JP2006350759A - Design method of optical system - Google Patents

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JP2006350759A JP2005177283A JP2005177283A JP2006350759A JP 2006350759 A JP2006350759 A JP 2006350759A JP 2005177283 A JP2005177283 A JP 2005177283A JP 2005177283 A JP2005177283 A JP 2005177283A JP 2006350759 A JP2006350759 A JP 2006350759A
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Sumio Hashimoto
純夫 橋本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To shorten computation time necessary for optical design. <P>SOLUTION: A design method of an optical system for designing an optical system by differentiating the aberration of the optical system with respect to a parameter (such as radius of curvature, distance or refractive index) defining the optical system to calculate the rate of change corrects the differential rate of change with the rate of change of a variation in a Gaussian image plane due to a slight variation in the parameter defining the optical system. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体露光装置、液晶露光装置、カメラ、顕微鏡など、あらゆる光学分野に使用される光学系の設計方法に関するものである。   The present invention relates to a method for designing an optical system used in various optical fields such as a semiconductor exposure apparatus, a liquid crystal exposure apparatus, a camera, and a microscope.

従来の光学系は、光軸上に屈折光学素子または、反射光学素子または、それらを複数枚組み合わせたもので構成され、それらの光学系を構成するパラメータ(曲率半径、間隔、屈折率など)を最適に設計することで収差を補正し、所望の性能を得ていた。   Conventional optical systems are composed of refractive optical elements or reflective optical elements on the optical axis, or a combination of a plurality of them, and the parameters (curvature radius, spacing, refractive index, etc.) that make up those optical systems. Optimum design corrects aberrations and achieves the desired performance.

最適なパラメータ値を求めるために、現設計時点での収差値と、その設計値のパラメータをわずかに変化した場合の収差の変化率を求め、それらの値から、最小二乗法または減衰最小二乗法(DLS法)によりもっと良い設計解を得ていた。しかし、収差値は、パラメータ値に対して極めて非線形なために、最小二乗法または減衰最小二乗法による最適値を一回で求められることは稀で、何回も繰り返して計算することにより、所望の性能を得ていた。又、どのような光学系をどのような光学素子で構成するかは、かなりの試行錯誤を必要とし、結果的に光学系の設計には、かなりの計算時間を必要としていた。   In order to obtain the optimum parameter value, the aberration value at the time of the current design and the change rate of the aberration when the parameter of the design value is slightly changed are obtained, and the least square method or the attenuation least square method is obtained from these values. A better design solution was obtained by (DLS method). However, since the aberration value is extremely non-linear with respect to the parameter value, it is rare that the optimum value by the least square method or the attenuated least square method is obtained at one time. Was getting performance. In addition, what kind of optical system is constituted by what kind of optical element requires considerable trial and error, and as a result, considerable time is required for designing the optical system.

ところが、レンズデータの各面間の光線移動式と屈折式を、光線通過位置や、光線の方向余弦で微分して記憶させることにより、パラメータによる微分が可能であることがFederにより示された(J. Opt. Soc. Am. 58, 1494 (1968)、非特許文献1参照)。これによれば、収差のパラメータによる変化率の計算は著しく速くなり、光学系設計全体にかかる時間の大幅な短縮が可能となる。   However, Feder showed that differentiation by parameters is possible by differentiating and storing the ray movement equation and refraction equation between each surface of the lens data by the ray passing position and the direction cosine of the ray ( J. Opt. Soc. Am. 58, 1494 (1968), see Non-Patent Document 1). According to this, the calculation of the change rate according to the aberration parameter is remarkably quick, and the time required for the entire optical system design can be greatly shortened.

J. Opt. Soc. Am. 58, 1494 (1968)J. Opt. Soc. Am. 58, 1494 (1968)

しかしながら、非特許文献1には、パラメータを微小変化させたことによる近軸的なGauss像面の移動による収差の変動や、非点収差のパラメータによる変化率を微分で求める方法は示されていない。そこで、本発明は、光学系の設計に必要なこれらの量を微分で求める方法を提供することを課題としている。   However, Non-Patent Document 1 does not disclose a method for differentially obtaining a change in aberration due to a paraxial Gaussian image plane movement caused by minutely changing a parameter or a change rate due to an astigmatism parameter. . Therefore, an object of the present invention is to provide a method for obtaining these amounts necessary for designing an optical system by differentiation.

また、光軸が偏芯することなどにより、光軸に関して回転非対称な光学系では、非点収差の光線追跡式は使えず、光学系に入射する主光線と、主光線から光学系に入射する角度を微小変化させた光線が像面付近で交差する交点位置から非点収差を計算していた。しかし、この計算方法では、高精度な非点収差位置を求めるためには角度をかなり微小変化しなければならないが、あまり微小であると桁落ちによる計算精度の劣化の問題があった。さらにそれをパラメータで微分するとさらに、計算精度上の問題があった。そこで、本発明は、像面付近で交差する交点位置を、主光線から光学系に入射する光線の方向余弦で微分する方法により、この問題を解決することを課題としている。   In addition, in an optical system that is rotationally asymmetric with respect to the optical axis due to the eccentricity of the optical axis, the astigmatism ray tracing method cannot be used, and the principal ray that enters the optical system and the principal ray that enters the optical system. Astigmatism was calculated from the position of the intersection where the light beams with slightly changed angles intersect near the image plane. However, in this calculation method, in order to obtain a highly accurate astigmatism position, the angle must be changed very slightly. However, if it is too small, there is a problem of deterioration in calculation accuracy due to a digit loss. Furthermore, when it was differentiated by parameters, there was a problem in calculation accuracy. In view of this, the present invention has an object to solve this problem by a method of differentiating the intersection position intersecting in the vicinity of the image plane with the direction cosine of the light ray incident on the optical system from the principal ray.

前記課題を解決するための第1の手段は、光学系による収差を、光学系を構成するパラメータ(曲率半径、間隔、屈折率など)で微分してその変化率を計算することにより光学系を設計する方法において、微分した変化率を、光学系を構成するパラメータが微小変動することによるGauss像面の変動の変化率で補正することを特徴とする光学系の設計方法である。   The first means for solving the above problem is to differentiate the aberration caused by the optical system with parameters (curvature radius, interval, refractive index, etc.) constituting the optical system, and calculate the rate of change thereof. In the designing method, the differentiated rate of change is corrected by the rate of change of the Gaussian image plane caused by a minute change in parameters constituting the optical system.

前記課題を解決するための第2の手段は、光学系による非点収差の、光学系を構成するパラメータ(曲率半径、間隔、屈折率など)による変化率を計算することにより光学系を設計する方法において、光学系の非点収差のパラメータによる変化率を、非点収差の光線追跡式を微分することにより求めることを特徴とする光学系の設計方法である。   The second means for solving the above problem is to design the optical system by calculating the rate of change of astigmatism due to the optical system depending on the parameters (curvature radius, spacing, refractive index, etc.) constituting the optical system. In this method, the rate of change due to the astigmatism parameter of the optical system is obtained by differentiating an astigmatism ray tracing equation.

前記課題を解決するための第3の手段は、光学系による非点収差を計算することにより光学系を設計する方法において、光学系に入射する主光線と、光学系に入射する角度を主光線から微小変化させた光線が、像面付近で交差する交点位置を、主光線の像面での到達位置と像面での方向余弦で表し、それらを主光線から光学系に入射する光線の方向余弦で微分することにより、非点収差を求めることを特徴とする光学系の設計方法である。   According to a third means for solving the above problem, in the method of designing an optical system by calculating astigmatism by the optical system, the principal ray incident on the optical system and the angle incident on the optical system are determined as the principal ray. The position of the intersection where the light beam slightly changed from 1 intersects in the vicinity of the image plane is represented by the arrival position of the principal ray on the image plane and the direction cosine on the image plane, and the direction of the ray incident on the optical system from the principal ray In this optical system design method, astigmatism is obtained by differentiating with a cosine.

