系统的设计方法的第四实施例。此处，在流程图中示出了制造误差制备/更新步骤的具体处理过程。本实施例的制造误差制备/更新步骤与第三实施例中的处理过程几乎相同。然而，没有执行第三实施例中的步骤S25，而是执行使用记录有误差量表的误差DB的步骤(步骤S25′)。

在步骤S25′中，根据所赋予的误差的种类和位置，将用于取得设计状态的制造误差的必要条件输入数据库中。通过这种方式，从数据库中取得应当赋予的误差量，并更新当前误差值。

根据第四实施例的制造误差的制备/更新的处理过程，可以使用计算机有效地参照误差量表。由此，可以更为有效地同时新赋予制造状态并更新现有制造状态。由此，可以进一步更为有效地进行光学系统设计。

第五实施例

示出了光学系统的设计方法的第五实施例。此处，示出了在确定制造误差敏感度参数的情况下的示例。在本实施例中，将说明当存在设计状态N₀、制造状态N₁和N₂时用于取得制造误差敏感度参数的示例。

首先，对于设计状态N₀，确定条件1、2、…、k情况下的光学性能y₀₁、y₀₂、…、y_0k。接下来，同样对于制造状态N₁和N₂，按照与设计状态N₀类似的方式确定光学性能y₁₁和y₁₂、…、y_1k、y₂₁和y₂₂、…、y_2k。

该列表在表4中以一览方式示出。

表4

此处，作为光学性能，有像差、光点RMS和MTF、光强等。作为条件因子，有FNO、NA、物距、像高等。

接下来，在制备了这种数据表之后，计算以下参数。

L1＝∑y_0jy_1j＝y₀₁y₁₁+y₀₂y₁₂+…+y_0ky_1k

L2＝∑y_0jy_2j＝y₀₁y₂₁+y₀₂y₂₂+…+y_0ky_2k

r＝∑y_0j ²＝y₀₁ ²+y₀₂ ²+…+y_0k ²

S_T＝∑∑y_1j ²＝y₁₁ ²+y₁₂ ²+…+y_1k ²+y₂₁ ²+y₂₂ ²+…+y_2k ²

S_β＝(L1+L2)²/2r

S_N×β＝(L1²+L2²)/r-S_β

S_e＝S_T-S_β-S_N×β

f_e＝2k-2

f_N＝2k-1

V_e＝S_e/f_e

V_N＝(S_N×β+S_e)/f_N

根据上述参数，可以如下来计算制造误差敏感度参数X。

X＝10log{(S_β-V_e)/V_N}

第六实施例

示出了光学系统的设计方法的第六实施例。

此处，同样，示出了在确定制造误差敏感度参数的情况下的另一示例。在本实施例中，存在设计状态N₀、制造状态N₁和N₂。此外，赋予制造状态N₁和N₂的误差，对于N₁为A+δ，对于N₂为A-δ。示出了在用于获取制造误差敏感度参数的这种情况下的示例。

首先，对于设计状态N₀，确定条件1、2、…、k下的光学性能y₀₁、y₀₂、…、y_0k。接下来，同样对于制造状态N₁和N₂，按照与设计状态N₀类似的方式确定光学性能y′₁₁和y′₁₂、…、y′_1k，y′₂₁和y′₂₂、…、y′_2k。

