SYNOPSYS 光学设计软件课程九:复消色差接物镜的公差计算
R Q8"vF# )E",)}Nh 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。 <YCjo[(~ 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。 p+Yy"wH:h{ 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。 un\o&0} 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。 #pWy%U 计算完成后,从命令窗口向上查看,你会看到 v#d3W|
~ 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: sfVzVS[ BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- N8T.Ye N EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL &xr (Kb (RADIUS) (FRINGES) A/ zAB3 hAgrs[OFj 1 1 -167.68076 0.83952 4.82574 0.58188 0.00500 :"Vmy.xq 1 2 -7.06479 0.00091 2.95710 0.36076 0.00157 D{7sfkcJ 2 3 -6.55387 7.70586E-04 2.72673 0.26355 0.00487 #Hy9 ;Q 2 4 5.31383 2.93873E-04 1.62247 0.03937 4.25845E-04 jz3f{~ 3 5 5.40837 2.91628E-04 1.57357 0.53301 0.00496 UnDX .W*2 3 6 -19.41777 0.01032 4.32489 39.42904 0.00000 dM"5obEb 7 -11.19311 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0}Kyj"-3 :S`12*_g" ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL VaonG]Ues O>*Vo!z\f 1 1 N-BAK2 1.53996d 4.28482E-04 59.70771d 0.15534 "SuG6!k3 2 3 N-KZFS4 1.61336d 1.68964E-04 44.49298d 0.05359 ']!wc8m1" 3 5 N-BAF10 1.67003d 1.92822E-04 47.11137d 0.06830 ^K<!`B akj#.aYk 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. a'q&[08 3W[||V[r]< ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL }V/iU_) (ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) W T @XHwt 1 1 0.00000 0.00000 0.37554 0.23097 f4`Nws-dP 1 2 0.44053 0.00051 0.37277 0.22647 9G1ZW=83 2 3 0.00000 0.00000 0.34602 0.20629 [:izej(\ 2 4 0.23321 0.00027 0.34291 0.20100 ZRGe$HaU 3 5 0.00000 0.00000 0.32721 0.19092 e[Z-&' 3 6 0.51677 0.00060 0.33277 0.19873 pgUjje># 7 16.69273 0.00339 0.00000 0.00000 >y!R}`&0^t ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL B%x?VOdBE (ARC MIN) (TIR) 5IgO4 <B 1 1 0.53402 0.00062 0.00066 0.00000 A(XX2f!i 1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ^]/V-!j 2 3 0.30597 0.00035 0.00024 0.00000 \+
Ese-la 2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 oh:.iL}j 3 5 0.24585 0.00028 0.00027 0.00000 ?>R(;B|ER 3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Q*f0YjH! 7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 e ?Jgk$" VYK%0S9yH[ 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。 6 G,cc 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。 do l8O SYNOPSYS AI>THIRD SENS >qMzQw2 X2 <fS~m ID F10 APO l?X)]1 *I9O63 NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY |*~SR.[` f(EO|d^u SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) = 8.363047 =Q# (2 SS OF CO3 BY SURFACE (COT) = 0.018283 .8|"@ SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) = 0.132904 R<r,&X?m SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) = 4.158202 7 $Cv=8 SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD) = 0.038108 b-#oE{(\' SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) = 1.184945 gd0a,_`M SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) = 0.042947 S2
-J1x2N SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) = 0.000094 :@Ml-ZE qnU`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: T#}"?A| PANT Vc8w[oS VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 bz`rSp8h VLIST TH 2 4 $GD
Q1&Z END e[QEOx/-h2 AANT B}I9+/|{ AEC iML?`%/vN ACC XCGK&OGI M 4 1 A SAT CE4Kc33OU| GSO 0 1 5 M 0 0 (
_MY;S GNO 0 .2 4 M .75 0 OL.{lKJ3DV GNO 0 .1 4 M 1.0 0 (Kw%fJT END N.V5>2 SNAP T|--ZRYn SYNO 30 [KEw5-=i@ 3'55!DE 在这里,我们要求SAT的值为4,并且还要求更精细的光线网格。运行后,透镜稍微改变,如要求的那样,SAT现在的值为4。(L9L1.RLE) ~qE:Nz0@ 现在我们再次运行BTOL,将波前差公差更改为0.1,并指定厚度6的调整。(第一次BTOL运行使用了6的近轴厚度求解,但是如果让程序略微偏离,有时公差会更宽松。 调整将解决这个问题.NOP指令删除所有的近轴解决方案。)我们还指定三个镜片的折射率和阿贝数,这将它们从公差中删除。 在像这样繁琐的系统中,人们总是要求玻璃供应商提供熔点数据,这样可以得到测量的指数,然后用这些值调整设计。 因此,这些值中的误差不再是公差的一部分。 P(p|NRD@1 CHG ,}^FV~ NOP j9f Q V END 1/=6s5vS} BTOL 2 q^}iXE~ EXACT INDEX 1 3 5 5_rx$avm EXACT VNO 1 3 5 !3ji]q;uF h\|T(597. TPR ALL 7Y