前記課題を解決するための第4の手段は、光学系による非点収差を計算することにより光学系を設計する方法において、光学系に入射する主光線と、光学系に入射する角度を主光線から微小変化させた光線が、像面付近で交差する交点位置を、主光線の像面での到達位置と像面での方向余弦で表し、それらを主光線から光学系に入射する光線の方向余弦で微分することにより非点収差を求め、光学系を構成するパラメータによる変化率を、この非点収差の式をパラメータで微分することにより求めることを特徴とする光学系の設計方法である。   According to a fourth means for solving the above problem, in the method of designing an optical system by calculating astigmatism by the optical system, the principal ray incident on the optical system and the angle incident on the optical system are determined as the principal ray. The position of the intersection where the light beam slightly changed from 1 intersects in the vicinity of the image plane is represented by the arrival position of the principal ray on the image plane and the direction cosine on the image plane, and the direction of the ray incident on the optical system from the principal ray In this optical system design method, astigmatism is obtained by differentiating with the cosine, and the rate of change due to the parameters constituting the optical system is obtained by differentiating the astigmatism equation with the parameter.

本発明の光学系の設計方法により、光学系の設計に必要な近軸的なGauss像面の移動による収差の変動や、非点収差のパラメータによる変化率を微分で求めることが可能となり、光学設計に必要な計算時間を短縮することが可能となる(第1の手段)。また、光軸に関して非対称な光学系でも非点収差を正確に計算することが可能となる(第3の手段)。さらにこの計算式をパラメータで微分することにより、光軸に関して非対称な光学系でも、光学設計に必要な計算時間が大幅に短縮することが可能となる(第2の手段、第3の手段)。   With the optical system design method of the present invention, it is possible to obtain the aberration variation due to the paraxial Gaussian image plane movement necessary for the optical system design and the rate of change due to the astigmatism parameter by differentiation. It is possible to shorten the calculation time required for the design (first means). In addition, astigmatism can be accurately calculated even in an optical system that is asymmetric with respect to the optical axis (third means). Furthermore, by differentiating this calculation formula with parameters, it becomes possible to significantly reduce the calculation time required for optical design even in an optical system that is asymmetric with respect to the optical axis (second means, third means).

先ず、パラメータを微小変化させたことによる近軸的なGauss像面の移動による収差の変動を計算するためには、近軸光線追跡式のパラメータによる微分を計算する必要がある。その方法が理解し易いように、最初に非特許文献1に記載されたFederによる方法を紹介する。   First, in order to calculate a change in aberration due to a paraxial Gaussian image plane movement due to a minute change in a parameter, it is necessary to calculate a derivative by a paraxial ray tracing type parameter. First, the Feder method described in Non-Patent Document 1 is introduced so that the method can be easily understood.

光学系の光軸をx軸、子午線軸をz軸とし、レンズの第(i-1)面から第i面までを光線が通過するときの光線追跡式について考える。なお、本明細書においては、文章中でベクトル記号を使用するとイメージデータを使用しなければならなくなり煩雑になるので、ベクトルの場合、その前にベクトルである旨を明示して代用することにする。式の中では、ベクトルを太文字で表す。又、行列は文章中では[ ]で示すものとし、式中では太文字で表す。   Let us consider a ray tracing formula when a light beam passes from the (i-1) th surface to the ith surface of the lens with the optical axis of the optical system as the x-axis and the meridian axis as the z-axis. In this specification, if vector symbols are used in text, image data must be used, which is cumbersome. Therefore, in the case of a vector, the fact that it is a vector is clearly indicated before that. . In formulas, vectors are represented by bold characters. The matrix is indicated by [] in the text and is indicated by bold characters in the formula.

(i-1)面及びi面の光線通過点を、それぞれ、(i-1)面及びi面の光線の方向余弦を、それぞれ、(Xi−1,Yi−1,Zi−1)、(X,Y,Z)とする。 The ray passing points on the (i-1) plane and the i plane, respectively, and the direction cosines of the rays on the (i-1) plane and the i plane, respectively (X i-1 , Y i-1 , Z i-1 ), (X i , Y 1 , Z).

光線が通過する面の形状及び、方向余弦の関係式より、xは y,zより、Xiは、 Y、Zより求められる。
ここで、(i-1)面からi面までの移動の式を、
From the shape of the surface through which the light passes and the relational expression of the direction cosine, x i is obtained from y i and z i , and Xi is obtained from Y i and Z i .
Here, the equation of movement from the (i-1) plane to the i plane is

Figure 2006350759
i面での屈折の式(または反射の式)を、
Figure 2006350759
The refraction formula (or reflection formula) on the i-plane is

Figure 2006350759
とする。そして、(1-1)式,(1-2)式をparameter:pで微分する場合のベクトルY、ベクトルY’を以下のように定義する。
Figure 2006350759
And Then, the vector Y i and the vector Y i ′ when the equations (1-1) and (1-2) are differentiated by parameter: p are defined as follows.

Figure 2006350759
すると、ベクトルY、ベクトルY'の微分は、次のようにベクトルYi−1、ベクトルYi−1'の微分で表わされる。
Figure 2006350759
Then, the differentiation of the vector Y i and the vector Y i ′ is expressed by the differentiation of the vector Y i−1 and the vector Y i−1 ′ as follows.

Figure 2006350759
ただし、
Figure 2006350759
However,

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
It becomes.

次に像面を(F+1)面とし、[CF+1]を単位行列とし、[C’]=[CF+1][TF+1]、[C]=[C’][R]、…、[C’]=[Ci+1][T]、[C]=[C’][R] …(1-11)
とする。 pをi面でのパラメータとすると、pがシフトしても、i面以前には光線追跡に影響を及ぼさない。つまり1≦j≦i−1のとき、
Next, the image plane is the (F + 1) plane, [C F + 1 ] is the unit matrix, [C F '] = [C F + 1 ] [T F + 1 ], [C F ] = [C F '] [R F ], [C i '] = [C i + 1 ] [T i ], [C i ] = [C i '] [R i ] ... (1-11)
And If p is a parameter on the i-plane, even if p is shifted, the ray tracing is not affected before the i-plane. That is, when 1 ≦ j ≦ i−1,

Figure 2006350759
ゆえに、
Figure 2006350759
therefore,

Figure 2006350759
(1-11)より(1-13)は、
Figure 2006350759
From (1-11) to (1-13)

Figure 2006350759
pがi面での曲率半径rまたは非球面係数Cinならば、
Figure 2006350759
If p is the radius of curvature r i on the i-plane or the aspherical coefficient C in ,

Figure 2006350759
以外はゼロになる。従って(1-14)式は、
Figure 2006350759
Otherwise, it becomes zero. Therefore, equation (1-14) is

Figure 2006350759
pが(i−1)面とi面での間隔Di−1ならば、
Figure 2006350759
If p is the distance D i−1 between the (i−1) plane and the i plane,

Figure 2006350759
以外はゼロになる。従って(1-14)式は
Figure 2006350759
Otherwise, it becomes zero. Therefore, equation (1-14) is

Figure 2006350759
となる。このように、parameterに依存しない微分行列をあらかじめまとめて記憶しておいて計算することにより、計算時間の節約が可能になる。以上がFederによる方法の概略である。
Figure 2006350759
It becomes. In this manner, calculation time can be saved by storing and calculating differential matrices that do not depend on parameters in advance. The above is the outline of the method by Feder.

次に(1-7)〜(1-10)で表わされるような各偏微分要素について、非球面非偏心の光線追跡式の場合に対して示しておく。
先ず、xはi面での曲率半径および非球面係数により、
Next, each partial differential element represented by (1-7) to (1-10) will be described with respect to the case of the aspherical non-eccentric ray tracing type.
First, the curvature radius and the aspherical coefficient at x i is i-th surface,

Figure 2006350759
となる。ただし、
Figure 2006350759
It becomes. However,

Figure 2006350759
である。従って、
Figure 2006350759
It is. Therefore,

Figure 2006350759
となり、
Figure 2006350759
And

Figure 2006350759
と置くと、
Figure 2006350759
And put

Figure 2006350759

となる。また、
Figure 2006350759

It becomes. Also,

Figure 2006350759
とする。これらを用いて、移動式の微分要素を表わすと、
Figure 2006350759
And Using these, the mobile differential element is expressed as follows:

Figure 2006350759
となる。移動式のパラメータによる微分は、パラメータが曲率半径rの場合、
Figure 2006350759
It becomes. The differentiation by the moving parameter is, when the parameter is the radius of curvature r i ,

Figure 2006350759

Figure 2006350759
Figure 2006350759

Figure 2006350759

Figure 2006350759
となる。パラメータが曲率半径ri−1の場合、
Figure 2006350759
It becomes. If the parameter is the radius of curvature r i−1 ,

Figure 2006350759
となり、パラメータが非球面係数の場合
Figure 2006350759
And the parameter is an aspheric coefficient

