SYNOPSYS 光学设计软件课程九:复消色差接物镜的公差计算
t6,bA1*5y ?lPn{oB9" 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。 n%S%a>IQj 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。 B,5kG{2! 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)PYjMnH 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。 "y9]>9:$- 计算完成后,从命令窗口向上查看,你会看到 69"4/n7B? 这表示轴上图像将获得0.05的方差,这是一个相当大的数值。向上滚动显示,直到看到公差结果: b)[2t^zG BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- R/WbcQ) EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL 3|0wD:Dy (RADIUS) (FRINGES) m ?e::W : MEB] } 1 1 -167.68076 0.83952 4.82574 0.58188 0.00500 94}y,\S~ 1 2 -7.06479 0.00091 2.95710 0.36076 0.00157 zk;'`@7 2 3 -6.55387 7.70586E-04 2.72673 0.26355 0.00487 E]P7u"1 2 4 5.31383 2.93873E-04 1.62247 0.03937 4.25845E-04 6/3oW}Oo 3 5 5.40837 2.91628E-04 1.57357 0.53301 0.00496 M*-]<!))7 3 6 -19.41777 0.01032 4.32489 39.42904 0.00000 h(/& ;\Cr 7 -11.19311 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Z}AhDIw!G !jTxMf
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL `9Rj;^NJ (&KBYiwr 1 1 N-BAK2 1.53996d 4.28482E-04 59.70771d 0.15534 @kPe/j/[1 2 3 N-KZFS4 1.61336d 1.68964E-04 44.49298d 0.05359 |V&E q>G 3 5 N-BAF10 1.67003d 1.92822E-04 47.11137d 0.06830 b[2 #t |
9 <+!t\ Note: The symbol "d" indicates that the quantity is estimated at 0.58756 uM. The symbol "F" indicates that the quantity is taken at the primary color. 2PC:F9dh\ xE5VXYU ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL #z5$_z?_ (ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) s/0bXM$^ 1 1 0.00000 0.00000 0.37554 0.23097 6pdek3pOCt 1 2 0.44053 0.00051 0.37277 0.22647 }rQ0*h 2 3 0.00000 0.00000 0.34602 0.20629 <'N~|B/yZ 2 4 0.23321 0.00027 0.34291 0.20100 Y '+mC 3 5 0.00000 0.00000 0.32721 0.19092 =&" a:l 3 6 0.51677 0.00060 0.33277 0.19873 7$JOIsM 7 16.69273 0.00339 0.00000 0.00000 -y'tz,En. ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL }3/|;0j$ (ARC MIN) (TIR) |vPU]R>6 1 1 0.53402 0.00062 0.00066 0.00000
.Q!p Q"5 1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 vhGX& 2 3 0.30597 0.00035 0.00024 0.00000 =X;h _GQ 2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 {rzvZ0-j} 3 5 0.24585 0.00028 0.00027 0.00000 rM`z2*7%d 3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Rr0]~2R 7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Od+nBJ
