SYNOPSYS 光学设计软件课程九：复消色差接物镜的公差计算
yfqe6-8U
!w/fw Oo
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。 X< W${L$G
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。 XCxxm3t
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。 qOQ8a:]?
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。 aS>cXJ;=
计算完成后，从命令窗口向上查看，你会看到 LtUw
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： C^_m>H3b
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- :T@} CJ
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL Xyz/CZPi
(RADIUS) (FRINGES) z wwJyy%/
.*+jD^Gr
1 1 -167.68076 0.83952 4.82574 0.58188 0.00500 hVFZQJ?cv
1 2 -7.06479 0.00091 2.95710 0.36076 0.00157 5D7k[+6
2 3 -6.55387 7.70586E-04 2.72673 0.26355 0.00487 V+U89 j1g
2 4 5.31383 2.93873E-04 1.62247 0.03937 4.25845E-04 P,G
: 9x"e
3 5 5.40837 2.91628E-04 1.57357 0.53301 0.00496 heW QPM|s
3 6 -19.41777 0.01032 4.32489 39.42904 0.00000 _T805<aUW\
7 -11.19311 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 G~_D'o<r
&b%2Jx[+
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL ,@M<O!%Cs
tU!Yg "4Q
1 1 N-BAK2 1.53996d 4.28482E-04 59.70771d 0.15534 xd"+ &YT
2 3 N-KZFS4 1.61336d 1.68964E-04 44.49298d 0.05359 _2<UcC~
3 5 N-BAF10 1.67003d 1.92822E-04 47.11137d 0.06830 "HH<5 M
![I|hB
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. 8`1]#Vw
B
o%Sl
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL _sL;E<)y(
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) 79o=HiOF99
1 1 0.00000 0.00000 0.37554 0.23097 i]@k'2N
1 2 0.44053 0.00051 0.37277 0.22647 P)Oe?z;G?
2 3 0.00000 0.00000 0.34602 0.20629 ) 7#3n(_np
2 4 0.23321 0.00027 0.34291 0.20100 t0/Ol'kgs
3 5 0.00000 0.00000 0.32721 0.19092 ~Dw%
d;
3 6 0.51677 0.00060 0.33277 0.19873 z/p^C~|}
7 16.69273 0.00339 0.00000 0.00000 t 56PzT'M
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL z YWVz3l
(ARC MIN) (TIR) ,C_MB1u
1 1 0.53402 0.00062 0.00066 0.00000 J*:_3Wsy
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 @LS%uqs
2 3 0.30597 0.00035 0.00024 0.00000 xbHI 4A"Z
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 E7w^A
3 5 0.24585 0.00028 0.00027 0.00000 7;r3Bxa
Q
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 O9ro{ k
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 %t74 *cX
CC$r t2\e
太糟糕了，透镜在镜片1和2之间具有0.0016的空气间隔公差，在2和3之间具有0.0004的空气间隔公差.中间镜片的V-number 公差为0.054，您需要该镜片上的偏心保持在0.00024以内。 没有人能加工出这样一个透镜。 WOeLn[
我们必须放松这些公差。 如何操作呢？公差太紧的一个原因是，各个镜片的像差很大。 虽然三阶像差对于透镜设计师来说不再像以前那样有用，但实际上它们在放松公差上有用处。 输入命令THIRD SENS。 6O0aGJ,H
SYNOPSYS AI>THIRD SENS o,0
Z^"|
GyFA1%(o
ID F10 APO ~u[1Vz4#3
=n@ \m <
NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY zh(=kS `
WV p6/HS
SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) = 8.363047 Tn\{*A
SS OF CO3 BY SURFACE (COT) = 0.018283 Z \n^m^Z
=
SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) = 0.132904 j*GS')Cm
SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) = 4.158202 [W3sveqj&
SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD) = 0.038108 !>kg:xV
SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) = 1.184945 yi (IIW
SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) = 0.042947 hx:^xW@r4P
SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) = 0.000094 K(Tej W#
V <ilv<
该列表显示了各表面与各像差贡献的平方和。 我们的思路是，如果某个面的像差很大，即使受到其他表面像差的补偿，如果该面发生变化，那么整体的像差也会发生很大的变化，所以这个时候系统也无法在进行补偿。球差贡献SAT的值为8.363。让我们修改评价函数来降低这个总和。这是新的MACro： NJQy*~P
PANT l$R9c+L=
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 [O]rf+NZ(5
VLIST TH 2 4 ~Ra8(KocD
END gp'k(rGH
AANT 6/" #pe^
AEC D )Jac@ ,0
ACC | U $ "GI
M 4 1 A SAT 95 ix~cH3q
GSO 0 1 5 M 0 0 QDb8 W*& <
GNO 0 .2 4 M .75 0 *|;`G p
GNO 0 .1 4 M 1.0 0 t7,$u-
END $IdU
SNAP M<Dvh y[
SYNO 30 nD! t* P
,,7 hVw
在这里，我们要求SAT的值为4，并且还要求更精细的光线网格。运行后，透镜稍微改变，如要求的那样，SAT现在的值为4。（L9L1.RLE） F9A5 }/\
现在我们再次运行BTOL，将波前差公差更改为0.1，并指定厚度6的调整。（第一次BTOL运行使用了6的近轴厚度求解，但是如果让程序略微偏离，有时公差会更宽松。 调整将解决这个问题.NOP指令删除所有的近轴解决方案。）我们还指定三个镜片的折射率和阿贝数，这将它们从公差中删除。 在像这样繁琐的系统中，人们总是要求玻璃供应商提供熔点数据，这样可以得到测量的指数，然后用这些值调整设计。 因此，这些值中的误差不再是公差的一部分。 ln6=XD u