Figure 2006350759
となる。またパラメータが間隔Di−1の場合、
Figure 2006350759
It becomes. If the parameter is the interval D i−1 ,

Figure 2006350759
となる。
次に屈折式の微分要素を示す。光線と屈折面の交点での屈折面の法線の方向余弦を(α、β、γ)とすると、
Figure 2006350759
It becomes.
Next, the differential element of the refraction formula is shown. If the direction cosine of the normal of the refracting surface at the intersection of the ray and the refracting surface is (α i , β i , γ i ),

Figure 2006350759
となる。従って、
Figure 2006350759
It becomes. Therefore,

Figure 2006350759
となる。ただし、
Figure 2006350759
It becomes. However,

Figure 2006350759
で与えられる。同様にして、
Figure 2006350759
Given in. Similarly,

Figure 2006350759
となる。次に、入射光線ベクトルと屈折面の法線の内積をI、出射光線ベクトルと屈折面の法線の内積をI’
とすると、
Figure 2006350759
It becomes. Next, the inner product of the incident ray vector and the normal of the refracting surface is I i , and the inner product of the outgoing ray vector and the refracting surface of the normal is I ′ i.
Then,

Figure 2006350759
となり、屈折式は、
Figure 2006350759
And the refraction formula is

Figure 2006350759
となる。これらのyによる微分は、
Figure 2006350759
It becomes. These y i derivatives are

Figure 2006350759
となる。同様にして、
Figure 2006350759
It becomes. Similarly,

Figure 2006350759
また、方向余弦による微分は、
Figure 2006350759
Also, the differentiation by direction cosine is

Figure 2006350759
となる。さらに、
Figure 2006350759
It becomes. further,

Figure 2006350759
と書き換えることができるので、
Figure 2006350759
Can be rewritten as

Figure 2006350759
となり、屈折式のパラメータによる微分は、
Figure 2006350759
And the differentiation by the parameters of the refraction formula is

Figure 2006350759

Figure 2006350759
Figure 2006350759

Figure 2006350759

Figure 2006350759

Figure 2006350759
Figure 2006350759

Figure 2006350759

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
It becomes.

次に、課題を解決するための第1の手段の実施の形態である計算方法について説明する。そのために、最初に、近軸光線追跡式のパラメータによる微分を計算する方法を説明する。ここでいう近軸光線追跡式とは、次のようなものである。すなわち、i面と光線の交点の近軸的な位置をh,i面での光線の光軸となす角をαとすると、 Next, a calculation method that is an embodiment of the first means for solving the problem will be described. For this purpose, first, a method for calculating the derivative by the parameter of the paraxial ray tracing equation will be described. The paraxial ray tracing formula here is as follows. That is, if the paraxial position of the intersection of the i-plane and the ray is h i and the angle between the optical axis of the ray on the i-plane is α i ,

Figure 2006350759
ただし、最終面I=Fでは(2-2)を計算しない。そして、最終面では、光学系の倍率βが指定されている場合、αを(2-1)の代わりに、
α=α/β …(2-3)
とする。ただし、αは最初の面に入射する前の近軸的な光線と光軸のなす角度である。
また、光学系の倍率が指定されていない場合、(2-3)を計算しない。
Figure 2006350759
However, (2-2) is not calculated for the final plane I = F. And on the final surface, when the magnification β of the optical system is specified, α F is replaced with (2-1),
α F = α 0 / β (2-3)
And Here, α 0 is an angle formed by the paraxial light beam before entering the first surface and the optical axis.
If the optical system magnification is not specified, (2-3) is not calculated.

次にGauss像面の位置dを、光学系の倍率βが指定されていてもいなくても、
=h/α …(2-4)
と計算する。次に光学系の倍率βが指定されていない場合のみ、近軸倍率βを
β=α/α …(2-5)
と計算する。なお光学系の倍率βが指定されている場合、最終面のレンズの曲率半径を
Next, the position d F of the Gauss image plane can be set whether or not the magnification β of the optical system is specified.
d F = h F / α F (2-4)
And calculate. Next, only when the magnification β of the optical system is not specified, the paraxial magnification β is changed to β = α 0 / α F (2-5)
And calculate. When the magnification β of the optical system is specified, the radius of curvature of the lens on the final surface is

Figure 2006350759
と計算する。
次に、近軸光線追跡の微分について説明する。
α, hi+hのパラメータpによる微分のベクトルを、
Figure 2006350759
And calculate.
Next, the differentiation of paraxial ray tracing will be described.
The vector of differentiation by the parameter p of α i , h i + h is

Figure 2006350759
とする。ただし、最終面では、(2-2)を計算しないので、
Figure 2006350759
And However, since (2-2) is not calculated on the final surface,

Figure 2006350759
と定義する。すると、漸化式
Figure 2006350759
It is defined as Then the recurrence formula

Figure 2006350759
が成立する。ただし[G]は次のような2行2列の微分行列である。
Figure 2006350759
Is established. [G i ] is a differential matrix of 2 rows and 2 columns as follows.

Figure 2006350759
ただし、最終面では、
Figure 2006350759
However, on the final side,

Figure 2006350759
となる。パラメータpが、i面の曲率半径rまたは、間隔dとすると、pがシフトしても、i面以前の近軸光線追跡式には影響を及ぼさないので、
Figure 2006350759
It becomes. If the parameter p is the radius of curvature r i of the i-plane or the interval d i , even if p is shifted, the paraxial ray tracing equation before the i-plane will not be affected.

Figure 2006350759
となり、また、近軸光線追跡式においては、
Figure 2006350759
In the paraxial ray tracing formula,

Figure 2006350759
となるので、
Figure 2006350759
So,

Figure 2006350759
となる。(2-15)より、dα/dp、dh/dpが求められると、光学系の倍率が指定されていない場合、(2-3),(2-4)より、Gauss像面のパラメータによる変化率dα/dp、近軸倍率のパラメータによる変化率dβ/dpが
Figure 2006350759
It becomes. From (2-15), when dα F / dp and dh F / dp are obtained, if the magnification of the optical system is not specified, the parameters of the Gauss image plane are obtained from (2-3) and (2-4). The rate of change dα F / dp due to, and the rate of change dβ / dp due to the paraxial magnification parameter is

Figure 2006350759
として求められる。また、光学系の倍率が指定されている場合、(2-3)より、αはパラメータにより変動せず、そして、最終面の曲率半径を変動させて、倍率を一定に保持するので、
Figure 2006350759
As required. If the magnification of the optical system is specified, from (2-3), α F does not vary depending on the parameters, and the curvature radius of the final surface is varied to keep the magnification constant.

Figure 2006350759
となる。次に、個々の偏微分要素を近軸光線追跡式(2-1),(2-2)から求める。先ず、(2-12)の要素は、(2-1),(2-2)より、
Figure 2006350759
It becomes. Next, individual partial differential elements are obtained from paraxial ray tracing equations (2-1) and (2-2). First, the elements of (2-12) are from (2-1) and (2-2)

Figure 2006350759
となる。次に
Figure 2006350759
It becomes. next

Figure 2006350759
の要素を求める。先ず、pがi面の曲率半径rの場合、
Figure 2006350759
Find the elements of. First, when p is the curvature radius r i of the i-plane,

Figure 2006350759
次にpがi面と(i-1)面の間隔Dの場合、
Figure 2006350759
Next, when p is the distance D i between the i plane and the (i-1) plane,

Figure 2006350759
次に、pがi面の2次の非球面係数Ci1の場合、
Figure 2006350759
Next, when p is the second-order aspheric coefficient C i1 of the i-plane,

Figure 2006350759
以上のようにして、近軸光線式のパラメータによる微分が求められる。
Figure 2006350759
As described above, the differentiation by the paraxial ray parameter is obtained.

