SYNOPSYS 光学设计软件课程九：复消色差接物镜的公差计算
&EMm<(.]a
J&5|'yVX
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。 8=$@ azG
在将透镜元件的图纸发送到车间之前，您必须知道透镜的公差多大以确保透镜能被加工。我们使用上一课中的透镜L8L2作为例子。 sx9 N8T3n
轴上图像对于这种物镜来说是最重要的，它通常用于行星观测，并且有一些场曲和像散。 iU &V}p
首先，我们尝试简单的BTOL评估。 BTOL有很多选项，我们只使用其中几个。 我们为这个案例提供了一个菜单：MSB，Menu，Simple BTOL。 在命令窗口中输入MSB，然后按如下方式填写:(大部分已经为您填写;但我们选择了TOLERANCE和WAVE单选按钮（而不是DEGRADE SPOT），然后单击Prepare MC框以选择该选项。其他所有内容都可以保留原样。单击GO按钮。 ? in&/ZrB
计算完成后，从命令窗口向上查看，你会看到 e}kG1C8
这表示轴上图像将获得0.05的方差，这是一个相当大的数值。向上滚动显示，直到看到公差结果： :ZUy(8%Wl
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- Yy&0b(m U
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL &B)
F_E I
(RADIUS) (FRINGES) <1"6`24
(T@ov~ @
1 1 -167.68076 0.83952 4.82574 0.58188 0.00500
9TeDLp
1 2 -7.06479 0.00091 2.95710 0.36076 0.00157 'h:4 Fzo<
2 3 -6.55387 7.70586E-04 2.72673 0.26355 0.00487 '?QZ7A
2 4 5.31383 2.93873E-04 1.62247 0.03937 4.25845E-04 %j=7e@
3 5 5.40837 2.91628E-04 1.57357 0.53301 0.00496 1$c */Tc:E
3 6 -19.41777 0.01032 4.32489 39.42904 0.00000 sg3%n0Ms.W
7 -11.19311 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 RvVnVcn^#
xH92=t-w
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL i22R3&C
mCg 5-E~;
1 1 N-BAK2 1.53996d 4.28482E-04 59.70771d 0.15534 2WKA] l;
2 3 N-KZFS4 1.61336d 1.68964E-04 44.49298d 0.05359 ,7eN m>$
3 5 N-BAF10 1.67003d 1.92822E-04 47.11137d 0.06830 <Wl!
Qog'
L,R9jMx?_
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. e Q0bx&
_ yU
e2Gd
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL &v LZ j
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) J?%Z7&/M>
1 1 0.00000 0.00000 0.37554 0.23097 m'% F,c)
1 2 0.44053 0.00051 0.37277 0.22647 ;]p#PNQ0
2 3 0.00000 0.00000 0.34602 0.20629 nHA2p`T
2 4 0.23321 0.00027 0.34291 0.20100 7bTs+C_;7
3 5 0.00000 0.00000 0.32721 0.19092 iK)w3S}k1y
3 6 0.51677 0.00060 0.33277 0.19873 L -Z1Xs
7 16.69273 0.00339 0.00000 0.00000 8R)*8bb
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL '?#e$<uS-
(ARC MIN) (TIR) 3?2;z+cz*u
1 1 0.53402 0.00062 0.00066 0.00000 ym-2 12wl
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 }Za[<t BWS
2 3 0.30597 0.00035 0.00024 0.00000 jLZ+HYyG9
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 T1D7H~ \lG
3 5 0.24585 0.00028 0.00027 0.00000 64[j:t=N
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 -O oXb( I4
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 eqXW|,zUm
YckexfL
太糟糕了，透镜在镜片1和2之间具有0.0016的空气间隔公差，在2和3之间具有0.0004的空气间隔公差.中间镜片的V-number 公差为0.054，您需要该镜片上的偏心保持在0.00024以内。 没有人能加工出这样一个透镜。 tk ~7 >S
我们必须放松这些公差。 如何操作呢？公差太紧的一个原因是，各个镜片的像差很大。 虽然三阶像差对于透镜设计师来说不再像以前那样有用，但实际上它们在放松公差上有用处。 输入命令THIRD SENS。 R9{6$djq\:
SYNOPSYS AI>THIRD SENS ([s2F%S`@
16x M?P
ID F10 APO >:8GU f*
: wb\N'b
NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY c_%vD~6W-
bD=_44I
SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) = 8.363047 aMT&}3
SS OF CO3 BY SURFACE (COT) = 0.018283 Rg+V;C
C~
SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) = 0.132904 'j>Q7M7q{
SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) = 4.158202 *pj&^W?
SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD) = 0.038108 i_ I` Y
SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) = 1.184945 ^-rb&kW@:
SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) = 0.042947 s}UPe )Vu
SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) = 0.000094 <^OGJ}G
RfFeAg,]/
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： c[ga@Vy
PANT v;irk<5
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 aZ- )w
VLIST TH 2 4 izOtt^#DZt
END o) sr E5
AANT vA"yy"B+ V
AEC (7&[!PS
ACC 9qW^@5
m
M 4 1 A SAT -&%#R_RV
GSO 0 1 5 M 0 0 & Z *&&
GNO 0 .2 4 M .75 0 s:,BcVLx^
GNO 0 .1 4 M 1.0 0 "m(HQ5e)*
END L~CwL
SNAP r C$ckug
SYNO 30 0vf2wBK'T
sYgpK92
在这里，我们要求SAT的值为4，并且还要求更精细的光线网格。运行后，透镜稍微改变，如要求的那样，SAT现在的值为4。（L9L1.RLE） @/yef3
现在我们再次运行BTOL，将波前差公差更改为0.1，并指定厚度6的调整。（第一次BTOL运行使用了6的近轴厚度求解，但是如果让程序略微偏离，有时公差会更宽松。 调整将解决这个问题.NOP指令删除所有的近轴解决方案。）我们还指定三个镜片的折射率和阿贝数，这将它们从公差中删除。 在像这样繁琐的系统中，人们总是要求玻璃供应商提供熔点数据，这样可以得到测量的指数，然后用这些值调整设计。 因此，这些值中的误差不再是公差的一部分。 |-=^5q5
CHG Cz8=G;\
NOP 89?AcZ.D
END vaS/ WEY
BTOL 2 BPwFcT)i!(
EXACT INDEX 1 3 5 Nq Ve{+1x
EXACT VNO 1 3 5 z'XFwk
){ArZjG>
TPR ALL pd/{yX M
TOL WAVE 0.1 r^q@rL>
ADJUST 6 TH 100 100 I~gU3(
Z<;am
PREPARE MC +)dQd T0Fq
s^)wh v`C
GO ZQZ>{K
STORE 4 ":tQYo]d
{?$-p%CF`8
我们运行这个命令，公差有点宽松。 XSkx<"U*
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- UW8 8JA0
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL now\-XrS
(RADIUS) (FRINGES) E0o=
1 1 -59.38005 0.10772 4.93291 0.58188 0.00500 /:~mRf^
1 2 -6.51230 0.00118 4.49176 0.23997 0.00305 %D:Mt|
2 3 -6.10170 0.00105 4.39207 0.26355 0.00498 oEG e y8?
2 4 6.63058 0.00107 3.91104 0.03937 0.00148 2aNCcZw0
3 5 6.66960 0.00105 3.81273 0.53301 0.00498 049E# [<Q"
3 6 -16.08586 0.00781 4.90457 39.98704 0.00000 ]SA]{id+
7 -13.17213 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 g!,>.
NffZttN
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL Zx@/5!_n.
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. 6av]L Y K
0sD"Hu
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL e p>*]'
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) >j%HVRW
1 1 0.00000 0.00000 0.99505 0.26670 0B7cpw>_J
1 2 0.72714 0.00085 0.98343 0.26160 }`FC'!(
2 3 0.00000 0.00000 0.90848 0.24078 1Y' 9|+y+
2 4 0.50988 0.00059 0.89873 0.23704 <DxUqCE
3 5 0.00000 0.00000 0.85303 0.22519 :7
Ro9z8
3 6 0.85761 0.00100 0.87086 0.23246 *fQ $ s
7 23.61909 0.00480 0.00000 0.00000 s,!+wHv _8
!vH7 vq
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL 87.b7 b.
(ARC MIN) (TIR) p(-f $Q(
1 1 0.86414 0.00101 0.00104 0.00000 @doo2qqIe]
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 6 p|*H?|It
2 3 0.99650 0.00114 0.00050 0.00000 @ )owj^sA
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 |j3mI\ANF
3 5 0.57610 0.00067 0.00065 0.00000 (U#4j 6Q
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 BG\g`NK}Z
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 J5b>mTvb
-!zyit5B
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。 -HutEbkjx
输入CW：: $iu{u|VSu
MC 50 4 QUIET –1 ALL 5. ]A+q:kP
zkHwoAD;t8
这将运行50次，根据上面的公差设定，运行公差，然后保存最坏情况的例子。 如果您不知道命令的参数，只需输入字母MC，然后查看托盘。 将显示该命令的格式，如果您需要更多信息，只需在命令位于托盘中按F2键以打开该主题的帮助文件，或输入HELP MC。 （你必须在MC工作之前运行BTOL，因为它使用BTOL的公差。） k GR5!8$z
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。 vN' Y);$
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。
>G(M&
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。 c((^l &
制造调整 )L fXb9}
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。 O{:_-eI&d
输入HELP FAMC。 （FAMC是Fab Adjust MC。）这是我们的MACro @62QDlt;
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 vu-QyPnS|w
PASSES 20 c
4xh
qw ={gZ
FAORDER 5 3 1 cK6M8:KW
iU]py
PHASE 1 PANT Ry2rQM`
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 }g6:9%ZMu
VLIST TH 2 4 6 END Hry*.s -
O {u^&V]
AANT a M I\gCB/
GSO 0 1 5 M 0 C QO gR GW
GNO 0 1 5 M 1 END U,q
]
SNAP EVAL DWT4D) C,U
QhV!%}7
PHASE 2 PANT (o`"s~)
VY 3 YDC 2 100 -100 k=L(C^VP
VY 3 XDC 2 100 -100 )Nv$ SH
VY 5 YDC 2 100 -100 iF:`rIC
VY 5 XDC 2 100 -100 kH$)0n K
VY 6 TH END AANT X$z@ *3=
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F ,QW>M$g{
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END n u|pa A
SNAP SYNO 30
ETQ.A< v
BfQRw>dZ"{
PHASE 3 E5@ U~|V[
K& /
rzs-
这个MACro在做什么： Ip_S8
;;
1.请求FAMC，其参数与上面运行的MC程序相同。 B]jI^( P
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。 ^}nz^+R
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。 P){F2&!P
我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。 0{u31#0j
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： 7/^` y')
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。） G+Vlaa/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。 1%W|>M`
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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