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optics1210 2018-08-22 15:24

SYNOPSYS 光学设计软件课程九:复消色差接物镜的公差计算

p"UdD  
DQ*T2*L  
在上一课中,我们设计了复消色差物镜。在本课中,我们将计算该透镜的公差。 <1%(%KdN[  
在将透镜元件的图纸发送到车间之前,您必须知道透镜的公差多大以确保透镜能被加工。我们使用上一课中的透镜L8L2作为例子。 rd:WF(]  
轴上图像对于这种物镜来说是最重要的,它通常用于行星观测,并且有一些场曲和像散。 z *FCd6X  
首先,我们尝试简单的BTOL评估。 BTOL有很多选项,我们只使用其中几个。 我们为这个案例提供了一个菜单:MSB,Menu,Simple BTOL。 在命令窗口中输入MSB,然后按如下方式填写:(大部分已经为您填写;但我们选择了TOLERANCE和WAVE单选按钮(而不是DEGRADE SPOT),然后单击Prepare MC框以选择该选项。其他所有内容都可以保留原样。单击GO按钮。

. \t8s0A  
计算完成后,从命令窗口向上查看,你会看到
!K[UJQ s\  
这表示轴上图像将获得0.05的方差,这是一个相当大的数值。向上滚动显示,直到看到公差结果:
w5+H9R6  
    BUDGET TOLERANCE ANALYSIS                -----B----- LpYG!Kl  
        EL. SURF    RADIUS    RADIUS    TOLERANCE    THICKNESS    THICKNESS TOL BH"OphE  
        (RADIUS)    (FRINGES) x=M%QFe  
X;&Iu{&=  
            1     1    -167.68076    0.83952    4.82574    0.58188    0.00500 tSVWO] <  
            1     2    -7.06479    0.00091    2.95710    0.36076    0.00157 [`4  
            2     3    -6.55387    7.70586E-04    2.72673    0.26355    0.00487 rLpfybu  
            2     4    5.31383    2.93873E-04    1.62247    0.03937    4.25845E-04 e1OGGF%E n  
            3     5    5.40837    2.91628E-04    1.57357    0.53301    0.00496 6Lc{SR  
            3     6    -19.41777    0.01032    4.32489    39.42904    0.00000 h4#y'E!,Z  
                 7    -11.19311    0.00000    0.00000    0.00000    0.00000 v6 C$Y+5~  
{U'\2Ge<m  
        ELE SURF    GLASS NAME    BASE INDEX    INDEX TOL    V-NUMBER    V-NUMBER TOL o"!C8s_6  
@u @~gEt  
            1    1    N-BAK2    1.53996d    4.28482E-04    59.70771d    0.15534 teKx^ 'c'  
            2    3    N-KZFS4    1.61336d    1.68964E-04    44.49298d    0.05359 CBr(a'3{Z  
            3    5    N-BAF10    1.67003d    1.92822E-04    47.11137d    0.06830 SNJSRqWL/  
hGy[L3 {  
        Note: The symbol "d" indicates that the quantity is estimated at 0.58756 uM. The symbol "F" indicates that the quantity is taken at the primary color. W=:AOBK  
8g0VTY4$jP  
        ELE        SURF        WEDGE    TOLERANCE        IRREG. TOL        ROLLED EDGE TOL ?Gl]O3@3  
                    (ARC MIN)       (TIR)   (FRINGES)       (FRINGES) xwF mY'o  
         1          1        0.00000        0.00000            0.37554             0.23097 %b[>eIJU#  
         1          2        0.44053        0.00051            0.37277             0.22647 nZ'-3  
         2          3        0.00000        0.00000            0.34602             0.20629 0,/I2!dF?  