pHzl/b8 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。 wCEcMVT 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。 T`2a) SYNOPSYS AI>THIRD SENS i3vg7V. "9#hk3*GqX ID F10 APO }p>l,HD bHg 0,N NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY { ^Rr:+ pD]2.O SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) = 8.363047 pN{XGkX. SS OF CO3 BY SURFACE (COT) = 0.018283 l:OXxHxRi SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) = 0.132904 s_P[lbHt. SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) = 4.158202 u/apnAW@M SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD) = 0.038108 K?u:-QX^ SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) = 1.184945 wAo6:) SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) = 0.042947 ao"Z%#Jb~ SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) = 0.000094 7|k2~\@q bQ-n<Lx 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: ]Na; b PANT \rY\wa VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 i(4.7{* VLIST TH 2 4 bD=R/yA END ;;N#'.xD AANT EX@Cf!GjN AEC P6)d#M ACC $S^rKp# M 4 1 A SAT ~i0>[S3' GSO 0 1 5 M 0 0 D7Y?$=0ycb GNO 0 .2 4 M .75 0 M hjIE<OI= GNO 0 .1 4 M 1.0 0 ]/|DCxQ END v8TNBsEL SNAP tILnD1q SYNO 30 @9lGU# AMN`bgxW 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) :4)lmIu 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。 A:\_ \B%< CHG [$M l;K NOP C't%e END (`<B#D;
BTOL 2 MEOfVh EXACT INDEX 1 3 5 *f SX3Dk EXACT VNO 1 3 5 <bJ~Ol P0rdGf 5T TPR ALL (L!u[e0[# TOL WAVE 0.1 N6v*X+4JH ADJUST 6 TH 100 100 #fFD|q eGUe#(I / PREPARE MC qv`:o
` w$`u_P|@E: GO *7qa]i^] STORE 4 _k5$.f:Yj< u@aM8Na 我们运行这个命令,公差有点宽松。 _+gpdQq\p BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- UJ`%uLR~ EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL M#yUdl7d (RADIUS) (FRINGES) NJKk\RM@7 1 1 -59.38005 0.10772 4.93291 0.58188 0.00500 \rCdsN 2H 1 2 -6.51230 0.00118 4.49176 0.23997 0.00305 |[!0ry*N% 2 3 -6.10170 0.00105 4.39207 0.26355 0.00498 lEpPi@2PK 2 4 6.63058 0.00107 3.91104 0.03937 0.00148 ZRUA w,T * 3 5 6.66960 0.00105 3.81273 0.53301 0.00498 {h;i x 3 6 -16.08586 0.00781 4.90457 39.98704 0.00000 !9^GkFR6n 7 -13.17213 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 K,*If Hi6[ AI .2os* ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL r<*Y1;7H' Note: The symbol "d" indicates that the quantity is estimated at 0.58756 uM. The symbol "F" indicates that the quantity is taken at the primary color. ?hW(5]p| gIcPKj"8${ ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL d%Ku'Jy (ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) l4OPzNc' 1 1 0.00000 0.00000 0.99505 0.26670 `~@}f"c`u 1 2 0.72714 0.00085 0.98343 0.26160 =OR&,xt 2 3 0.00000 0.00000 0.90848 0.24078 ;e~K<vMm;y 2 4 0.50988 0.00059 0.89873 0.23704 %;` 3I$ 3 5 0.00000 0.00000 0.85303 0.22519 !p)cP"fa 3 6 0.85761 0.00100 0.87086 0.23246 * =O@D2g0 7 23.61909 0.00480 0.00000 0.00000 u[!Ex=9W YC}$O2 ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL s'@@q (ARC