4! TOL WAVE 0.1 ^aqBL ADJUST 6 TH 100 100 W#L/|K!S p-6T,') PREPARE MC g9F?j Dd:48sN:Jq GO K{iC'^wP STORE 4 "i\^GK= %d0BQ| 我们运行这个命令,公差有点宽松。 *3(mNpi{_ BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- PSU}fo EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL
: !wt/Y (RADIUS) (FRINGES) mfk^t`w_ 1 1 -59.38005 0.10772 4.93291 0.58188 0.00500 gAK"ShOhG= 1 2 -6.51230 0.00118 4.49176 0.23997 0.00305 fjqd16{Q 2 3 -6.10170 0.00105 4.39207 0.26355 0.00498 /kqa|=-`q 2 4 6.63058 0.00107 3.91104 0.03937 0.00148 N}'2GBqfU4 3 5 6.66960 0.00105 3.81273 0.53301 0.00498 15kkf~Z<t 3 6 -16.08586 0.00781 4.90457 39.98704 0.00000 Hw,@oOh. 7 -13.17213 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Z1U@xQj ($,qxPOn ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL $g
}aH(vf 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. d M;v39 ;y-sd?pAk ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL iE^=Vf; (ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) $v1_M1 1 1 0.00000 0.00000 0.99505 0.26670 E_#?;l> 1 2 0.72714 0.00085 0.98343 0.26160 "6i3'jc` 2 3 0.00000 0.00000 0.90848 0.24078 ` c" 2 4 0.50988 0.00059 0.89873 0.23704 YLb$/6gj6 3 5 0.00000 0.00000 0.85303 0.22519 SL`nt 3 6 0.85761 0.00100 0.87086 0.23246 ,#j'~-5 7 23.61909 0.00480 0.00000 0.00000 5 i=C?W`' }qBmt># ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL HnKXO (ARC MIN) (TIR) gCx#&aXS 1 1 0.86414 0.00101 0.00104 0.00000 `r&]Ydu: 1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 G|z%T`!U1; 2 3 0.99650 0.00114 0.00050 0.00000 a2eE!I 2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 c'wU$xt.w 3 5 0.57610 0.00067 0.00065 0.00000 eaDG7+iS 3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 rXq{WS` 7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 (P-$tHt ">vi=Tr 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。 A5Lzd 输入CW:: $#E!/vVwD7 MC 50 4 QUIET –1 ALL 5. aAgQ^LY rbrh;\<jM 这将运行50次,根据上面的公差设定,运行公差,然后保存最坏情况的例子。 如果您不知道命令的参数,只需输入字母MC,然后查看托盘。 将显示该命令的格式,如果您需要更多信息,只需在命令位于托盘中按F2键以打开该主题的帮助文件,或输入HELP MC。 (你必须在MC工作之前运行BTOL,因为它使用BTOL的公差。) yV*4|EkvW MC运行50个案例并显示统计数据。 运行结束后您可以通过输入MC PLOT查看结果的直方图。 现在,轴上图像在two-sigma 以内,方差在0.1以下。 gzN51B =D 我们需要研究最坏情况的例子。切换到ACON 2(输入ACON 2或单击按钮)并输入GET 5。这是MC放置该示例的位置。 现在看看PAD显示。 k&17 (Tv$ 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。 sEi9<$~R@0 制造调整 QSOG(}w 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。 H^M>(kT#& 输入HELP FAMC。 (FAMC是Fab Adjust MC。)这是我们的MACro LX#gc.c FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 6 !wk5# PASSES 20 >+):eBL ]AX3ov6z9; FAORDER 5 3 1 ~nApRC)0 \jx3Fs:Q PHASE 1 PANT BO.Db`` VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 $dG:29w VLIST TH 2 4 6 END eg24.W9c Gr#WD=I-} AANT pj7v{H + GSO 0 1 5 M 0 J M`[|"R% GNO 0 1 5 M 1 END w1eFm:' SNAP EVAL wOsg,p;\' R[@}Lg7+v PHASE 2 PANT oXUb_/ VY 3 YDC 2 100 -100 U*?`tdXJ$ VY 3 XDC 2 100 -100 6"R'z#{OF VY 5 YDC 2 100 -100 fElFyOo+ VY 5 XDC 2 100 -100 YLuf2ja}X VY 6 TH END AANT 9*r^1PRc GNO 0 1 4 M 0 0 0 F gU1Pb]] GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END {(I":rt# SNAP SYNO 30 AWJA? }_5 R9w]" PHASE 3 cQm4q19 D}Sww5ZmP 这个MACro在做什么: w^U{e
xo 1.请求FAMC,其参数与上面运行的MC程序相同。 ;; ;=)'o 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。 '.k'*=cq0 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。 ?wFL\C 我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。 r-.>3J 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: Je}0KW3G9L 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。) {8h[Bd 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。 qHvUBx0 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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