         2          4        0.23321        0.00027            0.34291             0.20100 7tbY>U8  
         3          5        0.00000        0.00000            0.32721             0.19092 b} 0G~oLP  
         3          6        0.51677        0.00060            0.33277             0.19873 B[,AR"#b  
                  7        16.69273    0.00339            0.00000             0.00000 SF=TG84<  
        ELE    SURF   ELEMENT TILT    TOLERANCE      Y-DECENT   TOL    X-DECENT   TOL GoLK 95"]  
                    (ARC MIN)           (TIR) g\% Z+Dc  
        1     1        0.53402            0.00062                0.00066           0.00000 M u i\E  
        1     2        0.00000            0.00000                0.00000           0.00000 CkV5PU  
        2     3        0.30597            0.00035                0.00024           0.00000 GEK7q<  
        2     4        0.00000            0.00000                0.00000           0.00000 J= [D'h  
        3     5        0.24585            0.00028                0.00027           0.00000 ,v%' 2[}  
        3     6        0.00000            0.00000                0.00000           0.00000 ]9N&I/-  
             7        0.00000            0.00000                0.00000           0.00000
a$j ~YUG_  
Y b=77(Q V  
太糟糕了,透镜在镜片1和2之间具有0.0016的空气间隔公差,在2和3之间具有0.0004的空气间隔公差.中间镜片的V-number 公差为0.054,您需要该镜片上的偏心保持在0.00024以内。 没有人能加工出这样一个透镜。 ]h?q1    
我们必须放松这些公差。 如何操作呢?公差太紧的一个原因是,各个镜片的像差很大。 虽然三阶像差对于透镜设计师来说不再像以前那样有用,但实际上它们在放松公差上有用处。 输入命令THIRD SENS。
H76iBJ66  
    SYNOPSYS AI>THIRD SENS 3K=%I+G(4  
K9{RU4<  
    ID F10 APO  k^Q.lb {  
", p5}}/  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF        TOLERANCE SENSITIVITY L>h|1ZK  
EE^x34&=  
    SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =        8.363047 P8(hHuO  
    SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =        0.018283 31~nay15  
    SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =        0.132904 >J5C.hx  
    SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    4.158202 [!De|,u(^  
    SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.038108 <5? pa3  
    SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    1.184945 w_f.\\1r  
    SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =        0.042947 XEnu0 gr  
    SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.000094
a%A!Dz S  
P6&%`$  
该列表显示了各表面与各像差贡献的平方和。 我们的思路是,如果某个面的像差很大,即使受到其他表面像差的补偿,如果该面发生变化,那么整体的像差也会发生很大的变化,所以这个时候系统也无法在进行补偿。球差贡献SAT的值为8.363。让我们修改评价函数来降低这个总和。这是新的MACro:
|AH>EXhv  
    PANT g)5mr:\  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 n)~*BpL3  
    VLIST TH 2 4 z %Bzf~N9  
    END a'-u(Bw  
    AANT 9O -2  
    AEC m):*>o55  
    ACC o{6q>Jm  
    M 4 1 A SAT ~o>Gm>5!HH  
    GSO 0 1 5 M 0 0 m<49<O6o  
    GNO 0 .2 4 M .75 0  vTgx7gP  
    GNO 0 .1 4 M 1.0 0 @0 'U p  
    END nTv}/M&  
    SNAP {l)$9!  
    SYNO 30
6\ yBA_ z  
hLbWqF  
在这里,我们要求SAT的值为4,并且还要求更精细的光线网格。运行后,透镜稍微改变,如要求的那样,SAT现在的值为4。(L9L1.RLE) +SR{ FF  
现在我们再次运行BTOL,将波前差公差更改为0.1,并指定厚度6的调整。(第一次BTOL运行使用了6的近轴厚度求解,但是如果让程序略微偏离,有时公差会更宽松。 调整将解决这个问题.NOP指令删除所有的近轴解决方案。)我们还指定三个镜片的折射率和阿贝数,这将它们从公差中删除。 在像这样繁琐的系统中,人们总是要求玻璃供应商提供熔点数据,这样可以得到测量的指数,然后用这些值调整设计。 因此,这些值中的误差不再是公差的一部分。
zs~Tu  
    CHG .[ }G{%M~[  
    NOP {"+M%%`*#  
    END {O9(<g  
    BTOL 2 a%e`  
    EXACT INDEX 1 3 5 m`9nDiV  
    EXACT VNO 1 3 5 W&=OtN U!  
D8<C7  
    TPR ALL 3*& Y'/!  
