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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

 2x J5  
T:n ^$RiT  
在上一课中，我们设计了复消色差物镜。在本课中，我们将计算该透镜的公差。 !7kOw65+0  
在将透镜元件的图纸发送到车间之前，您必须知道透镜的公差多大以确保透镜能被加工。我们使用上一课中的透镜L8L2作为例子。 WD1$"}R  
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。 Y]Nab0R&  
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。

t/BiZo|zl  
计算完成后，从命令窗口向上查看，你会看到
c{P`oB8  
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：
vu \Dx9  
    BUDGET TOLERANCE ANALYSIS                -----B----- l;FgX+)  
        EL. SURF    RADIUS    RADIUS    TOLERANCE    THICKNESS    THICKNESS TOL jJnBwHp  
        (RADIUS)    (FRINGES) EqU[mqeF  
@g2L=XF  
            1     1    -167.68076    0.83952    4.82574    0.58188    0.00500 Hx0,kOh)  
            1     2    -7.06479    0.00091    2.95710    0.36076    0.00157 F!t13%yeu?  
            2     3    -6.55387    7.70586E-04    2.72673    0.26355    0.00487 ^0~1/ PhOw  
            2     4    5.31383    2.93873E-04    1.62247    0.03937    4.25845E-04 srA~gzF  
            3     5    5.40837    2.91628E-04    1.57357    0.53301    0.00496 #iU/Yg!  
            3     6    -19.41777    0.01032    4.32489    39.42904    0.00000 e;3 (,  
                 7    -11.19311    0.00000    0.00000    0.00000    0.00000 dgD%I  
|*a>6y  
        ELE SURF    GLASS NAME    BASE INDEX    INDEX TOL    V-NUMBER    V-NUMBER TOL P &._ -[  
} ~bOP^'  
            1    1    N-BAK2    1.53996d    4.28482E-04    59.70771d    0.15534 )ciHY6  
            2    3    N-KZFS4    1.61336d    1.68964E-04    44.49298d    0.05359 (R,n`x2^  
            3    5    N-BAF10    1.67003d    1.92822E-04    47.11137d    0.06830 8TvPCZ$x  
J#WPXE+Ds  
        Note: The symbol "d" indicates that the quantity is estimated at 0.58756 uM. The symbol "F" indicates that the quantity is taken at the primary color. \F3t&:  
{q4"x5|  
        ELE        SURF        WEDGE    TOLERANCE        IRREG. TOL        ROLLED EDGE TOL eci\Q,   
                    (ARC MIN)       (TIR)   (FRINGES)       (FRINGES) g >oLc6T  
         1          1        0.00000        0.00000            0.37554             0.23097 #XPU$=  
         1          2        0.44053        0.00051            0.37277             0.22647 Sw)ftC~d  
         2          3        0.00000        0.00000            0.34602             0.20629 FvP1;E  
         2          4        0.23321        0.00027            0.34291             0.20100 bV,R*C  
         3          5        0.00000        0.00000            0.32721             0.19092 I@+<[n2  
         3          6        0.51677        0.00060            0.33277             0.19873 FX 3[U+  
                  7        16.69273    0.00339            0.00000             0.00000 K`<P^XJr  
        ELE    SURF   ELEMENT TILT    TOLERANCE      Y-DECENT   TOL    X-DECENT   TOL o(qmI/h  
                    (ARC MIN)           (TIR) Z&!$G'X  
        1     1        0.53402            0.00062                0.00066           0.00000 !7DS  
        1     2        0.00000            0.00000                0.00000           0.00000 96j2D8=w  
        2     3        0.30597            0.00035                0.00024           0.00000 n|6yz[N  
        2     4        0.00000            0.00000                0.00000           0.00000 *k$&Hcr$  
        3     5        0.24585            0.00028                0.00027           0.00000 OR{"9)I  
        3     6        0.00000            0.00000                0.00000           0.00000 pn|{P<b\  
             7        0.00000            0.00000                0.00000           0.00000
&YMj\KmlSg  
jd*H$BU^  
太糟糕了，透镜在镜片1和2之间具有0.0016的空气间隔公差，在2和3之间具有0.0004的空气间隔公差.中间镜片的V-number 公差为0.054，您需要该镜片上的偏心保持在0.00024以内。 没有人能加工出这样一个透镜。 \O~P !`  
我们必须放松这些公差。 如何操作呢？公差太紧的一个原因是，各个镜片的像差很大。 虽然三阶像差对于透镜设计师来说不再像以前那样有用，但实际上它们在放松公差上有用处。 输入命令THIRD SENS。
(*tJCz`Sj  
    SYNOPSYS AI>THIRD SENS JN!YRcj  
^j7pF.j  
    ID F10 APO ~Sq >c3Wn  
nU)f]4q{Ec  
    NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF        TOLERANCE SENSITIVITY 7h~M&\M  
hSH-Ck@Qy  
    SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) =        8.363047 'r CR8>k  
    SS OF CO3 BY SURFACE (COT) =        0.018283 3 Gkw.  
    SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) =        0.132904 -:q7"s-}b  
    SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT)    =    4.158202 z_TK (;j  
    SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD)    =    0.038108 Rz]bCiD3 B  
    SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT)    =    1.184945 3]P=co@  
    SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) =        0.042947 g9JtWgu  
    SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) =        0.000094
d8po`J#nb  
gy.; "W  
该列表显示了各表面与各像差贡献的平方和。 我们的思路是，如果某个面的像差很大，即使受到其他表面像差的补偿，如果该面发生变化，那么整体的像差也会发生很大的变化，所以这个时候系统也无法在进行补偿。球差贡献SAT的值为8.363。让我们修改评价函数来降低这个总和。这是新的MACro：
@P?*<b{  
    PANT &s5*akG  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 =JkSq J)?  
    VLIST TH 2 4 WYL.J5O  
    END I%Z &i-33y  
    AANT Iq*7F5B  
    AEC J/Li{xp)Lg  
    ACC JAK*HA  
    M 4 1 A SAT  f63q  
    GSO 0 1 5 M 0 0 "+AD+D  
    GNO 0 .2 4 M .75 0 AXFVsZH"zi  
    GNO 0 .1 4 M 1.0 0 Kt(p|  
    END HZNX1aQ|Q#  
    SNAP 4Ki'r&L\  
    SYNO 30
JYq} YG=%  
YeVhWPn@  
在这里，我们要求SAT的值为4，并且还要求更精细的光线网格。运行后，透镜稍微改变，如要求的那样，SAT现在的值为4。（L9L1.RLE） ORNE>6J H  
现在我们再次运行BTOL，将波前差公差更改为0.1，并指定厚度6的调整。（第一次BTOL运行使用了6的近轴厚度求解，但是如果让程序略微偏离，有时公差会更宽松。 调整将解决这个问题.NOP指令删除所有的近轴解决方案。）我们还指定三个镜片的折射率和阿贝数，这将它们从公差中删除。 在像这样繁琐的系统中，人们总是要求玻璃供应商提供熔点数据，这样可以得到测量的指数，然后用这些值调整设计。 因此，这些值中的误差不再是公差的一部分。
6._):[_2  
    CHG 9w1)Mf}  
    NOP E_P]f%  
    END A|^?.uIM  
    BTOL 2 81&!!qhfS  
    EXACT INDEX 1 3 5 }V{, kK  
    EXACT VNO 1 3 5 Lfor 0-j  
-zt\we qA  
    TPR ALL `{%*DHa  
    TOL WAVE 0.1 &IPT$=u  
    ADJUST 6 TH 100 100 EHOdst  
/e}k7U,^  
    PREPARE MC 6tM{cK%v1  
@gd-lcMYW  
    GO @47TDCr  
    STORE 4
7^1ikmYY  
kI]1J  
我们运行这个命令，公差有点宽松。
p\ASf  
    BUDGET TOLERANCE ANALYSIS                                        -----B----- o?>)CAo  
        EL.    SURF    RADIUS           RADIUS TOLERANCE     THICKNESS THICKNESS TOL .*,ZcO  
                                (RADIUS)    (FRINGES) r*Mm5QozA  
        1    1        -59.38005     0.10772       4.93291        0.58188        0.00500 9iUw7-)  
        1    2        -6.51230     0.00118       4.49176        0.23997        0.00305 kDrGl{U}  
        2    3        -6.10170     0.00105       4.39207        0.26355        0.00498 LxbVRw  
        2    4        6.63058         0.00107       3.91104        0.03937        0.00148 R9HRbVBJf  
        3    5        6.66960         0.00105       3.81273        0.53301        0.00498 ;Zw28!#Rt  
        3    6        -16.08586     0.00781       4.90457        39.98704    0.00000 *UTk. :G5  
            7        -13.17213     0.00000       0.00000        0.00000        0.00000 *m7e>]-  
xucV$[f  
    ELE    SURF        GLASS NAME        BASE INDEX    INDEX TOL    V-NUMBER    V-NUMBER TOL #Xc~3rg9  
    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. "H({kmR  
|laq y`D  
        ELE    SURF        WEDGE    TOLERANCE        IRREG. TOL        ROLLED EDGE TOL ^m~=<4eX  
                    (ARC MIN)          (TIR)     (FRINGES)          (FRINGES) Rj8l]m6U9  
        1    1            0.00000            0.00000        0.99505            0.26670 0 [s1!Cm!i  
        1    2            0.72714            0.00085        0.98343            0.26160 |D\ ukml  
        2    3            0.00000            0.00000        0.90848            0.24078 '{|87kI  