次にFederによる方法で求められた横収差のパラメータによる微分をもとに、Gauss像面の移動による収差の変動を微分で補正する方法について示す。図1において、現在のレンズデータによって、光線ABが最終面FからGauss像面に向けて進行したとする。Gauss像面の光軸での位置は最終面FからDの距離にあり、Gauss像面での光線到達位置は、光軸からGB=yF+1の距離にある。パラメータpが微小変動したことによる光線がA’B’とする。一方、パラメータpが変動したことにより、Gauss像面位置がDからDF+1’に移動する。すると光線は延長して、A’C’となる。パラメータpによる収差変動量は、BB’=Δyでは無くて,Bから光軸に平行に引いて移動したGauss像面との交点Cにより、CC’=Δy’となる。図1より明らかなように、BB’とCC’はほぼ等しく、Federの方法によりskew光線追跡式を微分して求めたdy/dp、dy/dDと、近軸光線追跡式を微分して求めたdD/dpにより、 Next, a method for correcting the aberration variation due to the movement of the Gauss image plane based on the differentiation based on the lateral aberration parameter obtained by the Feder method will be described. In FIG. 1, it is assumed that the light beam AB travels from the final plane F toward the Gauss image plane by the current lens data. The position of the Gauss image plane on the optical axis is at a distance from the final plane F to DF , and the ray arrival position on the Gauss image plane is at a distance of GB = y F + 1 from the optical axis. Let A′B ′ be a light beam caused by a slight change in the parameter p. On the other hand, the Gauss image plane position moves from DF to DF + 1 ′ due to the change of the parameter p. The light beam then extends to A'C '. The amount of aberration fluctuation due to the parameter p is not BB ′ = Δy F , but C 0 C ′ = Δy F ′ due to the intersection C 0 with the Gauss image plane that is moved parallel to the optical axis from B. As is clear from FIG. 1, BB ′ and CC ′ are substantially equal, and dy F / dp and dy F / dD F obtained by differentiating the skew ray tracing equation by the Feder method and the paraxial ray tracing equation are differentiated. DD F / dp

Figure 2006350759
であるので、
Figure 2006350759
So

Figure 2006350759
となり、パラメータpが微小変動したことによりGauss像面位置が移動したことによる補正された収差のパラメータによる微分は、
Figure 2006350759
Then, the derivative by the parameter of the corrected aberration due to the movement of the Gauss image plane position by the minute change of the parameter p is

Figure 2006350759
となり、同様にして、
Figure 2006350759
となる。近軸光線追跡式の微分とSkew光線追跡式の微分とを区別する目安は、前者が最終面の間隔や曲率半径といったパラメータをパラメータで微分するのに対し、後者は像高や光線の方向余弦をパラメータで微分する量であるということである。
Figure 2006350759
In the same way,
Figure 2006350759
It becomes. The standard for distinguishing the derivative of the paraxial ray tracing equation from the derivative of the Skew ray tracing equation is that the former differentiates parameters such as the distance between the final surfaces and the radius of curvature by parameters, while the latter differentiates the image height and the direction cosine of the ray. Is a quantity that differentiates by a parameter.

なお光学系の倍率βが指定されている場合、パラメータpが変動すると、最終面のレンズの曲率半径が(2-6),(2-7)により変動するので、補正された収差のパラメータによる微分は、Federの方法によりskew光線追跡式を微分して求めたdy/drと、近軸光線追跡式を微分して求めたdr/dpにより、(2-33),(2-34)の式にさらに加えて、 If the magnification β of the optical system is specified, if the parameter p varies, the radius of curvature of the lens on the final surface varies depending on (2-6) and (2-7). The differentiation is expressed by (2-33), (2-) by dy F / dr F obtained by differentiating the skew ray tracing equation by Feder's method and dr F / dp obtained by differentiating the paraxial ray tracing equation. In addition to the equation of (34)

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
It becomes.

以上のように、近軸光線追跡とその微分から、収差のパラメータによる微分をパラメータによるGauss像面の移動分だけ補正するまでのアルゴリズムを図2に示す。図2において、先ず演算処理S1により(2-1),(2-2)のような近軸光線追跡をし、光線追跡の各面毎に演算処理S2により(2-20)〜(2-29)のような近軸微分要素を計算し、(2-8),(2-9),(2-11),(2-12)のような形にまとめる。近軸光線追跡が最終面まで終わると、演算処理S3により(2-3)〜(2-7)のように近軸量を計算し、演算処理S4により(2-15)のような近軸のパラメータpによる微分を計算する。次に、skew計算のスケジュールに従って演算処理S5によりskew光線追跡をし、光線追跡の各面毎に演算処理S6により(1-17)〜(1-85)のようなskew微分要素を計算する。Skew光線追跡が最後まで終わると、演算処理S7により(1-11)のようにskew微分行列を計算し、演算処理S8により(1-15),(1-16)のように収差のパラメータpiによる微分を計算する。最後に収差のパラメータによる微分と近軸微分量から、演算処理S9により(2-33)〜(2-36)のようなGauss像面移動による補正をする。Skew光線追跡のスケジュールが全て終われば、収差のパラメータによる微分の計算を終了する。 As described above, FIG. 2 shows an algorithm from the paraxial ray tracing and its differentiation to the correction based on the aberration parameter for correcting the movement of the Gauss image plane by the parameter. In FIG. 2, paraxial ray tracing such as (2-1) and (2-2) is first performed by calculation processing S1, and (2-20) to (2-) are calculated for each surface of ray tracing by calculation processing S2. 29) Calculate paraxial differential elements such as (2), (2-8), (2-9), (2-11), and (2-12). When the paraxial ray tracing is finished up to the final surface, the paraxial amount is calculated as (2-3) to (2-7) by the arithmetic processing S3, and the paraxial as (2-15) is calculated by the arithmetic processing S4. The derivative with respect to the parameter p i is calculated. Next, the skew ray tracing is performed by the calculation processing S5 according to the schedule calculation schedule, and skew differential elements such as (1-17) to (1-85) are calculated by the calculation processing S6 for each surface of the ray tracing. When the Skew ray tracing is completed to the end, the skew differential matrix is calculated as shown in (1-11) by the calculation process S7, and the aberration parameter p is calculated as (1-15) and (1-16) by the calculation process S8. Calculate the derivative by i . Finally, correction by Gaussian image plane movement such as (2-33) to (2-36) is performed by the arithmetic processing S9 from the differentiation by the aberration parameter and the paraxial differential amount. When all of the Skew ray tracing schedules are completed, the calculation of the differentiation by the aberration parameters is terminated.

次に、課題を解決する第2の手段の実施の形態である、非点収差のパラメータによる変化率を微分で求める方法を説明する。主光線がi面によって屈折するとき、主光線とi面の交点と、メリジオナル(子午的)結像位置との距離をM,サジタル結像位置との交点をSとし、(i-1)面からi面までの光線の長さをWとし、i面に入射する光線と、i面との交点でi面との法線とのなす角の余弦をI,その法線とi面より屈折する光線光線のなす角の余弦をI’とし、交点でのメリジオナル的、およびサジタル的曲率半径の逆数をそれぞれ、ρおよびρとすると、 Next, a method for obtaining the change rate by the astigmatism parameter by differentiation, which is an embodiment of the second means for solving the problem, will be described. When the chief ray is refracted by the i-plane, the distance between the intersection of the chief ray and the i-plane and the meridional (meridian) imaging position is M i , and the intersection of the sagittal imaging position is S i , (i-1 ) The length of the ray from the plane to the i plane is W i , the cosine of the angle between the ray incident on the i plane and the normal to the i plane at the intersection of the i plane and I is the normal and i If the cosine of the angle formed by the ray refracted from the surface is I ′, and the reciprocals of the meridional and sagittal curvature radii at the intersection are ρ M and ρ S respectively,

Figure 2006350759

Figure 2006350759
Figure 2006350759

Figure 2006350759

Figure 2006350759
となる。(3-1)および(3-2)を変形すると、
Figure 2006350759
It becomes. When (3-1) and (3-2) are transformed,

Figure 2006350759
となる。ただし、
=nI’−ni−1I …(3-6)
である。従って、parameterpがi面の曲率半径や非球面係数であるとき、または、(i-1)面の間隔Di−1であるとき、pを変化させても、(i-1)面以前の光線追跡には影響を及ぼさず、(i-1)面からi面までの光線の長さWには影響を及ぼす。従って、
Figure 2006350759
It becomes. However,
J i = n i I′−n i−1 I (3-6)
It is. Therefore, when parameter pi is the radius of curvature of the i-plane or the aspherical coefficient, or when it is the distance D i-1 of the (i-1) plane, even if pi is changed, the (i-1) plane The previous ray tracing is not affected, and the ray length W i from the (i-1) plane to the i plane is affected. Therefore,

Figure 2006350759
となる。そして、SおよびMのPによる微分は、
Figure 2006350759
It becomes. And the differentiation of S i and M i by P i is

Figure 2006350759
となる。
次に、dSi+1/dp及びdMi+1/dpは、dS/dp及びdM/dpを用いて、
Figure 2006350759
It becomes.
Next, dS i + 1 / dp i and dM i + 1 / dp i use dS i / dp i and dM i / dp i ,

Figure 2006350759
となるが、後述するように、微分要素を検討することにより、WやI、I’がx、yi+1、Yの関数であることがわかるので、
Figure 2006350759
However, as will be described later, by examining the differential elements, it can be seen that W i , I, I ′ are functions of x i , y i + 1 , Y i .