MIN) (TIR) U4Pk^[,p1G 1 1 0.86414 0.00101 0.00104 0.00000 Vb2")+*: 1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 6:\z8fYD 2 3 0.99650 0.00114 0.00050 0.00000 W*D*\E 2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 YGLR%PYv" 3 5 0.57610 0.00067 0.00065 0.00000 F#{PJ# 3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 _j<,qi 7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 5gPAX $j H ;<` 现在,透镜在视场的任何地方都会出现0.1的变化,处于two-sigma水平。 这太大了吗? 为了找到答案,让我们运行蒙特卡洛程序,看看制作的透镜是什么样的。 起始透镜现在位于库中的位置4,我们将最坏的示例放到库中的位置5。 N?Ss/by8Sg 输入CW:: i4
tW8Il MC 50 4 QUIET –1 ALL 5. Xg97[ I8/ ix}*whW=U 这将运行50次,根据上面的公差设定,运行公差,然后保存最坏情况的例子。 如果您不知道命令的参数,只需输入字母MC,然后查看托盘。 将显示该命令的格式,如果您需要更多信息,只需在命令位于托盘中按F2键以打开该主题的帮助文件,或输入HELP MC。 (你必须在MC工作之前运行BTOL,因为它使用BTOL的公差。) }Z\+Qc<< MC运行50个案例并显示统计数据。 运行结束后您可以通过输入MC PLOT查看结果的直方图。 现在,轴上图像在two-sigma 以内,方差在0.1以下。 5TdI 我们需要研究最坏情况的例子。切换到ACON 2(输入ACON 2或单击按钮)并输入GET 5。这是MC放置该示例的位置。 现在看看PAD显示。 i)e)FhEY6 在这里,我们为底部显示选择了OPD Fan Plots选项,我们发现透镜在轴上,图像上的像差超过四分之一波长。这个透镜的公差仍然很敏感,中心的偏心公差小于一微米。 B Zw#ACU 制造调整 m<22E0=g 显然,我们需要一些制造调整。 在这种情况下,一个人制作一个元件,测量它,然后再次重新优化透镜,改变其他元件。 然后另一个人制作另一个元件,再次测量和调整,继续这样做直到一切都完成。 在装配时,然后调整偏心和倾斜以获得最佳图像。 /XW,H0pR 输入HELP FAMC。 (FAMC是Fab Adjust MC。)这是我们的MACro ;D<rGkry FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 vGPaW YV PASSES 20 :Ee5:S Bb/aeLv FAORDER 5 3 1 @i:_JOl [h2V9>4: PHASE 1 PANT %K]nX#.B& VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 dzMI5fA<_ VLIST TH 2 4 6 END zphStiwIQ k)USLA AANT 8 _[f#s`) GSO 0 1 5 M 0 }~5xlg$B<< GNO 0 1 5 M 1 END 1vxh3KS. SNAP EVAL ("BFI s/'gl PHASE 2 PANT }c,}+{q VY 3 YDC 2 100 -100 Sq==)$G VY 3 XDC 2 100 -100 g@"6QAP VY 5 YDC 2 100 -100 gf2w@CVF>= VY 5 XDC 2 100 -100 @.iOFY VY 6 TH END AANT ]QU52R@M GNO 0 1 4 M 0 0 0 F E]Hl&t/} GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END !ZV#~t:) SNAP SYNO 30 Qi7^z; jW",'1h<n PHASE 3 9Au+mIN XT_BiZ%l5O 这个MACro在做什么: ?-'Q-\j 1.请求FAMC,其参数与上面运行的MC程序相同。 |qNrj~n@ 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。 $Y0bjS2J 3.当镜片全部制成时,它根据倾斜和偏心公差模拟它们在工厂中的安装。 然后它再次优化,根据PHASE 2参数改变X和Y中元件2和3的偏心(在两个方向上模拟误差,补偿也是如此)。 我们再次变化厚度6,因为大的中心变化也产生小的离焦。 评价函数还校正光瞳左右的光线(GNO线中的“F”),因为一旦模拟了误差,就不再存在双边对称性。 A1f]HT 我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。 @]#+`pZ4A 这个透镜在轴上的波前差仍超过四分之一波长 - 但请记住这是最糟糕的情况。 这50次运行的结果中的大部分都非常好。 输入MC PLOT,并在图的左下方查看描述轴上图像的部分: uf)W?`e~ 最糟糕的例子是底部末尾的直方图,它比其他结果差得多。毕竟,这是一个正态统计的结果。如果根据这个相当紧的公差建造,透镜很可能会正常工作。(如果您自己运行这些案例,您的统计信息会有所不同,因为MC会根据预算引入随机错误。) ddHIP`wb 请注意,当我们决定使用FAMC时,公差本身不会被更改或重新计算。 我们所做的是采用效果不佳的公差而使其更好地运作。另外一点,我们不必再担心偏心公差 – 因为这些偏心很难保持 -在装配时我们可以调整元件的偏心。那么事情变得容易多了。 y$V{yh[: 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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