    TOL WAVE 0.1 vjq2(I)u  
    ADJUST 6 TH 100 100 uN:KivVe  
wS);KLe3  
    PREPARE MC h7 E~I J  
i1|>JM[V  
    GO bx(@ fl:m  
    STORE 4
m/1FVC@*  
8f/KNh7#s  
我们运行这个命令,公差有点宽松。
y-db CYMc  
    BUDGET TOLERANCE ANALYSIS                                        -----B----- 1vxRhS&FY  
        EL.    SURF    RADIUS           RADIUS TOLERANCE     THICKNESS THICKNESS TOL ~%8P0AP  
                                (RADIUS)    (FRINGES) >Jmla~A  
        1    1        -59.38005     0.10772       4.93291        0.58188        0.00500 1!KROes4  
        1    2        -6.51230     0.00118       4.49176        0.23997        0.00305 F)(^c  
        2    3        -6.10170     0.00105       4.39207        0.26355        0.00498 X>Vc4n<}  
        2    4        6.63058         0.00107       3.91104        0.03937        0.00148 V2ih/mh   
        3    5        6.66960         0.00105       3.81273        0.53301        0.00498 b!P,+!<  
        3    6        -16.08586     0.00781       4.90457        39.98704    0.00000 a(|6)w-  
            7        -13.17213     0.00000       0.00000        0.00000        0.00000 ]:Gy]qkO  
Cjx4vP  
    ELE    SURF        GLASS NAME        BASE INDEX    INDEX TOL    V-NUMBER    V-NUMBER TOL *3H=t$1G}  
    Note: The symbol "d" indicates that the quantity is estimated at 0.58756 uM. The symbol "F" indicates that the quantity is taken at the primary color. 7ocUFY0"  
st;iGg  
        ELE    SURF        WEDGE    TOLERANCE        IRREG. TOL        ROLLED EDGE TOL wX0D^ )NtF  
                    (ARC MIN)          (TIR)     (FRINGES)          (FRINGES) SHX`/  
        1    1            0.00000            0.00000        0.99505            0.26670 >U vP/rp  
        1    2            0.72714            0.00085        0.98343            0.26160 Qds<j{2  
        2    3            0.00000            0.00000        0.90848            0.24078 ==OUd6e}  
        2    4            0.50988            0.00059        0.89873            0.23704 *O :JECKU  
        3    5            0.00000            0.00000        0.85303            0.22519  xgcxA:  
        3    6            0.85761            0.00100        0.87086            0.23246 nbF<K?  
            7            23.61909        0.00480        0.00000            0.00000 |n/;x$Cb  
8f9wUPr  
        ELE    SURF        ELEMENT TILT    TOLERANCE    Y-DECENT TOL     X-DECENT TOL } Bf@69  
                        (ARC MIN)           (TIR) \ZZ6r^99  
        1    1            0.86414            0.00101        0.00104            0.00000 sfyLG3$/  
        1    2            0.00000            0.00000        0.00000            0.00000 fAgeF$9@  
        2    3            0.99650            0.00114        0.00050            0.00000 cuN9R G  
        2    4            0.00000            0.00000        0.00000            0.00000 C< c6Ub  
        3    5            0.57610            0.00067        0.00065            0.00000 "pM >TMAE  
        3    6            0.00000            0.00000        0.00000            0.00000 z2iMpZ  
            7            0.00000            0.00000        0.00000            0.00000
`eM ZhY o  
2iG+Ek-?"  
现在,透镜在视场的任何地方都会出现0.1的变化,处于two-sigma水平。 这太大了吗? 为了找到答案,让我们运行蒙特卡洛程序,看看制作的透镜是什么样的。 起始透镜现在位于库中的位置4,我们将最坏的示例放到库中的位置5。 J'}+0mln  
输入CW::
S=_u3OH0  
    MC 50 4 QUIET –1 ALL 5.