Figure 2006350759
とすることができる。(3-1),(3-2)式は子午面内での式であるので、(3-13),(3-14)のようにz方向の微分を考慮する必要はない。ここで注意すべきことは、(1-22)と同様にして、
Figure 2006350759
It can be. Since equations (3-1) and (3-2) are equations in the meridian plane, there is no need to consider z-direction differentiation as in (3-13) and (3-14). What should be noted here is the same as (1-22)

Figure 2006350759
であるので、j≧i+1の場合、
Figure 2006350759
Therefore, if j ≧ i + 1,

Figure 2006350759
であるが、(1-34),(1-35)から分かるように、j=iの場合は、(3-16)は成立しない。しかも、(1-34),(1-35)から、
Figure 2006350759
However, as can be seen from (1-34) and (1-35), when j = i, (3-16) does not hold. Moreover, from (1-34), (1-35),

Figure 2006350759
であるが、
i−1=0 …(3-18)
の場合は、(3-17)より、dy/dpから、dx/dpを求めることはできない。
Figure 2006350759
In Although,
Y i-1 = 0 (3-18)
For the (3-17) than from dy i / dp i, it can not be obtained dx i / dp i.

従って、(3-13),(3-14)のように、y、Yの微分にまとめることができず、x、yi+1、Yの微分で表わすことが必要になる。j≧i+2の場合、yi−1、Yi−1の微分にまとめることが可能になり、 Therefore, as shown in (3-13) and (3-14), they cannot be combined into derivatives of y i and Y i and must be expressed by derivatives of x i , y i + 1 , and Y i . When j ≧ i + 2, it becomes possible to combine y i−1 and Y i−1 into derivatives,

Figure 2006350759
となる。
j面でのdM/dp、dS/dp、dy/dp、dY/dpを一つのベクトルの成分とすると、(j-1)面でのベクトルとの関係は、次のような偏微分行列により、
Figure 2006350759
It becomes.
dM j / dp i of the j-surface, dS j / dp i, dy j / dp i, when the components of one vector dY j / dp i, the relationship between the vector at (j-1) plane, From the partial differential matrix

Figure 2006350759
となる。(3-21)における部分行列
Figure 2006350759
It becomes. Submatrix in (3-21)

Figure 2006350759
は、(1-7)、(1-8)でy方向成分のみを取った行列により、
Figure 2006350759
Is a matrix that takes only the y-direction component in (1-7) and (1-8),

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
It becomes.

Figure 2006350759
と置き、レンズデータの最終面をF面とすると、F面での微分ベクトルは、
Figure 2006350759
If the final surface of the lens data is the F surface, the differential vector on the F surface is

Figure 2006350759
となり、微分行列をF面から逆に(i+2)面までかける過程で、次々と非点収差のparameterによる微分が求められるので、計算時間の省略ができる。微分ベクトルのj=i+1の場合は(3-13),(3-14)より、j=iの場合は(3-9),(3-10)より求められる。次に各微分要素を求める。
<3−1>
先ず(3-9),(3-10)のj=iの場合の各微分要素を求める。(3-4),(3-5)においてそれぞれ、
Figure 2006350759
Thus, in the process of multiplying the differential matrix from the F-plane to the (i + 2) plane, the differentiation by the astigmatism parameter is obtained one after another, so that the calculation time can be omitted. When j = i + 1 of the differential vector, it is obtained from (3-13) and (3-14), and when j = i, it is obtained from (3-9) and (3-10). Next, each differential element is obtained.
<3-1>
First, each differential element in (3-9) and (3-10) when j = i is obtained. In (3-4) and (3-5),

Figure 2006350759
と置くと、(3-11),(3-12)における偏微分要素は、
Figure 2006350759
Then, the partial differential elements in (3-11) and (3-12) are

Figure 2006350759
および、
Figure 2006350759
and,

Figure 2006350759
となる。
(3-1-4),(3-1-7)において、
Figure 2006350759
It becomes.
In (3-1-4) and (3-1-7),

Figure 2006350759
は、(1-64)より、
Figure 2006350759
From (1-64)

Figure 2006350759
となるので、
Figure 2006350759
So,

Figure 2006350759
となる。一方、(3-11),(3-12)における全微分要素dW/dpは、(3-3)より、
Figure 2006350759
It becomes. On the other hand, (3-11), the total differential element dW i / dp i in (3-12) and (3-3),

Figure 2006350759
となる。(3-1-11)において、dx/dpは、pがi面の曲率半径の場合(1-34)で、i面の非球面係数の場合(1-37)で与えられる。(3-1-11d)において、
Figure 2006350759
It becomes. In (3-1-11), dx i / dp i is, when p i is the radius of curvature of the i-th surface (1-34) is given in the case of non-spherical coefficient of i-th surface (1-37). (3-1-11d)

Figure 2006350759
であるので、
Figure 2006350759
So

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
It becomes.

(3-1),(3-2)はメリジオナル面内での光線追跡なので、z方向は全てゼロとなる。   Since (3-1) and (3-2) are ray traces in the meridional plane, all z directions are zero.

従って、(1-58)より、   Therefore, from (1-58)

Figure 2006350759
となり、(3-1-14)をpで微分して、
Figure 2006350759
Next, by differentiating the (3-1-14) in p i,

Figure 2006350759
となる。(3-1-15)のdα/dp、dβ/dpは、
Figure 2006350759
It becomes. Dα i / dp i of (3-1-15), I am dβ i / dp i,

Figure 2006350759
であるが、
Figure 2006350759
In Although,

Figure 2006350759
はそれぞれ、(1-76),(1-51),(1-77),(1-52)である。
がi面の曲率半径や非球面係数であるとき、(1-49),(1-21)より、
Figure 2006350759
Are (1-76), (1-51), (1-77), and (1-52), respectively.
When p i is the radius of curvature and aspheric coefficients of the i-th surface, (1-49) and (1-21),

Figure 2006350759
より、子午面内ではy=h、z=0、γ=0であるので、
Figure 2006350759
Since y i = h i , z i = 0, and γ i = 0 in the meridian plane,

Figure 2006350759
となり、
Figure 2006350759
And

Figure 2006350759
となる。また、
Figure 2006350759
It becomes. Also,

Figure 2006350759
は、pがi面の曲率半径の場合(1-35)により、i面の非球面係数の場合(1-38)により、(i-1)面の間隔Di−1の場合(1-48)により与えられる。
なお、球面の場合、
Figure 2006350759
Is optionally p i is the radius of curvature of the i-th surface (1-35), optionally aspheric coefficient of i-th surface (1-38), when the distance D i-1 of the (i-1) plane (1 -48).
In the case of a spherical surface,

Figure 2006350759
である。
<3−2>
(3-11),(3-12)における
Figure 2006350759
It is.
<3-2>
In (3-11) and (3-12)

Figure 2006350759
は、(3-1-3)から(3-1-8)のiに (i+1)を置き換えたものに等しい。一方
Figure 2006350759
Is equal to (3-1-3) to (3-1-8) with i replaced by (i + 1). on the other hand

Figure 2006350759
は、
Figure 2006350759
Is

Figure 2006350759
と置くと、
Figure 2006350759
And put

Figure 2006350759
となる。次に(3-11),(3-12)における全微分を求めると、
dS/dp、dM/dpは既に求められているが、dWi+1/dpは、
Figure 2006350759
It becomes. Next, when calculating the total derivative in (3-11) and (3-12),
dS i / dp i, dM i / dp i is already sought, dW i + 1 / dp i is,

Figure 2006350759
より、
Figure 2006350759
Than,

Figure 2006350759
となる。(3-2-6)において、 (3-16)のように、dxi+1/dpをdyi+1/dpで表わすことはできるが,dx/dpをdy/dpで表わすことはできない。また、
Figure 2006350759
It becomes. In (3-2-6), (3-16) as in, although it is possible to represent the dx i + 1 / dp i in dy i + 1 / dp i, represent the dx i / dp i in dy i / dp i I can't. Also,

Figure 2006350759
はそれぞれ、
Figure 2006350759
Respectively

Figure 2006350759
となる。ρSi+1、ρMi+1はそれぞれ、(i+1)面のサジタル的およびメリジオナル的曲率半径の逆数なので、球面の場合は
Figure 2006350759
It becomes. Since ρ Si + 1 and ρ Mi + 1 are the reciprocals of the sagittal and meridional curvature radii of the (i + 1) plane,

Figure 2006350759
であるが、非球面の場合は<3−4>を参照されたい。
また、(1-5)および(1-6)より、さらに
Figure 2006350759
However, in the case of an aspherical surface, refer to <3-4>.
From (1-5) and (1-6),

Figure 2006350759
以外はゼロになることにより、
Figure 2006350759
By becoming zero except

Figure 2006350759
となる。従って、(3-2-6),(3-2-7),(3-2-8),(3-2-9)において、dyi+1/dp、dY/dp
Figure 2006350759
It becomes. Therefore, (3-2-6), (3-2-7), (3-2-8), in (3-2-9), dy i + 1 / dp i, dY i / dp i is

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
It becomes.

