SYNOPSYS 光学设计软件课程九：复消色差接物镜的公差计算
<i6M bCB
|{K:.x#^
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。 u\wd<<I']
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。 OXB-.<
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。 Z#O3s:`
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。 c53`E U
计算完成后，从命令窗口向上查看，你会看到 C=cTj7Ub
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： t} M3F-NZ
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- hzb|:
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL <hbbFL}|%
(RADIUS) (FRINGES) pAuwS n#i
?OyW|jL
1 1 -167.68076 0.83952 4.82574 0.58188 0.00500 "tARJW
1 2 -7.06479 0.00091 2.95710 0.36076 0.00157 ]IV; >94[
2 3 -6.55387 7.70586E-04 2.72673 0.26355 0.00487 .
6dT5x8u
2 4 5.31383 2.93873E-04 1.62247 0.03937 4.25845E-04 $ZO<8|bW
3 5 5.40837 2.91628E-04 1.57357 0.53301 0.00496 !y?hn$w0
3 6 -19.41777 0.01032 4.32489 39.42904 0.00000 a)Ek~{9
7 -11.19311 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Z(M)2
~S!kn1&O
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL R-fjxM*
1_C6 KS
1 1 N-BAK2 1.53996d 4.28482E-04 59.70771d 0.15534 9A(K_ d-!H
2 3 N-KZFS4 1.61336d 1.68964E-04 44.49298d 0.05359 I "2FTGA
3 5 N-BAF10 1.67003d 1.92822E-04 47.11137d 0.06830 P0z {R[KBH
cx(F,?SbS
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. G{~p.?f:
ew$Z5N:
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL @&##c6\$
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) A#:
c
1 1 0.00000 0.00000 0.37554 0.23097 V2%wb\_z
1 2 0.44053 0.00051 0.37277 0.22647 VBJ]d|
2 3 0.00000 0.00000 0.34602 0.20629 yZ$;O0f&&
2 4 0.23321 0.00027 0.34291 0.20100 sLp
LY1X
3 5 0.00000 0.00000 0.32721 0.19092 ;@
X
3 6 0.51677 0.00060 0.33277 0.19873 66^t[[
7 16.69273 0.00339 0.00000 0.00000 8]\h^k4f
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL !
hr@{CD
(ARC MIN) (TIR) Gx_e\fe-/
1 1 0.53402 0.00062 0.00066 0.00000 F@bCm+z-
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ,z )NKt#
2 3 0.30597 0.00035 0.00024 0.00000 L0 2 ~FT
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 L.[uMuUa
3 5 0.24585 0.00028 0.00027 0.00000 *AR<DXE L
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 em !R9J.
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 z.HNb$ ;
[F[<2{FQF
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。 G%R`)Z]8&
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。 F)ld@Ydk=
SYNOPSYS AI>THIRD SENS /
i2-h
X]"OW
ID F10 APO @zF:{=+]+
VDjIs UUX
NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY nY-9
1q?Y
x>" JWD
SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) = 8.363047 q.[ [ c
SS OF CO3 BY SURFACE (COT) = 0.018283 QfWu~[
SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) = 0.132904 *"{Z?< 3
SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) = 4.158202 0a 6z "K}
SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD) = 0.038108 E(+wl
SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) = 1.184945 R bc2g"]
SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) = 0.042947 ND1%s &
SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) = 0.000094 @/NZ>.
[mzF)/[_2
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： Mv`L F
PANT 2X c
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 A<CXd t+t
VLIST TH 2 4 '!h0![OH
END JgKZ;GM:W
AANT Bp{`%86S E
AEC 4U;XqU Y
/
ACC C*6)Ut '
M 4 1 A SAT 8 E+C:"
GSO 0 1 5 M 0 0 a{Hb7&
GNO 0 .2 4 M .75 0 cPaW J+c
GNO 0 .1 4 M 1.0 0 53*, f
END a:^ Gr%
SNAP v:Z4z6M-
SYNO 30 , !%R5*?=D
4|41^B5Y
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） ! }?jC p p
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。 S<]a@9W
CHG bd
P,Zqd
NOP !5SQN5K
END IgR"eu U
BTOL 2 :8-gm"awL5
EXACT INDEX 1 3 5 >g"M.gW
EXACT VNO 1 3 5 ck_fEF
ZWhmO=b!
