SYNOPSYS 光学设计软件课程九：复消色差接物镜的公差计算
`WQpGBS_z_
, -Lv 3
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。 ];0:aSi#
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。 v\kd78,
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。 /J,&G:
Er
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。 Yc(lY
N
计算完成后，从命令窗口向上查看，你会看到 b| `
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： `R$bx 64
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- y|wR)\
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL $ g#d1u0q
(RADIUS) (FRINGES) $5>x)jr:w+
27H4en; o=
1 1 -167.68076 0.83952 4.82574 0.58188 0.00500 B_.>Q8tK;
1 2 -7.06479 0.00091 2.95710 0.36076 0.00157 vF@.B M>
2 3 -6.55387 7.70586E-04 2.72673 0.26355 0.00487 m( WVxVB
2 4 5.31383 2.93873E-04 1.62247 0.03937 4.25845E-04 WxF@'kdn*,
3 5 5.40837 2.91628E-04 1.57357 0.53301 0.00496 a & R,jq
3 6 -19.41777 0.01032 4.32489 39.42904 0.00000 [3 W+h1
7 -11.19311 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Mz6|#P}.s
v/wR) 9
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL <^8OYnp
An
!i
1 1 N-BAK2 1.53996d 4.28482E-04 59.70771d 0.15534 / B
2 3 N-KZFS4 1.61336d 1.68964E-04 44.49298d 0.05359 0+S'i82=M
3 5 N-BAF10 1.67003d 1.92822E-04 47.11137d 0.06830 y? 65*lUl
[dXRord
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. 'zTa]y]a
z.kBQ{P
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL E __A1j*gd
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) #DH eEE
1 1 0.00000 0.00000 0.37554 0.23097 g| 4v>5Y
1 2 0.44053 0.00051 0.37277 0.22647 5c l%>U
2 3 0.00000 0.00000 0.34602 0.20629 5wMEp" YHE
2 4 0.23321 0.00027 0.34291 0.20100 _Hq)mF
3 5 0.00000 0.00000 0.32721 0.19092 qk(u5Z
3 6 0.51677 0.00060 0.33277 0.19873 _]=, U.a=/
7 16.69273 0.00339 0.00000 0.00000 3b B%@^<
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL kc:2ID&
(ARC MIN) (TIR) ymyk.#Z<%
1 1 0.53402 0.00062 0.00066 0.00000 7kidPAhY
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 6~q"# 94
2 3 0.30597 0.00035 0.00024 0.00000 22m'+3I~Y
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ia /_61%
3 5 0.24585 0.00028 0.00027 0.00000 y|Zj
M
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 \R<OT%8
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 u\G\KASUK%
&]/.=J
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。 rx;zd ?
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。 +UP ?M4g
SYNOPSYS AI>THIRD SENS #Y<b'7yJ
aMjCqu05
ID F10 APO
6@ )bZ|
N
DV_/ BI
NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY %5H>tG`]
#/`V.jXt>
SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) = 8.363047 nyB~C7zR
SS OF CO3 BY SURFACE (COT) = 0.018283 bDPT1A`F
SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) = 0.132904 1Y Mu\(
SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) = 4.158202 U
z6XQskX
SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD) = 0.038108 O8ZHIs
SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) = 1.184945 GQ9g $&T
SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) = 0.042947 U=bZy,FT$
SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) = 0.000094 l=JK+u Z
(wIpq<%
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： [VP ~~* b
PANT Fc<+N0M{
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 ^UK6q2[
VLIST TH 2 4 Gwkp(9d
END FeFH_
AANT ?Yp: h
AEC " GofQ5,|
ACC 2xd G&}$fa
M 4 1 A SAT $Mp#tH28
GSO 0 1 5 M 0 0 ^T|~L<A3
GNO 0 .2 4 M .75 0 ;=6~,k )
GNO 0 .1 4 M 1.0 0 Io&F0~Z;;(
END Ofg-gCF8
SNAP <[7.+{qfW
SYNO 30 ,9p
4(jjX
IPnbR)[%
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） wy$9QN
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。 mko<J0|4
CHG Hd)4_
uBt
NOP _` zj^*%
END #SRGVa`x
BTOL 2 ( Qw "^lE3
EXACT INDEX 1 3 5 ^1S(6'a#
