SYNOPSYS 光学设计软件课程九:复消色差接物镜的公差计算
p"UdD DQ*T2*L 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。 <1%(%KdN[ 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。 rd:WF(] 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*FCd6X 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。 . \t8s0A 计算完成后,从命令窗口向上查看,你会看到 !K[UJQs\ 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: w5+H9R6 BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- LpYG!K l EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL BH"OphE (RADIUS) (FRINGES) x=M%QFe X;&Iu{&= 1 1 -167.68076 0.83952 4.82574 0.58188 0.00500 tSVWO]< 1 2 -7.06479 0.00091 2.95710 0.36076 0.00157 [`4 2 3 -6.55387 7.70586E-04 2.72673 0.26355 0.00487 rLpfybu 2 4 5.31383 2.93873E-04 1.62247 0.03937 4.25845E-04 e1OGGF%En 3 5 5.40837 2.91628E-04 1.57357 0.53301 0.00496 6Lc{SR 3 6 -19.41777 0.01032 4.32489 39.42904 0.00000 h4#y'E!,Z 7 -11.19311 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 v6C$Y+5~ {U'\2Ge<m ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL o"!C8s_6 @u @~gEt 1 1 N-BAK2 1.53996d 4.28482E-04 59.70771d 0.15534 teKx^ 'c' 2 3 N-KZFS4 1.61336d 1.68964E-04 44.49298d 0.05359 CBr(a'3{Z 3 5 N-BAF10 1.67003d 1.92822E-04 47.11137d 0.06830 SNJSRqWL/ hGy[L3{ Note: The symbol "d" indicates that the quantity is estimated at 0.58756 uM. The symbol "F" indicates that the quantity is taken at the primary color. W=:AOBK 8g0VTY4$jP ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL ?Gl]O3@3 (ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) xwF mY'o 1 1 0.00000 0.00000 0.37554 0.23097 %b[>eIJU# 1 2 0.44053 0.00051 0.37277 0.22647 nZ'-3 2 3 0.00000 0.00000 0.34602 0.20629 0,/I2!dF? 2 4 0.23321 0.00027 0.34291 0.20100 7tbY>U8 3 5 0.00000 0.00000 0.32721 0.19092 b}
0G~oLP 3 6 0.51677 0.00060 0.33277 0.19873 B[,AR"#b 7 16.69273 0.00339 0.00000 0.00000 SF=TG84< ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL GoLK
95"] (ARC MIN) (TIR) g\% Z+Dc 1 1 0.53402 0.00062 0.00066 0.00000 M ui\E 1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000
CkV5PU 2 3 0.30597 0.00035 0.00024 0.00000 GEK7q< 2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 J= [D'h 3 5 0.24585 0.00028 0.00027 0.00000 ,v%'2[} 3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ]9N&I/- 7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 a$j ~YUG_ Yb=77(QV 太糟糕了,透镜在镜片1和2之间具有0.0016的空气间隔公差,在2和3之间具有0.0004的空气间隔公差.中间镜片的V-number 公差为0.054,您需要该镜片上的偏心保持在0.00024以内。 没有人能加工出这样一个透镜。 ]h?q1
我们必须放松这些公差。 如何操作呢?公差太紧的一个原因是,各个镜片的像差很大。 虽然三阶像差对于透镜设计师来说不再像以前那样有用,但实际上它们在放松公差上有用处。 输入命令THIRD SENS。 H76iBJ66 SYNOPSYS AI>THIRD SENS 3K=%I+G(4 K9{RU4< ID F10 APO
k^Q.lb
{ ", p5}}/ NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY L>h|1ZK EE^x34&= SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) = 8.363047 P8(hHuO SS OF CO3 BY SURFACE (COT) = 0.018283 31~nay15 SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) = 0.132904 >J5C .hx SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) = 4.158202 [!De|,u(^ SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD) = 0.038108 <5?pa3 SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) = 1.184945 w_f.\\1r SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) = 0.042947 XEnu0gr SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) = 0.000094 a%A!DzS P6&%`$ 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: |AH>EXhv PANT g)5mr:\ VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 n)~*BpL3 VLIST TH 2 4 z %Bzf~N9 END a'-u(Bw AANT 9O- 2 AEC m):*>o55 ACC o{6q>Jm M 4 1 A SAT ~o>Gm>5!HH GSO 0 1 5 M 0 0 m<49<O6o GNO 0 .2 4 M .75 0
vTgx7gP GNO 0 .1 4 M 1.0 0 @0'U
p END nTv}/M& SNAP {l)$9! SYNO 30 6\ yBA_z hLbWqF 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) +SR{FF 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。 zs~Tu CHG .[}G{%M~[ NOP {"+M%%`*# END {O9(<g BTOL 2 a%e` EXACT INDEX 1 3 5 m`9nDiV EXACT VNO 1 3 5 W&=OtN