        2    4            0.50988            0.00059        0.89873            0.23704 ?h5Y^}8Qg  
        3    5            0.00000            0.00000        0.85303            0.22519 `bi5#xR  
        3    6            0.85761            0.00100        0.87086            0.23246 ]b[ 3 th*  
            7            23.61909        0.00480        0.00000            0.00000 @{bf]Oc  
E^  rN)  
        ELE    SURF        ELEMENT TILT    TOLERANCE    Y-DECENT TOL     X-DECENT TOL W uQdz&s>  
                        (ARC MIN)           (TIR) _*+M'3&=  
        1    1            0.86414            0.00101        0.00104            0.00000 Y{jhT^tKK  
        1    2            0.00000            0.00000        0.00000            0.00000 NIgt"o[I  
        2    3            0.99650            0.00114        0.00050            0.00000 ALG +  
        2    4            0.00000            0.00000        0.00000            0.00000 V/03m3!q  
        3    5            0.57610            0.00067        0.00065            0.00000 U_:/>8})d  
        3    6            0.00000            0.00000        0.00000            0.00000 </fzBaTo  
            7            0.00000            0.00000        0.00000            0.00000
7':|f"  
zpY8w#b  
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。 }5A?WH_  
输入CW：:
% $J^dF_0  
    MC 50 4 QUIET –1 ALL 5.
Dx8^V%b  
jWm<!< ~  
这将运行50次，根据上面的公差设定，运行公差，然后保存最坏情况的例子。 如果您不知道命令的参数，只需输入字母MC，然后查看托盘。 将显示该命令的格式，如果您需要更多信息，只需在命令位于托盘中按F2键以打开该主题的帮助文件，或输入HELP MC。 （你必须在MC工作之前运行BTOL，因为它使用BTOL的公差。）
p4/D%*G^`  
MC运行50个案例并显示统计数据。 运行结束后您可以通过输入MC PLOT查看结果的直方图。 现在，轴上图像在two-sigma 以内，方差在0.1以下。 ]WS 7l@  
我们需要研究最坏情况的例子。切换到ACON 2（输入ACON 2或单击按钮）并输入GET 5。这是MC放置该示例的位置。 现在看看PAD显示。
^*ZO@GNL  
在这里，我们为底部显示选择了OPD Fan Plots选项，我们发现透镜在轴上，图像上的像差超过四分之一波长。这个透镜的公差仍然很敏感，中心的偏心公差小于一微米。 D;Z\GnD  
制造调整 "Aynt_a.  
显然，我们需要一些制造调整。 在这种情况下，一个人制作一个元件，测量它，然后再次重新优化透镜，改变其他元件。 然后另一个人制作另一个元件，再次测量和调整，继续这样做直到一切都完成。 在装配时，然后调整偏心和倾斜以获得最佳图像。 #e=[W))  
输入HELP FAMC。 （FAMC是Fab Adjust MC。）这是我们的MACro
0s(G*D2%6  
    FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 KjhOz%Yt[o  
    PASSES 20 H:CwUFL  
5-MI 7I@l  
    FAORDER 5 3 1 \=w|Zeu{l  
V%"aU}   
    PHASE 1 PANT VlK WWQj  
    VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 M]oaWQu  
    VLIST TH 2 4 6 END 0Rj_l:d=  
T8v>J4@t  
    AANT se_1 wCYz  
    GSO 0 1 5 M 0 ZM\Z2L]n  
    GNO 0 1 5 M 1 END tFG&~tNc  
    SNAP EVAL -cMqq$  
D&.+Dx^G  
    PHASE 2 PANT y3d`$'7H>  
    VY 3 YDC 2 100 -100 m'Ran3rp  
    VY 3 XDC 2 100 -100 O Qd,.m  
    VY 5 YDC 2 100 -100 Z/O5Dear/h  
    VY 5 XDC 2 100 -100 Z[ys>\_To  
    VY 6 TH END AANT p2\@E} z  
    GNO 0 1 4 M 0 0 0 F ?v6xa Vg:  
    GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END "Ln)v   
    SNAP SYNO 30 E-CZk_K9  
}s? 9Hnqa  
    PHASE 3
li(g?|AD  
rq>@ 0i  
这个MACro在做什么： Uh{|@D  
1.请求FAMC，其参数与上面运行的MC程序相同。 L\o-zNY  
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。 a:C ly9  
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。 $vx]\` ^  
我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。
G{)2f &<  
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：
67 ^?v)|  
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。） ?m0|>[j  
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。 [$$i1%c%Z<  
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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