1.du#w  
/_0B5 ,6R  
这将运行50次,根据上面的公差设定,运行公差,然后保存最坏情况的例子。 如果您不知道命令的参数,只需输入字母MC,然后查看托盘。 将显示该命令的格式,如果您需要更多信息,只需在命令位于托盘中按F2键以打开该主题的帮助文件,或输入HELP MC。 (你必须在MC工作之前运行BTOL,因为它使用BTOL的公差。)
-qc'J<*^4  
MC运行50个案例并显示统计数据。 运行结束后您可以通过输入MC PLOT查看结果的直方图。 现在,轴上图像在two-sigma 以内,方差在0.1以下。 &DWSf`:Hx  
我们需要研究最坏情况的例子。切换到ACON 2(输入ACON 2或单击按钮)并输入GET 5。这是MC放置该示例的位置。 现在看看PAD显示。
o8R_ Ojh  
在这里,我们为底部显示选择了OPD Fan Plots选项,我们发现透镜在轴上,图像上的像差超过四分之一波长。这个透镜的公差仍然很敏感,中心的偏心公差小于一微米。 = LNU%0m  
制造调整 0vqVE]C  
显然,我们需要一些制造调整。 在这种情况下,一个人制作一个元件,测量它,然后再次重新优化透镜,改变其他元件。 然后另一个人制作另一个元件,再次测量和调整,继续这样做直到一切都完成。 在装配时,然后调整偏心和倾斜以获得最佳图像。 E7L>5z  
输入HELP FAMC。 (FAMC是Fab Adjust MC。)这是我们的MACro
SE+hB  
    FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 V vrsf6l]  
    PASSES 20 |dgiW"tUm  
8\rca:cF   
    FAORDER 5 3 1 kG /1  
Pvc)-A  
    PHASE 1 PANT J@2jx4   
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 FOQ-KP\ =,  
    VLIST TH 2 4 6 END Wq A) V,E  
3Y)&[aj  
    AANT rWTaCU^qV  
    GSO 0 1 5 M 0 q-(~w!e  
    GNO 0 1 5 M 1 END t`8Jz~G`  
    SNAP EVAL 2nyK'k  
9WG=3!-@  
    PHASE 2 PANT ;\7`G!q  
    VY 3 YDC 2 100 -100 n+8YTjd  
    VY 3 XDC 2 100 -100 M2Nh3ijr  
    VY 5 YDC 2 100 -100 %unn{92)  
    VY 5 XDC 2 100 -100 jlBsm'M<m  
    VY 6 TH END AANT @@D/&}#F  
    GNO 0 1 4 M 0 0 0 F d~aTjf  
    GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END v@{y}  
    SNAP SYNO 30 Yh1</C  
`j{3|C=  
    PHASE 3
6>WkisxG  
B&_:20^y~  
这个MACro在做什么: nGVr\u9z  
1.请求FAMC,其参数与上面运行的MC程序相同。 0XA\Ag\`G  
2.在阶段1中,程序将按照FAORDER行中给出的顺序更改透镜,在BTOL公差内随机更改参数。 这模拟了最难平衡的元件,依此类推。 它将使用PHASE 1部分中列出的变量和评价函数优化透镜,因为每个元件都会被制造,删除那些适用于已经完成的元件的变量。 K6->{!8]k  
3.当镜片全部制成时,它根据倾斜和偏心公差模拟它们在工厂中的安装。 然后它再次优化,根据PHASE 2参数改变X和Y中元件2和3的偏心(在两个方向上模拟误差,补偿也是如此)。 我们再次变化厚度6,因为大的中心变化也产生小的离焦。 评价函数还校正光瞳左右的光线(GNO线中的“F”),因为一旦模拟了误差,就不再存在双边对称性。 I0F [Z\U  
我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。
Yb5U^OjyJ  
这个透镜在轴上的波前差仍超过四分之一波长 - 但请记住这是最糟糕的情况。 这50次运行的结果中的大部分都非常好。 输入MC PLOT,并在图的左下方查看描述轴上图像的部分:
w~+*Vd~U  
最糟糕的例子是底部末尾的直方图,它比其他结果差得多。毕竟,这是一个正态统计的结果。如果根据这个相当紧的公差建造,透镜很可能会正常工作。(如果您自己运行这些案例,您的统计信息会有所不同,因为MC会根据预算引入随机错误。) 2!6hB sEr  
请注意,当我们决定使用FAMC时,公差本身不会被更改或重新计算。 我们所做的是采用效果不佳的公差而使其更好地运作。另外一点,我们不必再担心偏心公差 – 因为这些偏心很难保持 -在装配时我们可以调整元件的偏心。那么事情变得容易多了。 j EbmW*   
但是需要付出代价:在交付玻璃时必须获得熔点数据,使用这些数据调整设计,工厂必须按照给定的顺序制作元件,仔细测量它们,然后将这些数据发送回设计师,他将重新进行优化。 并且必须在测试台上调整元件2和3的偏心,然后在调整图像后将所有元件锁定。 但这就是精密光学的全部意义所在。

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