Figure 2006350759
はそれぞれ,(1-26),(1-30),(1-65)より、
Figure 2006350759
Respectively from (1-26), (1-30), (1-65)

Figure 2006350759
はそれぞれ、(1-35)または(1-38),(1-82),(1-41)または(1-44)より求められる。
Figure 2006350759
Are obtained from (1-35) or (1-38), (1-82), (1-41) or (1-44), respectively.

Figure 2006350759
は(1-58)より求められる。(3-13)、(3-14)において、dx/dpは、p面の曲率半径の場合(1-34)で、i面の非球面係数の場合(1-37)で与えられ、(i-1)面の間隔Di−1の場合(3-1-12)で与えられる。(3-11),(3-12)に(3-2-6),(3-2-7),(3 -2-8),(3-2-9)を代入し、
dyi+1/dp、dY/dp、等でまとめると、
Figure 2006350759
Is obtained from (1-58). (3-13), in (3-14), dx i / dp i is, when p i is the radius of curvature of the i-th surface (1-34), if the aspherical coefficients of the i-th surface (1-37) In the case of (i−1) plane distance D i−1 , it is given by (3-1-12). Substituting (3-2-6), (3-2-7), (3-2-8), and (3-2-9) into (3-11) and (3-12)
dy i + 1 / dp i, dY i / dp i, summarized the like,

Figure 2006350759
となる。つまり、(3-13),(3-14)の偏微分要素は、j=i+1として、
Figure 2006350759
It becomes. That is, the partial differential elements of (3-13) and (3-14) are j = i + 1,

Figure 2006350759
となる。

<3−3>
j≧i+2の場合、
Figure 2006350759
It becomes.

<3-3>
If j ≧ i + 2,

Figure 2006350759
において、
Figure 2006350759
In

Figure 2006350759
はそれぞれ、(3-1-3)から(3-1-8)のiにjを置き換えたものに等しい。
Figure 2006350759
Are equivalent to (3-1-3) to (3-1-8) with j replaced by i.

Figure 2006350759
はそれぞれ、(3-2-3),(3-2-4)のi+1にjを置き換えたものに等しい。また、(3-3),(3-16)より、
Figure 2006350759
Are equivalent to i + 1 in (3-2-3) and (3-2-4) with j replaced. From (3-3) and (3-16),

Figure 2006350759
となり、さらに
Figure 2006350759
And then

Figure 2006350759
となるので、(3-3-1),(3-3-2)に(3-3-3)から(3-3-7)を代入して、(3-2-17)〜(3-2-22)を用いて整理すると、
Figure 2006350759
Therefore, by substituting (3-3-7) from (3-3-3) into (3-3-1) and (3-3-2), (3-2-17) to (3 -2-22)

Figure 2006350759
となる。つまり、(3-19),(3-20)の微分要素は、
Figure 2006350759
It becomes. In other words, the differential elements of (3-19) and (3-20) are

Figure 2006350759
となる。

<3−4>
非球面の場合、サジタル的曲率半径の逆数は、
Figure 2006350759
It becomes.

<3-4>
For aspheric surfaces, the inverse of the sagittal radius of curvature is

Figure 2006350759
となる。σは(1-20)で表わされる。
(3-4-1)のparameterによる微分は、(1-48)を用いて、
Figure 2006350759
It becomes. σ i is represented by (1-20).
The differentiation by the parameter of (3-4-1) uses (1-48),

Figure 2006350759
となり、
Figure 2006350759
And

Figure 2006350759
となる。ただし、
Figure 2006350759
It becomes. However,

Figure 2006350759
より、
Figure 2006350759
Than,

Figure 2006350759
となる。z方向の成分がゼロなので、
Figure 2006350759
It becomes. Since the z-direction component is zero,

Figure 2006350759
となり、これを代入すると、
Figure 2006350759
And substituting this,

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
Figure 2006350759
It becomes.
Figure 2006350759

Figure 2006350759
となり、
Figure 2006350759
And

Figure 2006350759
となる。dy/drは(1-35)により求められる。
がi面の非球面係数である場合、
Figure 2006350759
It becomes. dy i / dr i is obtained by (1-35).
If p i is the aspherical coefficient of the i-plane,

Figure 2006350759
より、
Figure 2006350759
Than,

Figure 2006350759
となる。dy/dC1nは、(1-38)により求められる。なお、(3-2-17)における
Figure 2006350759
It becomes. dy i / dC 1n is obtained by (1-38). In (3-2-17)

Figure 2006350759
は、
Figure 2006350759
Is

Figure 2006350759
となる。

<3−5>
メリジオナル的曲率半径の逆数を求めると、非球面の場合、メリジオナル的曲率半径の逆数は、
Figure 2006350759
It becomes.

<3-5>
When the reciprocal of the meridional radius of curvature is obtained, in the case of an aspherical surface, the reciprocal of the meridional radius of curvature is

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
It becomes.

Figure 2006350759
Figure 2006350759

Figure 2006350759
より、
Figure 2006350759
Than,

Figure 2006350759
となる。ここで(1-48)を用いると、
Figure 2006350759
It becomes. Where (1-48) is used,

Figure 2006350759
となる。また、
Figure 2006350759
It becomes. Also,

Figure 2006350759
となる。τ、ν
Figure 2006350759
It becomes. τ i , ν i

Figure 2006350759
と定義し、また(1-21)、(3-5-5)に代入すると、
Figure 2006350759
And assigning to (1-21) and (3-5-5)

Figure 2006350759
となる。pが曲率半径rのとき、
Figure 2006350759
It becomes. When p is the radius of curvature r i ,

Figure 2006350759
となり、(3-5-12),(3-5-13)を(3-5-11)に代入すれば、求める微分が得られる。(3-4-9)と同様に、dy/drは(1-35)により求められる。pが非球面係数Cinのとき、
Figure 2006350759
Substituting (3-5-12) and (3-5-13) into (3-5-11) gives the desired derivative. Similarly to (3-4-9), dy i / dr i is obtained by (1-35). When p is the aspheric coefficient C in ,

Figure 2006350759
となり、(3-5-14),(3-4-15)を(3-5-11)に代入すれば、求める微分が得られる。(3-4-11)と同様に、dy/dCinは(1-38)により求められる。なお、(3-2-18)における
Figure 2006350759
Substituting (3-5-14) and (3-4-15) into (3-5-11) gives the desired derivative. Similarly to (3-4-11), dy i / dC in is obtained from (1-38). In (3-2-18)

Figure 2006350759
は、
Figure 2006350759
Is

Figure 2006350759
となる。

<3−6>
次に反射面の場合の非点収差のパラメータによる微分を求める。反射面の場合、非点収差の追跡式は、
Figure 2006350759
It becomes.

<3-6>
Next, the differentiation by the parameter of astigmatism in the case of the reflecting surface is obtained. For reflective surfaces, the astigmatism tracking formula is

Figure 2006350759

となる。
Figure 2006350759

It becomes.

