SYNOPSYS 光学设计软件课程九:复消色差接物镜的公差计算
4<g,L;pUU oe`t ? (U 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。 p'z
fo! 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。 'z7,)Q&8 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。 5:v"^"S z 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。 ?CIMez(h 计算完成后,从命令窗口向上查看,你会看到 6&/n/g 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: de{@u<YZb BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- :E'uV"j% EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL l2Z!;Wm( (RADIUS) (FRINGES) 21i ?$ uU fvnj:3RK 1 1 -167.68076 0.83952 4.82574 0.58188 0.00500 uz-O%R- 1 2 -7.06479 0.00091 2.95710 0.36076 0.00157 QII-9RxX" 2 3 -6.55387 7.70586E-04 2.72673 0.26355 0.00487 CUIT)mF: 2 4 5.31383 2.93873E-04 1.62247 0.03937 4.25845E-04 UkK`5p<D7 3 5 5.40837 2.91628E-04 1.57357 0.53301 0.00496 N T+%u- 3 6 -19.41777 0.01032 4.32489 39.42904 0.00000 s8;/'?K 7 -11.19311 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Q${0(#Nu zMlW)NB' ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL W&>ONo6ki 6\"g,f 1 1 N-BAK2 1.53996d 4.28482E-04 59.70771d 0.15534 K. [2uhB) 2 3 N-KZFS4 1.61336d 1.68964E-04 44.49298d 0.05359 B^Y AKbY 3 5 N-BAF10 1.67003d 1.92822E-04 47.11137d 0.06830 2\Bt~;EIx 6iAHus- Note: The symbol "d" indicates that the quantity is estimated at 0.58756 uM. The symbol "F" indicates that the quantity is taken at the primary color. &,E^y,r g2Pa-}{ ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL b#\i]2b: (ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) #mu3`,9V 1 1 0.00000 0.00000 0.37554 0.23097 m/}(dT; 1 2 0.44053 0.00051 0.37277 0.22647 /4x3dwXW@ 2 3 0.00000 0.00000 0.34602 0.20629
<sdC#j 2 4 0.23321 0.00027 0.34291 0.20100 ~1e?9D 3 5 0.00000 0.00000 0.32721 0.19092 ZH6#(;b 3 6 0.51677 0.00060 0.33277 0.19873 x?T.ItW:K 7 16.69273 0.00339 0.00000 0.00000 vX|i5P0)8 ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL ,m ^q> (ARC MIN) (TIR) w}2 ;f= 1 1 0.53402 0.00062 0.00066 0.00000 fsd,q?{a: 1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 YI[y/~! 2 3 0.30597 0.00035 0.00024 0.00000 MP"Pqt 2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 +<qmVW^X 3 5 0.24585 0.00028 0.00027 0.00000 D}4*Il? 3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 !<`}mE!: 7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 up`.#GWm :
&! >.Y 太糟糕了,透镜在镜片1和2之间具有0.0016的空气间隔公差,在2和3之间具有0.0004的空气间隔公差.中间镜片的V-number 公差为0.054,您需要该镜片上的偏心保持在0.00024以内。 没有人能加工出这样一个透镜。 j;%RV)e 我们必须放松这些公差。 如何操作呢?公差太紧的一个原因是,各个镜片的像差很大。 虽然三阶像差对于透镜设计师来说不再像以前那样有用,但实际上它们在放松公差上有用处。 输入命令THIRD SENS。 w]2tb SYNOPSYS AI>THIRD SENS B#Sg:L9Tr' |Uf[x[ ID F10 APO lM0`yh qU!xh) NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY Wk3R6
V &U<t*" SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) = 8.363047 4q%hn3\ SS OF CO3 BY SURFACE (COT) = 0.018283 `2}H$D SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) = 0.132904 H_3-"m &3 SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) = 4.158202 !a
%6nBo SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD) = 0.038108 `{1`>5 SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) = 1.184945 2oL~N*^C SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) = 0.042947 2RW^Nqc9 SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) = 0.000094 f+A!w8E HI+87f_Q 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: uLr9*nxd PANT aX`@WXK VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 a+wc"RQ
| VLIST TH 2 4 fK-tvP0}* END R.ZC|bPiD AANT 0LQ|J(u AEC }vzZWe ACC <qGVOAnz+ M 4 1 A SAT Xgq-r $O2X GSO 0 1 5 M 0 0 BNA` Cc1VV GNO 0 .2 4 M .75 0 e-@=QI^, GNO 0 .1 4 M 1.0 0 Ojea~Y]Sr END }Z^r<-N SNAP M