这些在表5中以一览方式列出。

表5

	1	2	…	k
	1	2	…	k	N₀N₁N₂	y₀₁y′₁₁y′₂₁	y₀₂y′₁₂y′₂₂	…s……	y_0ky′_1ky′_2k

此处，作为光学性能，有像差、光点RMS和MTF、光强等。作为条件，有FNO、NA、物距、像高等。

接下来，在制备了这种数据表之后，计算以下参数。

L1＝∑y_0jy′_1j＝y₀₁y′₁₁+y₀₂y′₁₂+…+y_0ky′_1k

L2＝∑y_0jy′_2j＝y₀₁y′₂₁+y₀₂y′₂₂+…+y_0ky′_2k

r＝∑y_0j ²＝y₀₁ ²j+y₀₂ ²+…+y_0k ²

S_T＝∑∑y′_ij ²＝y′₁₁ ²+y′₁₂ ²+…+y′_1k ²+y′₂₁ ²+y′₂₂ ²+…+y′_2k ²

S_β＝(L1+L2)²/2r

S_N×β＝(L1²+L2²)/r-S_β

S_e＝S_T-S_β-S_N×β

f_e＝2k-2

f_N＝2k-1

V_e＝S_e/f_e

V_N＝(S_N×β+S_e)/f_N

根据上述参数，可以如下来计算制造误差敏感度参数X。

X＝10log{(S_β-V_e)/V_N}

第七实施例

示出了光学系统的设计方法的第七实施例。此处，示出了在确定产品误差敏感度参数的情况下的另一示例。

在本实施例中，将说明当存在设计状态N₀和制造状态N₁时确定制造误差敏感度参数的示例。首先对于设计状态N₀，确定条件1、2、…、k下的光学性能y₀₁、y₀₂、…、y_0k。接下来，同样对于制造状态N₁，按照与设计状态N₀类似的方式确定光学性能y′₁₁和y′₁₂、…、y′_1k。在制造状态N₁下，赋予误差A-δ。此处，由于误差量很小，所以可以推测当赋予误差A-δ时的制造状态N₂的性能。由此，对于制造状态N₂，可以将光学性能y″₂₁和y″₂₂、…、y″_2k确定为y″_2j＝2y₀₂-y′_1j。

这些在表6中以一览方式列出。

表6

	1	2	…	k
	1	2	…	k	N₀N₁N₂	y₀₁y′₁₁y″₂₁	y₀₂y′₁₂y″₂₂	………	y_0ky′_1ky″_2k

接下来，在制备了这种数据表之后，计算以下参数。

L1＝∑y_0jy′_1j＝y₀₁y′₁₁+y₀₂y′₁₂+…+y_0ky′_1k

L2＝∑y_0jy″_2j＝y₀₁y″₂₁+y₀₂y″₂₂+…+y_0ky″_2k

r＝∑y_0j ²＝y₀₁ ²+y₀₂ ²+…+y_0k ²

ST＝∑∑y_ij ²＝y′₁₁ ²+y′₁₂ ²+…+y′_1k ²+y″₂₁ ²+y″₂₂ ²+…+y″_2k ²

S_β＝(L1+L2)²/2r

S_N×β＝(L1²+L2²)/r-S_β

S_e＝S_T-S_β-S_N×β

f_e＝2k-2

f_N＝2k-1

V_e＝S_e/f_e

V_N＝(S_N×β+S_e)/f_N

根据上述参数，可以如下来计算制造误差敏感度参数X。

X＝10log{(S_β-V_e)/V_N}

图5是示出了执行本发明的方法的处理设备的构成的图。该处理设备包括：输入部1，其输入该设计方法所需的信息；运算部2，其执行本发明的设计方法所需的运算；存储部3，其存储由该运算部2处理的结果；以及输出部，其以设计者可以理解的形式输出运算结果。

将输入部1所输入的信息一次发送到运算部3，并且判断信息的分类和值，并且如果需要则将信息存储在存储部3中。在存储部3中，通过运算部2的指令将存储部3的内容存储在存储部3的特定区域中。在运算部2中，与该方法的运行阶段相对应，从存储部3调用所需信息，执行运算，并将执行结果存储在存储部3中。最后，作为该方法的实施结果，从存储部3调用所获得的信息，并在运算部2中将其处理为可以被设计者所理解的状态之后发送到输出部4。在输出部4中，基于从运算部3发送的信息，将输出表示给设计者。

接下来，将利用第一实施例说明通过该结构实际实现本发明的方法的示例。

首先，作为用于启动第一实施例的流程的准备，从输入部1输入各种信息，如在本发明的实现过程中未改变的误差量，并且将信息存储在存储部3中的用于保存各种信息的独占存储区域中。例如，对于误差量，通过输入部1输入误差量值，在运算部2中执行运算，并制备误差量DB，并将误差量DB的信息存储在存储部3中。

在步骤1中，从输入部1输入设计状态的光学参数，将信息保存在设计状态的光学参数保存区域中。

在步骤2中，将设计状态的光学参数和误差量DB调用到运算部2。在运算部2中，对于各光学参数，在参照误差量DB的信息的同时，制备制造状态下的光学参数，或者更新现有的制造状态下的光学参数。