Figure 2006350759
と置くと、
Figure 2006350759
And put

Figure 2006350759
となる。(3-6-5),(3-6-6)において、
Figure 2006350759
It becomes. In (3-6-5) and (3-6-6),

Figure 2006350759
はそれぞれ、(3-1-11)または
(3-1-11d),(3-1-15)により求められる。また、(3-11)における偏微分要素は、
Figure 2006350759
Is (3-1-11) or
It is obtained by (3-1-11d) and (3-1-15). The partial differential element in (3-11) is

Figure 2006350759
となる。また、(3-12)における偏微分要素は、
Figure 2006350759
It becomes. The partial differential element in (3-12) is

Figure 2006350759

Figure 2006350759

Figure 2006350759

<3−7>
最後に像面での非点収差のパラメータによる微分の計算方法を示す。像面を(F+1)面とすると、像面からの非点収差は、F面(レンズデータの最終面)での非点収差から、
Figure 2006350759

Figure 2006350759

Figure 2006350759

<3-7>
Finally, the calculation method of the differentiation by the parameter of astigmatism on the image plane is shown. If the image plane is the (F + 1) plane, astigmatism from the image plane is derived from astigmatism on the F plane (the final surface of the lens data).

Figure 2006350759
Figure 2006350759

Figure 2006350759
のように求められる。ただし、
Figure 2006350759
It is required as follows. However,

Figure 2006350759
である。(3-7-3)をパラメータpで微分すると、
Figure 2006350759
It is. Differentiating this with respect to the parameters p i a (3-7-3),

Figure 2006350759
であるので、
Figure 2006350759
So

Figure 2006350759
となる。同様にして、
Figure 2006350759
It becomes. Similarly,

Figure 2006350759
となる。従って最終面での非点収差の偏微分行列は、(3-16)より、
Figure 2006350759
It becomes. Therefore, the partial differential matrix of astigmatism on the final surface is (3-16),

Figure 2006350759
となる。F≧iの場合、(3-24)より、
Figure 2006350759
It becomes. When F ≧ i, from (3-24)

Figure 2006350759

Figure 2006350759
F=i以外の場合、
Figure 2006350759

Figure 2006350759
When F is not i,

Figure 2006350759
と置くと、(3-24)より、
Figure 2006350759
Then, from (3-24),

Figure 2006350759
となる。以上、非点収差のパラメータによる微分の計算方法を図示すると、図3のようになる。図3において、各面の光線追跡中に、演算処理S10は(3-9),(3-10)により計算し、演算処理S11は(3-2-17)〜(3-2-20)により、演算処理S12は(3-2-21),(3-2-22)により計算する。演算処理S13は
(3-2-3),(3-2-4),(3-3-10)〜(3-3-13),(3-22)により計算する。光線追跡後に、演算処理S14は(3-13),(3-14)により計算し、演算処理S15は、(3-7-9)により計算し、最後に演算処理S16は(3-7-10),(3-7-11)により計算する。
Figure 2006350759
It becomes. The differential calculation method using the astigmatism parameters is illustrated in FIG. In FIG. 3, during the ray tracing of each surface, the calculation processing S10 is calculated by (3-9) and (3-10), and the calculation processing S11 is (3-2-17) to (3-2-20). Thus, the calculation processing S12 is calculated by (3-2-21) and (3-2-22). Arithmetic processing S13
Calculate according to (3-2-3), (3-2-4), (3-3-10) to (3-3-13), (3-22). After ray tracing, the calculation process S14 is calculated by (3-13) and (3-14), the calculation process S15 is calculated by (3-7-9), and finally the calculation process S16 is (3-7- Calculate with 10) and (3-7-11).

パラメータの変動によりGauss像面が移動した場合、非点収差のパラメータによる微分は、近軸光線追跡の微分により求めたdD/dpより、 If Gauss image plane is moved by fluctuations in the parameters, derivative with astigmatism parameters than dD F / dp i obtained by the differentiation of the paraxial ray tracing,

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
It becomes.

次に発明を解決するための第3の手段の実施の形態である、非点収差を主光線から光学系に入射する光線の方向余弦で微分する方法により、計算する方法を示す。図4において、入射光線の方向余弦YをΔYだけ変動させたとき、Gauss像面GBでの光線ABが光線A'B'となる場合、ABとA’B’の交点をCとする。Cから光軸(x軸)に平行に引いた直線とGauss像面との交点をBとする。Gauss面上での到達位置がGB=yF+1からGB’=yF+1+ΔyF+1と変化し,∠BCB=θから∠BCB'=θ+Δθと変化した場合、Gauss像面からレンズ方向へのメリジオナル像面位置をmとすると、図4により明らかなように、 Next, a method for calculating astigmatism by a method for differentiating the astigmatism by the direction cosine of the light ray incident on the optical system from the principal ray, which is an embodiment of the third means for solving the invention, will be described. 4, when the direction cosines Y 0 of the incident light was varied by [Delta] Y 0, 'if the, AB and A'B' rays AB in Gauss image plane GB 0 rays A'B an intersection and C To do. The intersection of the straight line and the Gauss image plane drawn parallel to the optical axis from the C (x-axis) and B 0. When the arrival position on the Gauss plane changes from GB = y F + 1 to GB ′ = y F + 1 + Δy F + 1 and changes from ∠B 0 CB = θ to ∠B 0 CB ′ = θ + Δθ, the Gauss image plane moves to the lens direction. 4 where m is the position of the meridional image plane,

Figure 2006350759
となり、これを方向余弦Yで表わせば、
Figure 2006350759
Next, if expressed this in direction cosine Y F,

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
It becomes.

Figure 2006350759
と表わすことができるので、(4-2)より、
Figure 2006350759
From (4-2),

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
It becomes.

また図5のように、像面付近で子午面(xy面)内で光軸からθ傾いている光線ABがあるとき、光軸に平行でAと交差する軸をx’軸として、x’軸とGauss像面との交点をBとし、∠BAB=θとする。入射光線の方向余弦を子午面からΔZ0だけ変動させたときのGauss像面での光線AB’の到達位置の変化を
BB’=ΔzF+1、角度の変化を∠BAB’=Δφとし、S像位置をAとし、AB=s’、AB=sとする。図5より明らかなように、
Further, as shown in FIG. 5, when there is a light beam AB inclined by θ from the optical axis in the meridian plane (xy plane) in the vicinity of the image plane, the axis parallel to the optical axis and intersecting with A is defined as x ′ axis. Let the intersection of the axis and the Gauss image plane be B 0 and ∠B 0 AB = θ. When the direction cosine of the incident ray is changed by ΔZ 0 from the meridian plane, the change of the arrival position of the ray AB ′ on the Gauss image plane is BB ′ = Δz F + 1 , the change of the angle is ∠BAB ′ = Δφ, and the S image The position is A, and AB = s ′ and AB 0 = s. As is clear from FIG.

Figure 2006350759
ただし、
Figure 2006350759
However,

Figure 2006350759
となる。
Δφが微小であることから、
Figure 2006350759
It becomes.
Since Δφ is very small,

Figure 2006350759
と近似でき、(4-6)〜(4-8)より、
Figure 2006350759
From (4-6) to (4-8),

Figure 2006350759
となり、
Figure 2006350759
And

Figure 2006350759
と表わすことができるので、
Figure 2006350759
Can be expressed as

Figure 2006350759
となる。(4-5),(4-12)におけるY、Zによる微分量は、(1-7)、(1-8)、(1-11)より、
Figure 2006350759
It becomes. In (4-5) and (4-12), the derivative by Y 0 and Z 0 is (1-7), (1-8) and (1-11)

Figure 2006350759
となる。
Figure 2006350759
It becomes.

課題を解決するための第4の手段の実施の形態である、非点収差を、主光線から光学系に入射する光線の方向余弦で微分することにより計算する方法を、さらにパラメータで微分する方法について説明する。(4-5)、(4-12)をパラメータpで微分すると、それぞれ、 A method of further differentiating by a parameter, a method for calculating astigmatism by differentiating with a direction cosine of a light ray incident on an optical system from a principal ray, which is an embodiment of a fourth means for solving the problem Will be described. (4-5) Differentiating the parameter p i (4-12), respectively,

Figure 2006350759
となる。(5-1),(5-2)における1次微分は前記の方法で求められるが、2次微分
Figure 2006350759
It becomes. The first derivative in (5-1) and (5-2) can be obtained by the above method, but the second derivative

Figure 2006350759
は次のようにして求められる。すなわち、パラメータpiがi面の曲率半径または非球面係数の場合、
Figure 2006350759
Is obtained as follows. That is, if the parameter p i is the radius of curvature of the i-plane or the aspheric coefficient,

Figure 2006350759
となる。(5-3)は行列Tから行列TF+1まで[2(F-i+1)+1]個の行列のpによる全微分を含む項の和である。次に(5-3)における微分行列のパラメータによる全微分を偏微分と漸化式で表わす。その前に、(1-3),(1-4)と同様にして、次のようにベクトルを定義する。
Figure 2006350759
It becomes. (5-3) is the sum of terms containing all derivative with p i of the matrix T F + 1 to [2 (F-i + 1 ) +1] pieces of matrix from the matrix T i. Next, the total differentiation by the parameter of the differentiation matrix in (5-3) is expressed by partial differentiation and recurrence formula. Before that, vectors are defined as follows in the same manner as (1-3) and (1-4).