mihWD02 SYNO 30 .Ioj]r *^h$%<QI 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) BbCt_z' 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。 xRTr<j0s CHG KDt@Xi6|| NOP 4JOw@/nE END D4';QCwo BTOL 2 A4C4xts]N EXACT INDEX 1 3 5 ,B^NH7A: EXACT VNO 1 3 5 C3m](%? kaKV{;UM TPR ALL \W^+aNbv=8 TOL WAVE 0.1 d5b \kR r ADJUST 6 TH 100 100 Yh^~4S? y2XeD=_' PREPARE MC BkZmE, cwe@W PE2 GO Er 4P STORE 4 {9 PeBc qa|"kRCO 我们运行这个命令,公差有点宽松。 *{/L7])gm BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- ;JNI$DR EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL
.1O
(RADIUS) (FRINGES) i2h,=NHJh? 1 1 -59.38005 0.10772 4.93291 0.58188 0.00500 h[Hn*g 1 2 -6.51230 0.00118 4.49176 0.23997 0.00305 Dg:2*m_!j{ 2 3 -6.10170 0.00105 4.39207 0.26355 0.00498 DA0{s 2 4 6.63058 0.00107 3.91104 0.03937 0.00148 !a(#G7zA 3 5 6.66960 0.00105 3.81273 0.53301 0.00498 T~*L[*F0 3 6 -16.08586 0.00781 4.90457 39.98704 0.00000 &s]wf 7 -13.17213 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 vai.w-}Z )2 Omsh ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL \5k^zGF4o 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. uude<d"U &n5Lc` ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL Iy2KOv@a5 (ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) aa:97w~s0 1 1 0.00000 0.00000 0.99505 0.26670 c(]NpH
in 1 2 0.72714 0.00085 0.98343 0.26160
]+ \]2`? 2 3 0.00000 0.00000 0.90848 0.24078 .:<-E% 2 4 0.50988 0.00059 0.89873 0.23704 z /
YF7wrx 3 5 0.00000 0.00000 0.85303 0.22519 ,$lOQ7R1( 3 6 0.85761 0.00100 0.87086 0.23246 U?%1:-#F 7 23.61909 0.00480 0.00000 0.00000 Pk94O K1vm
[Ne ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL d=q&UCC (ARC MIN) (TIR) 'h?;i2[ 1 1 0.86414 0.00101 0.00104 0.00000 d"7l<y5 1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 C2~t 2 3 0.99650 0.00114 0.00050 0.00000 L `fDc 2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 [c{/0* 3 5 0.57610 0.00067 0.00065 0.00000 rQW&$M 3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 qac4GZ 7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Rh:@@4< E"E Bj7<s 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。 0K0[mC}ZwM 输入CW:: k"J[mT$b MC 50 4 QUIET –1 ALL 5. p6qza @ q- U/JC 这将运行50次,根据上面的公差设定,运行公差,然后保存最坏情况的例子。 如果您不知道命令的参数,只需输入字母MC,然后查看托盘。 将显示该命令的格式,如果您需要更多信息,只需在命令位于托盘中按F2键以打开该主题的帮助文件,或输入HELP MC。 (你必须在MC工作之前运行BTOL,因为它使用BTOL的公差。) '+!@c&d#%o MC运行50个案例并显示统计数据。 运行结束后您可以通过输入MC PLOT查看结果的直方图。 现在,轴上图像在two-sigma 以内,方差在0.1以下。 i2PPVT 我们需要研究最坏情况的例子。切换到ACON 2(输入ACON 2或单击按钮)并输入GET 5。这是MC放置该示例的位置。 现在看看PAD显示。 O<@S,/Q4 在这里,我们为底部显示选择了OPD Fan Plots选项,我们发现透镜在轴上,图像上的像差超过四分之一波长。这个透镜的公差仍然很敏感,中心的偏心公差小于一微米。 (c{<JYEC 制造调整 ?q&*|-%)_d 显然,我们需要一些制造调整。 在这种情况下,一个人制作一个元件,测量它,然后再次重新优化透镜,改变其他元件。 然后另一个人制作另一个元件,再次测量和调整,继续这样做直到一切都完成。 在装配时,然后调整偏心和倾斜以获得最佳图像。 #$<7 输入HELP FAMC。 (FAMC是Fab Adjust MC。)这是我们的MACro B/*`u FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 Sdc
yL%6! PASSES 20 i[gq8% hkSK; FAORDER 5 3 1 *?k~n9n5U ^,Paih
2 PHASE 1 PANT ?A[q/n:K VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 7TTU&7l~ VLIST TH 2 4 6 END y~&R(x~w :r<uH6x| AANT [OH9/" GSO 0 1 5 M 0 7?@s.Sz|fV GNO 0 1 5 M 1 END 9~6FWBt SNAP EVAL !y8/El '(JSU PHASE 2 PANT t@a2@dX| VY 3 YDC 2 100 -100 U!GG8;4 VY 3 XDC 2 100 -100 ]F,mj-?4x VY 5 YDC 2 100 -100 h\ZnUn_J VY 5 XDC 2 100 -100 %fS__Tb#u VY 6 TH END AANT f0 ;Fokt( GNO 0 1 4 M 0 0 0 F w8|38m GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END B( ]=I@L=W SNAP SYNO 30 gAy,uP~, MroJ!.9 PHASE 3 .A: #l? p Rt=5WZ 这个MACro在做什么: dS7?[[pg9 1.请求FAMC,其参数与上面运行的MC程序相同。 NJEubC? 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。
vOb=> 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。 g~5$X{ 我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。 ~ccwu 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:
5jj<sj!S 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。) F,Ls1 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。 (T1)7%Xs 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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