CHG jI<_(T
NOP 8u1?\SYnb
END R+.kwq3CED
BTOL 2 ? Y luX
EXACT INDEX 1 3 5 O]61guxro
EXACT VNO 1 3 5 53^3. .E|
]x%sX|Rj
TPR ALL DwWm(8&6;}
TOL WAVE 0.1 :X}Ie P
ADJUST 6 TH 100 100 {j4&'=C:
O]@s` w
PREPARE MC nE bZ8M
=T)y(]
;M$
GO Zvra > %
STORE 4 2 av=W
+&E\w,Vq^
我们运行这个命令，公差有点宽松。 .*z$vl
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- o'Y/0hkh
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL ,4;'s
(RADIUS) (FRINGES) Y)#,6\=U
1 1 -59.38005 0.10772 4.93291 0.58188 0.00500 <)Y jVGG
1 2 -6.51230 0.00118 4.49176 0.23997 0.00305 $Yw~v36`t/
2 3 -6.10170 0.00105 4.39207 0.26355 0.00498 p Ohjq#}
2 4 6.63058 0.00107 3.91104 0.03937 0.00148 ,kl``w|1M
3 5 6.66960 0.00105 3.81273 0.53301 0.00498 FL&L$#X
3 6 -16.08586 0.00781 4.90457 39.98704 0.00000 U r8J G&,
7 -13.17213 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 v] m`rV8S[
90ov[|MkM
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL D z[ ,;
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. 7|o}m}yVx
Kk|)N3AV:
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL VJ1rU mO~
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) 9%m^^OOf
1 1 0.00000 0.00000 0.99505 0.26670 o> &-B.zq
1 2 0.72714 0.00085 0.98343 0.26160 n]>L"D,
2 3 0.00000 0.00000 0.90848 0.24078 m6Qm }""
2 4 0.50988 0.00059 0.89873 0.23704 7y$U$6
3 5 0.00000 0.00000 0.85303 0.22519 vYq"W%
3 6 0.85761 0.00100 0.87086 0.23246 zy|h1 .gd
7 23.61909 0.00480 0.00000 0.00000 J~h9i=4<bF
$&i8/pD
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL G-#rWZ&
(ARC MIN) (TIR) !LsIHDs4
1 1 0.86414 0.00101 0.00104 0.00000 .\3gb6S}
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 mApl;D X
2 3 0.99650 0.00114 0.00050 0.00000 e488}h6#m
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 162Dj$
3 5 0.57610 0.00067 0.00065 0.00000 v|@EuN14<
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 }|nEbM]#
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 o?I`n*u"X
i 1 GQ=@
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。 (^]3l%Ed
输入CW：: ViUx^e\
MC 50 4 QUIET –1 ALL 5. //bQD>NBO
(@=h(u .
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。） =>O{ hT ^F
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。 -oY8]HrXfK
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。 wBEBj7(y
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。 J8[aVG
制造调整 X9rao n
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。 nk ;+L
输入HELP FAMC。 （FAMC是Fab Adjust MC。）这是我们的MACro xFA`sAucr
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 =!/T4Oo
PASSES 20 H) rJ >L
8[a N5M]
FAORDER 5 3 1 0QEcJ]Qb8
i6O'UzD@T
PHASE 1 PANT V3/OKI\o
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 SzG? m]
VLIST TH 2 4 6 END _Ecs{'k
y4H/CH$%
AANT T7 (d
GSO 0 1 5 M 0 <<9|*Tz
GNO 0 1 5 M 1 END 6 I43a1[s
SNAP EVAL y"H(F,(N
_9S"rH[
PHASE 2 PANT EV;"]lC9
VY 3 YDC 2 100 -100 hz h3p[
VY 3 XDC 2 100 -100 &0+Ba[Z ^
VY 5 YDC 2 100 -100 MI`<U:- lP
VY 5 XDC 2 100 -100 %xC}#RDf
VY 6 TH END AANT 0bu!(Tpg7
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F )?( _vrc<
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END ]@l;;Sp
SNAP SYNO 30 v}@Uc-(
[9y y<Z5
PHASE 3 unr`.}A2>
O`;o"\P<
这个MACro在做什么： WHRBYq_
1.请求FAMC，其参数与上面运行的MC程序相同。 u!McPM8Yk
2.在阶段1中，程序将按照FAORDER行中给出的顺序更改透镜，在BTOL公差内随机更改参数。 这模拟了最难平衡的元件，依此类推。 它将使用PHASE 1部分中列出的变量和评价函数优化透镜，因为每个元件都会被制造，删除那些适用于已经完成的元件的变量。 ;NGSJfn
3.当镜片全部制成时，它根据倾斜和偏心公差模拟它们在工厂中的安装。 然后它再次优化，根据PHASE 2参数改变X和Y中元件2和3的偏心（在两个方向上模拟误差，补偿也是如此）。 我们再次变化厚度6，因为大的中心变化也产生小的离焦。 评价函数还校正光瞳左右的光线（GNO线中的“F”），因为一旦模拟了误差，就不再存在双边对称性。 ]'z 5%'
我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。 ^[q/w<_j~
这个透镜在轴上的波前差仍超过四分之一波长 - 但请记住这是最糟糕的情况。 这50次运行的结果中的大部分都非常好。 输入MC PLOT，并在图的左下方查看描述轴上图像的部分： EEH TlqvR
最糟糕的例子是底部末尾的直方图，它比其他结果差得多。毕竟，这是一个正态统计的结果。如果根据这个相当紧的公差建造，透镜很可能会正常工作。（如果您自己运行这些案例，您的统计信息会有所不同，因为MC会根据预算引入随机错误。） &B$%|~Y5
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。 Gwm YhG<{
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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