Figure 2006350759
すると、微分行列のパラメータによる全微分は以下のようになる。
Figure 2006350759
Then, the total differentiation based on the parameters of the differentiation matrix is as follows.

Figure 2006350759
Figure 2006350759

(5-7)における In (5-7)

Figure 2006350759
と,(5-8)における
Figure 2006350759
And in (5-8)

Figure 2006350759
は、2階テンソルの行列をベクトルで微分しているので、3階テンソルになる。(5-6)から(5-10)を(5-3)に代入し、(5-1),(5-2)に代入することにより,非点収差の追跡式を微分するのとは別の方法で、非点収差のパラメータによる微分が得られる。
Figure 2006350759
Since the second-order tensor matrix is differentiated by a vector, it becomes a third-order tensor. What is differentiating the astigmatism tracking equation by substituting (5-6) through (5-10) into (5-3) and substituting into (5-1) and (5-2)? In another way, differentiation with astigmatism parameters is obtained.

以上の計算方法により、図2および図3のようなアルゴリズムを用いることにより、Federの収差のパラメータによる微分がさらに実用的になる。その実施例を次に示す。   By using the algorithm as shown in FIGS. 2 and 3 by the above calculation method, differentiation based on the parameters of Feder's aberration becomes more practical. Examples thereof are shown below.

自動修正(DLS法)の計算時間について、収差のパラメータによる微分を差分近似するか、微分するかの違いにより計算時間にどれ程違いがあるか調査するために、レンズ面数が40面の投影レンズで、目標値数が50(その内近軸光線追跡による目標値が2個で、非点収差の目標値が6個)で、パラメータ数を1個から40個まで増やした場合の、両者の方法による自動修正の1サイクル毎の計算時間を測定した。その結果を図6に示す。図6の(1)が差分で、(2)が微分である。差分の場合、パラメータ数にほぼ比例して計算時間が増加しているのに対して、微分の場合は計算時間がほとんど増加しないことがわかる。
またparameter数を10毎増やした場合の計算時間の値を表1に示す。パラメータ数が5個以上ならば、差分による近似よりも微分の方が速く、パラメータ数が40個ならば、微分は差分の約5分の1の計算時間ですむ事がわかった。なお差分と微分とでは、メリットファンクションに大きな違いはないが、
若干微分の方が小さくなる場合が多い。
(表1)
For the calculation time of automatic correction (DLS method), in order to investigate how much the calculation time differs depending on whether the derivative of the aberration parameter is approximated or differentiated, projection of 40 lens surfaces When the number of parameters is increased from 1 to 40 with a lens, the number of target values is 50 (the target value of the paraxial ray tracing is 2 and the target value of astigmatism is 6). The calculation time for each cycle of automatic correction by the above method was measured. The result is shown in FIG. In FIG. 6, (1) is the difference and (2) is the differentiation. In the case of the difference, it can be seen that the calculation time increases almost in proportion to the number of parameters, whereas in the case of differentiation, the calculation time hardly increases.
Table 1 shows the calculation time when the parameter number is increased by 10. It was found that if the number of parameters is 5 or more, differentiation is faster than approximation by difference, and if the number of parameters is 40, differentiation takes about 1/5 of the difference. There is no significant difference in merit function between difference and differentiation,
In many cases, the derivative is slightly smaller.
(Table 1)

Figure 2006350759
Figure 2006350759

Gauss像面が移動した場合の収差のパラメータによる微分を補正する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of correct | amending the differentiation by the parameter of the aberration when a Gauss image plane moves. Gauss像面が移動した場合の収差のパラメータによる微分を補正する計算のアルゴリズム図である。FIG. 6 is an algorithm diagram of calculation for correcting differentiation by an aberration parameter when a Gauss image plane moves. 非点収差のパラメータによる微分を計算する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of calculating the differentiation by the parameter of astigmatism. 光学系に入射する光線の方向余弦が微小変化させてメリジオナル像面移動位置を計算する方法 を示す図である。It is a figure which shows the method of calculating a meridional image surface movement position by changing the direction cosine of the light ray which injects into an optical system minutely. 光学系に入射する光線の方向余弦が微小変化させてサジタル像面移動位置を計算する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of calculating the sagittal image plane movement position by changing the direction cosine of the light ray which injects into an optical system minutely. 自動修正において収差のパラメータによる微分を差分近似するか微分するかによる計算時間の相違を示す図である。It is a figure which shows the difference in the calculation time by whether the differentiation by the parameter of an aberration is a difference approximation or differentiation in automatic correction.

Claims (4)

光学系による収差を、光学系を構成するパラメータ(曲率半径、間隔、屈折率など)で微分してその変化率を計算することにより光学系を設計する方法において、微分した変化率を、光学系を構成するパラメータが微小変動することによるGauss像面の変動の変化率で補正することを特徴とする光学系の設計方法。 In the method of designing an optical system by differentiating the aberration due to the optical system with the parameters (curvature radius, spacing, refractive index, etc.) constituting the optical system and calculating the rate of change, the differentiated rate of change is calculated using the optical system. A method for designing an optical system, wherein correction is made with the rate of change of Gaussian image plane variation caused by minute fluctuations in the parameters constituting the lens. 光学系による非点収差の、光学系を構成するパラメータ(曲率半径、間隔、屈折率など)による変化率を計算することにより光学系を設計する方法において、光学系の非点収差のパラメータによる変化率を、非点収差の光線追跡式を微分することにより求めることを特徴とする光学系の設計方法。 In the method of designing an optical system by calculating the rate of change of astigmatism due to the optical system due to the parameters (curvature radius, spacing, refractive index, etc.) constituting the optical system, the change due to the astigmatism parameters of the optical system A method for designing an optical system, characterized in that a rate is obtained by differentiating a ray tracing formula of astigmatism. 光学系による非点収差を計算することにより光学系を設計する方法において、光学系に入射する主光線と、光学系に入射する角度を主光線から微小変化させた光線が、像面付近で交差する交点位置を、主光線の像面での到達位置と像面での方向余弦で表し、それらを主光線から光学系に入射する光線の方向余弦で微分することにより、非点収差を求めることを特徴とする光学系の設計方法。 In a method of designing an optical system by calculating astigmatism due to the optical system, a principal ray incident on the optical system intersects with a light beam that slightly changes the angle of incidence on the optical system from the principal ray in the vicinity of the image plane. The astigmatism is obtained by differentiating the position of the intersecting point by the arrival position of the principal ray on the image plane and the direction cosine of the image on the image plane, and differentiating them by the direction cosine of the ray incident on the optical system from the principal ray. An optical system design method characterized by the above. 光学系による非点収差を計算することにより光学系を設計する方法において、光学系に入射する主光線と、光学系に入射する角度を主光線から微小変化させた光線が、像面付近で交差する交点位置を、主光線の像面での到達位置と像面での方向余弦で表し、それらを主光線から光学系に入射する光線の方向余弦で微分することにより非点収差を求め、光学系を構成するパラメータによる変化率を、この非点収差の式をパラメータで微分することにより求めることを特徴とする光学系の設計方法。



In a method of designing an optical system by calculating astigmatism due to the optical system, a principal ray incident on the optical system intersects with a light beam that slightly changes the angle of incidence on the optical system from the principal ray in the vicinity of the image plane. The astigmatism is obtained by differentiating the position of the intersecting point by the arrival position of the principal ray on the image plane and the direction cosine of the image on the image plane and differentiating them by the direction cosine of the ray incident on the optical system from the principal ray. A method for designing an optical system, characterized in that a rate of change due to a parameter constituting the system is obtained by differentiating the astigmatism equation with a parameter.



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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102590989A (en) * 2012-04-06 2012-07-18 北京理工大学 Method for selecting non-spherical position of lithography lens
KR20210098245A (en) * 2020-01-31 2021-08-10 서울대학교산학협력단 Design method of optical element and design apparatus thereof

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