JP2006350759A - Design method of optical system - Google Patents
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Abstract
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.
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
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
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)、(Xi,Y1,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、xiは yi,ziより、Xiは、 Yi、Zi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
次に像面を(F+1)面とし、[CF+1]を単位行列とし、[CF’]=[CF+1][TF+1]、[CF]=[CF’][RF]、…、[Ci’]=[Ci+1][Ti]、[Ci]=[Ci’][Ri] …(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,
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、xi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,
となる。また、
It becomes. Also,
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(αi、βi、γi)とすると、
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 ),
とすると、
Then,
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hi,i面での光線の光軸となす角をαi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 ,
αF=α0/β …(2-3)
とする。ただし、α0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。
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dFを、光学系の倍率βが指定されていてもいなくても、
dF=hF/αF …(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=α0/αF …(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
次に、近軸光線追跡の微分について説明する。
αi, hi+hのパラメータpによる微分のベクトルを、
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
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DF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DF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’=ΔyF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C0により、C0C’=ΔyF’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dyF/dp、dyF/dDFと、近軸光線追跡式を微分して求めたdDF/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
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。
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dyF/drFと、近軸光線追跡式を微分して求めたdrF/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)
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pi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Mi,サジタル結像位置との交点をSiとし、(i-1)面からi面までの光線の長さをWi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、ρMおよびρS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,
Ji=niI’−ni−1I …(3-6)
である。従って、parameterpi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、pi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Wiには影響を及ぼす。従って、
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,
次に、dSi+1/dpi及びdMi+1/dpiは、dSi/dpi及びdMi/dpiを用いて、
Next, dS i + 1 / dp i and dM i + 1 / dp i use dS i / dp i and dM i / dp i ,
Yi−1=0 …(3-18)
の場合は、(3-17)より、dyi/dpiから、dxi/dpiを求めることはできない。
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、yi、Yiの微分にまとめることができず、xi、yi+1、Yi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,
j面でのdMj/dpi、dSj/dpi、dyj/dpi、dYj/dpi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、
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
<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、
<3-1>
First, each differential element in (3-9) and (3-10) when j = i is obtained. In (3-4) and (3-5),
(3-1-4),(3-1-7)において、
In (3-1-4) and (3-1-7),
(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)
pi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、
When p i is the radius of curvature and aspheric coefficients of the i-th surface, (1-49) and (1-21),
なお、球面の場合、
In the case of a spherical surface,
<3−2>
(3-11),(3-12)における
<3-2>
In (3-11) and (3-12)
dSi/dpi、dMi/dpiは既に求められているが、dWi+1/dpiは、
dS i / dp i, dM i / dp i is already sought, dW i + 1 / dp i is,
また、(1-5)および(1-6)より、さらに
From (1-5) and (1-6),
dyi+1/dpi、dYi/dpi、等でまとめると、
dy i + 1 / dp i, dY i / dp i, summarized the like,
<3−3>
j≧i+2の場合、
<3-3>
If j ≧ i + 2,
<3−4>
非球面の場合、サジタル的曲率半径の逆数は、
<3-4>
For aspheric surfaces, the inverse of the sagittal radius of curvature is
(3-4-1)のparameterによる微分は、(1-48)を用いて、
The differentiation by the parameter of (3-4-1) uses (1-48),
piがi面の非球面係数である場合、
If p i is the aspherical coefficient of the i-plane,
<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、
<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
<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、
<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
となる。
It becomes.
(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、
It is obtained by (3-1-11d) and (3-1-15). The partial differential element in (3-11) is
<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、
<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).
F=i以外の場合、
When F is not i,
(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。
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dDF/dpi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,
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Y0をΔY0だけ変動させたとき、Gauss像面GB0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B0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,∠B0CB=θから∠B0CB'=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,
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B0とし、∠B0AB=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’、AB0=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.
Δφが微小であることから、
Since Δφ is very small,
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pi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,
(5-7)における In (5-7)
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)
Claims (4)
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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