在步骤3中，从输入部1输入评估函数的参数以及其所分配的权重，并由运算部2基于所输入的评估函数的参数以及所分配的权重制备评估函数。将运算部2所制备的评估函数存储在存储部3的评估函数存储区域中。

在步骤4中，将存储部3中的设计状态的光学参数、制造状态的光学参数以及评估函数调用到运算部2，然后在运算部2中基于所调用的评估函数执行优化运算。将所获得的设计状态的光学参数以及制造状态的光学参数存储在存储部3的各区域中，并更新信息。

在步骤5中，将存储部3中的设计状态的光学参数、制造状态的光学参数调用到运算部2，然后对基于设计状态的光学参数或者制造状态的光学参数的信息进行处理，以使得其成为预先定义的信息输出格式，然后将这些信息输出到输出部4。在输出部4中，基于所处理的信息，将信息显示给设计者。

设计者基于输出部4所表示的信息，判断这些信息是否成为了所期望的规格和性能。如果在设计者所要求的规格和性能的范围内，则结束设计。如果不在该所期望的规格和性能的范围内，则返回到步骤2或步骤3，并且再次重复上述过程。

Claims

1、一种使用评估函数的光学系统设计方法，特征在于所述设计方法包括：

初始值设置步骤，该步骤设定在没有考虑制造误差的设计状态下的光学参数，

制造状态制备/更新步骤，其中通过将制造误差加入所述设计状态下的光学参数中来制备制造状态下的光学参数，或者更新现有制造状态下的光学参数的制造误差，

制备评估函数的评估函数制备步骤，以及

优化执行步骤，该步骤通过对所述评估函数进行优化来确定最佳光学参数。

2、根据权利要求1所述的光学系统设计方法，其中在所述制造状态制备/更新步骤中，根据按照用于获取制造误差量的必要条件而预先建立的误差量表，获得要赋予的制造误差量，将所述误差量赋予所述设计状态下的光学参数，由此新制备所述制造状态下的光学参数，或者根据所述设计状态下的光学参数的变化，更新已对现有制造状态下的光学参数赋予的误差量的值。

3、根据权利要求1所述的设计方法，其中在所述评估函数制备步骤中，除了所述评估函数的评估参数以外，还包括至少一个基于所述设计状态和制造状态的光学性能而确定的制造误差灵敏度参数，作为评估参数。

4、一种光学系统设计方法，特征在于，所述设计方法包括：初始值设置步骤，该步骤设定设计状态下的值作为光学参数值；制造状态制备步骤，该步骤设定制造状态下的值作为光学参数值；评估函数制备步骤，该步骤制备以制造状态作为变量的评估函数；以及优化执行步骤，该步骤优化评估函数，其中通过将预定误差量加入设计状态下的值中来设定制造状态下的值。

5、根据权利要求4所述的光学系统设计方法，其中基于误差量表的值确定误差量。

6、根据权利要求5所述的光学系统设计方法，其中根据实际制造能力确定误差量表的值。

7、根据权利要求5所述的光学系统设计方法，其中误差量表是通过制造误差的种类与光学参数的种类的组合而构成的。

8、根据权利要求5所述的光学系统设计方法，其中所述制造误差的种类包含牛顿误差、像散、镜厚误差、倾斜离心以及移位离心中的至少一个。

9、根据权利要求5所述的光学系统设计方法，其中所述光学参数的种类包含曲率半径、镜厚以及透镜间隔中的至少一个。

10、根据权利要求5所述的光学系统设计方法，其中将所述误差表中可以取得的光学参数的区间划分为多个数值区间。

11、根据权利要求10所述的光学系统设计方法，其中对于所述多个数值区间中的每一个设定误差量。

12、根据权利要求4所述的光学系统设计方法，其中还提供有制造状态更新步骤，所述制造状态更新步骤是随着设计状态下的光学参数值的变化，根据误差量表，更新为新的制造误差。

13、一种处理装置，特征在于包括：运算部，用于执行根据权利要求1所述的光学系统设计方法；输入部，其输入运算所需的信息；输出部，其输出运算结果；以及存储部，其存储运算结果。