TPR ALL #!u51P1
TOL WAVE 0.1 P:,
x?T?J^
ADJUST 6 TH 100 100 h k!,
m5em<P!G
PREPARE MC :Ip:sRz
/b:t;0G
GO M$4=q ((0
STORE 4 Ao, ! z
zP h\3B
我们运行这个命令，公差有点宽松。 b801O F
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- T'b/]&0Tio
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL K7xWE,y
(RADIUS) (FRINGES) Ag4Ga?&8ec
1 1 -59.38005 0.10772 4.93291 0.58188 0.00500 *x o;pe)9
1 2 -6.51230 0.00118 4.49176 0.23997 0.00305 4,F3@m:<
2 3 -6.10170 0.00105 4.39207 0.26355 0.00498 ^ ?7dOW
2 4 6.63058 0.00107 3.91104 0.03937 0.00148 M |({
4C
3 5 6.66960 0.00105 3.81273 0.53301 0.00498 H9san5{
3 6 -16.08586 0.00781 4.90457 39.98704 0.00000 uQu/(5
7 -13.17213 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 oAZF3h]po
D_n }p8blT
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL \9(- /rE
Note: The symbol "d" indicates that the quantity is estimated at 0.58756 uM. The symbol "F" indicates that the quantity is taken at the primary color. b~r{J5x@
*fH_lG%
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL :9F''f$AP
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) rx6-~0!eI=
1 1 0.00000 0.00000 0.99505 0.26670 m&`(p f4A
1 2 0.72714 0.00085 0.98343 0.26160 R E>ks[
2 3 0.00000 0.00000 0.90848 0.24078 T4~`e_
2 4 0.50988 0.00059 0.89873 0.23704 7*>S ;$
3 5 0.00000 0.00000 0.85303 0.22519 U7B/t3,=U
3 6 0.85761 0.00100 0.87086 0.23246 bKuj
po6
7 23.61909 0.00480 0.00000 0.00000 ^K.u
~p
"<w2v'6S
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL z{@R .'BD
(ARC MIN) (TIR) H\| ]!8w5Z
1 1 0.86414 0.00101 0.00104 0.00000 5K ,#4EOV
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 *m$ PH"
2 3 0.99650 0.00114 0.00050 0.00000 .;HIEj zq
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 %h" qMs S
3 5 0.57610 0.00067 0.00065 0.00000 6hM]%
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 n|x $vgb
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 nJl eef9
BeI;#m0
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。 v0Ai!#
输入CW：: $E i o$TI
MC 50 4 QUIET –1 ALL 5. /BMtcCPG!
Gg9VS&VI
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。） a(@p0YpKT
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。 <8rgtu!VU
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。 4O`6h)!NQ
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。 n w0L1TP/J
制造调整 iUI y,Y
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。 aUW/1nQHa
输入HELP FAMC。 （FAMC是Fab Adjust MC。）这是我们的MACro `l>93A
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 y !<'rg
PASSES 20 $ T?*0"Mj[
L`UG=7r q
FAORDER 5 3 1 aqs%m (
k]?z~ p
PHASE 1 PANT JBR[;
zM
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 c[VrC+e m
VLIST TH 2 4 6 END )?w&oIj5
%5JW< 9
AANT P_p6GT:5
GSO 0 1 5 M 0 P</s)"@
GNO 0 1 5 M 1 END 8F zHNG
SNAP EVAL e,f ;
8RdP:*HY
PHASE 2 PANT |l|_dn
VY 3 YDC 2 100 -100 +
<Z+-
VY 3 XDC 2 100 -100 Ue(r} *
VY 5 YDC 2 100 -100 E'5Ajtw;
VY 5 XDC 2 100 -100 YywEZ ?X
VY 6 TH END AANT 0Injyc*bMF
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F n6b3E *
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END 8> UKIdp
SNAP SYNO 30 9~@<-6jE3b
zKLn!b#>
PHASE 3 ' _B_&is
31 ~hlp;
这个MACro在做什么： W* k`
1.请求FAMC，其参数与上面运行的MC程序相同。 /7bw: h;
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。 < /.z1 $
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。 /b.$jn qL
我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。 ~&1KrUu&
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： nV'3sUvR#
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。） -#Np 7/
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。 P:
n# S %
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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