U! D8<C7 TPR ALL 3*&
Y'/! TOL WAVE 0.1 vjq2(I)u ADJUST 6 TH 100 100 uN:KivVe wS);KLe3 PREPARE MC h7E~I
J i1|>JM[V GO bx(@ fl:m STORE 4 m/1FVC@* 8f/KNh7#s 我们运行这个命令,公差有点宽松。 y-db CYMc BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- 1vxRhS&FY EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL ~%8P0AP (RADIUS) (FRINGES) >Jmla~A 1 1 -59.38005 0.10772 4.93291 0.58188 0.00500 1!KROes4 1 2 -6.51230 0.00118 4.49176 0.23997 0.00305 F)(^c 2 3 -6.10170 0.00105 4.39207 0.26355 0.00498 X>Vc4n<} 2 4 6.63058 0.00107 3.91104 0.03937 0.00148 V2ih/mh 3 5 6.66960 0.00105 3.81273 0.53301 0.00498 b!P,+!< 3 6 -16.08586 0.00781 4.90457 39.98704 0.00000 a(|6)w- 7 -13.17213 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ]:Gy]qkO Cjx4vP ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL *3H=t$1G} Note: The symbol "d" indicates that the quantity is estimated at 0.58756 uM. The symbol "F" indicates that the quantity is taken at the primary color. 7ocUFY0" st;iGg ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL wX0D^)NtF (ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) SHX`/ 1 1 0.00000 0.00000 0.99505 0.26670 >UvP/rp 1 2 0.72714 0.00085 0.98343 0.26160 Qds<j{2 2 3 0.00000 0.00000 0.90848 0.24078 ==OUd6e} 2 4 0.50988 0.00059 0.89873 0.23704 *O
:JECKU 3 5 0.00000 0.00000 0.85303 0.22519
xgcxA: 3 6 0.85761 0.00100 0.87086 0.23246 nbF<K? 7 23.61909 0.00480 0.00000 0.00000 |n/;x$Cb 8f9wUPr ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL } Bf@69 (ARC MIN) (TIR) \ZZ6r^99 1 1 0.86414 0.00101 0.00104 0.00000 sfyLG3$/ 1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 fAgeF$9@
2 3 0.99650 0.00114 0.00050 0.00000 cu N9RG 2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 C< c6Ub 3 5 0.57610 0.00067 0.00065 0.00000 "pM>TMAE 3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 z2iMpZ 7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 `eMZhYo 2iG+Ek-?" 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。 J'}+0mln 输入CW:: S=_u3OH0 MC 50 4 QUIET –1 ALL 5. 1.du#w /_0B5,6R 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。) -qc'J<*^4 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。 &DWSf`:Hx 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。 o8R_Ojh 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。 = LNU%0m 制造调整 0vqVE]C 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。 E7L>5z 输入HELP FAMC。 (FAMC是Fab Adjust MC。)这是我们的MACro SE+hB FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 V
vrsf6l] PASSES 20 |dgiW"tUm 8\rca:cF
FAORDER 5 3 1 kG/1 Pvc)-A PHASE 1 PANT J@2jx4 VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 FOQ-KP\=, VLIST TH 2 4 6 END WqA)V,E 3Y)&[aj AANT rWTaCU^qV GSO 0 1 5 M 0 q-(~w!e GNO 0 1 5 M 1 END t`8Jz~G` SNAP EVAL 2 nyK'k 9WG=3!-@ PHASE 2 PANT ;\7`G!q VY 3 YDC 2 100 -100 n+8YTjd VY 3 XDC 2 100 -100 M2Nh3ijr VY 5 YDC 2 100 -100 %unn{92) VY 5 XDC 2 100 -100 jlBsm'M<m VY 6 TH END AANT @@D/&}#F GNO 0 1 4 M 0 0 0 F d~aTjf GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END v@{y} SNAP SYNO 30 Yh1</C `j{3|C= PHASE 3 6>WkisxG B&_:20^y~ 这个MACro在做什么: nGVr\u9z 1.请求FAMC,其参数与上面运行的MC程序相同。 0XA\Ag\`G 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。 K6->{!8]k 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。 I0F[Z\U 我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。 Yb5U^OjyJ 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: w~+*Vd~U 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。) 2!6hB sEr 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。 j
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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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