EXACT VNO 1 3 5 X @)5F 9
Ro?a DrQ
TPR ALL 2@aVoqrq#
TOL WAVE 0.1 9Qb_BNUo
ADJUST 6 TH 100 100 i4N '[ P}
7 P Z0
PREPARE MC o84!$2P+w
<gKT 7ONtg
GO \5Jpr'mY5
STORE 4 B@l/'$ G
, !3G
我们运行这个命令，公差有点宽松。 p /xxoU
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- kfBVF%90
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL M: qeqn+
(RADIUS) (FRINGES) </|IgN$w`
1 1 -59.38005 0.10772 4.93291 0.58188 0.00500 B&yb%`9],W
1 2 -6.51230 0.00118 4.49176 0.23997 0.00305 g~Zel} h#
2 3 -6.10170 0.00105 4.39207 0.26355 0.00498 W^q;=D6uh
2 4 6.63058 0.00107 3.91104 0.03937 0.00148 BXVmt!S5F
3 5 6.66960 0.00105 3.81273 0.53301 0.00498 Y`3>i ,S6\
3 6 -16.08586 0.00781 4.90457 39.98704 0.00000 hX]vZR&R
7 -13.17213 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 @U(D&_H,K
{|6(_SM|
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL @
Sw[+`
Note: The symbol "d" indicates that the quantity is estimated at 0.58756 uM. The symbol "F" indicates that the quantity is taken at the primary color. vO"Sy{)Z>
A - G?@U
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL _rK} ~y=0
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) A_ }F
1 1 0.00000 0.00000 0.99505 0.26670 -1~bWRYq
1 2 0.72714 0.00085 0.98343 0.26160 &<-Sxjj
2 3 0.00000 0.00000 0.90848 0.24078 g#;w)- Zj
2 4 0.50988 0.00059 0.89873 0.23704 rm N qS+t
3 5 0.00000 0.00000 0.85303 0.22519 <IGQBu#Z H
3 6 0.85761 0.00100 0.87086 0.23246 }r6 SV%]:
7 23.61909 0.00480 0.00000 0.00000 % ^g BDlR^
DQd~!21\|
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL d$/BF&n
(ARC MIN) (TIR) GH ![rK
1 1 0.86414 0.00101 0.00104 0.00000 j9sf~}D>
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 jAmAT / 1
2 3 0.99650 0.00114 0.00050 0.00000 v"Fa_+TVx
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 rE-Xv.
|
3 5 0.57610 0.00067 0.00065 0.00000 !12W(4S5
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 wGE:U`
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 1_THBL26d
4,T!zT6&
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。 .
Yg)|/
输入CW：: 0 }k[s+^
MC 50 4 QUIET –1 ALL 5. C+$dm)M/q
eZ
y)>.6Z
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。） j8!fzJG
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。 Y!v `0z
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。 xj iMM>|n
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。 qCn ( ~:
制造调整 Zg%U4m:
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。 s"< k) Xi
输入HELP FAMC。 （FAMC是Fab Adjust MC。）这是我们的MACro Y(ly0U}
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 eXWiTi@
PASSES 20 C ".&m
]L%qfy4
FAORDER 5 3 1 0Np }O=>
gd-4hR
PHASE 1 PANT a -, !K
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 ?h"+q8&
VLIST TH 2 4 6 END bWo-(
qx q
kN >%y&cK
AANT hgX@?WWR
GSO 0 1 5 M 0 :f?\ mVS+
GNO 0 1 5 M 1 END Id(o6 j^J_
SNAP EVAL {BKu'A
R$4&>VBu
PHASE 2 PANT hWwh`Vw%
VY 3 YDC 2 100 -100 k5]s~* ,0
VY 3 XDC 2 100 -100 .a1WwI
VY 5 YDC 2 100 -100 h }i
/u
VY 5 XDC 2 100 -100 sptDzVM
VY 6 TH END AANT
;?1H&
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F N&U=5c`Q'
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END
mHB*4 L
SNAP SYNO 30 a Erms-~
"]Wrir?l
PHASE 3 %* lOzC
uuHR!
这个MACro在做什么： Nt9M$ ?\P
1.请求FAMC，其参数与上面运行的MC程序相同。 a H'iW)
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。 e)LRD&Q
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。 /Y:&307q
我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。 oE[wOq +
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： S)of.Nq.;
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。） k`U")lv
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。 k{(R.gLZG
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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