SYNOPSYS 光学设计软件课程九：复消色差接物镜的公差计算
)A=g# D#
*'-^R9dN.S
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。 [bJnl>A
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。 MDt?7c
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。 ]{^vs'as\
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。 =]"|x7'!
计算完成后，从命令窗口向上查看，你会看到 m28w4
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： -74T C
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- 4'& BpFDUb
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL %QLYNuG
(RADIUS) (FRINGES) [zEP|
zAJUL
1 1 -167.68076 0.83952 4.82574 0.58188 0.00500 uF"`y&go
1 2 -7.06479 0.00091 2.95710 0.36076 0.00157 :G/]rDtd
2 3 -6.55387 7.70586E-04 2.72673 0.26355 0.00487 W[<":NX2
2 4 5.31383 2.93873E-04 1.62247 0.03937 4.25845E-04 \;gt&*$-
3 5 5.40837 2.91628E-04 1.57357 0.53301 0.00496 Cq;d2u0)o$
3 6 -19.41777 0.01032 4.32489 39.42904 0.00000 _\PoZ|G4y
7 -11.19311 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 e}AJxBE
4[ 0? F!%
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL i]%"s_l
{ `CWzk?
1 1 N-BAK2 1.53996d 4.28482E-04 59.70771d 0.15534 F:GKnbY
2 3 N-KZFS4 1.61336d 1.68964E-04 44.49298d 0.05359 \zL7 j 4
3 5 N-BAF10 1.67003d 1.92822E-04 47.11137d 0.06830 I.1l
Wb4{*~
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. n ]}2O 4j
/+O8A}
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL wJ* -K-
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) @6'E 8NFl
1 1 0.00000 0.00000 0.37554 0.23097 $OoN/^kv
1 2 0.44053 0.00051 0.37277 0.22647 AiHf?"EVT
2 3 0.00000 0.00000 0.34602 0.20629 % ul{nL:
2 4 0.23321 0.00027 0.34291 0.20100 =2)t1 H
3 5 0.00000 0.00000 0.32721 0.19092 ^QR'yt3e
3 6 0.51677 0.00060 0.33277 0.19873 )uu EOF"w
7 16.69273 0.00339 0.00000 0.00000 8;&S9'ci
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL X$Vz
(ARC MIN) (TIR) 5THS5'
1 1 0.53402 0.00062 0.00066 0.00000 U C/2&7 ?
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ,GP4I 3D
2 3 0.30597 0.00035 0.00024 0.00000 bv>lm56
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 N4|q2Jvj6
3 5 0.24585 0.00028 0.00027 0.00000 |ZlT>u
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 YKOO(?lv
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 o
0ivja
m>dcb
6B+g
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。 05I39/T%
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。 :P~&
b P
SYNOPSYS AI>THIRD SENS UZXcK l>u
E?4@C"Na
ID F10 APO 13_ ~)V
k&iScMgCTH
NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY -
zw{<+ ;
}Rxg E~ F
SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) = 8.363047 $_zkq@
SS OF CO3 BY SURFACE (COT) = 0.018283 dN/ "1%9)
SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) = 0.132904 6cT~irP
SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) = 4.158202 [*{\R`M
SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD) = 0.038108 lc?m KW9
SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) = 1.184945 \(U " _NPp
SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) = 0.042947 05VOUa*pb
SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) = 0.000094 `p d
7e{X$'
该列表显示了各表面与各像差贡献的平方和。 我们的思路是，如果某个面的像差很大，即使受到其他表面像差的补偿，如果该面发生变化，那么整体的像差也会发生很大的变化，所以这个时候系统也无法在进行补偿。球差贡献SAT的值为8.363。让我们修改评价函数来降低这个总和。这是新的MACro： ^~<Rz q!
PANT
W%9K5(e
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 s?x>Yl
%
VLIST TH 2 4 ka)LK@p6
END u$=ogp =0
AANT hi
D7tb=g~
AEC <kX V1@>
ACC V*7Z,nA
M 4 1 A SAT G 1;'nwf}
GSO 0 1 5 M 0 0 26#Jhb E+
GNO 0 .2 4 M .75 0 ml33qXW:
GNO 0 .1 4 M 1.0 0 <_a70"i
END H;*a:tbxO+
SNAP tGO[A#9a
SYNO 30 Ie&b <k
feI[M;7u
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） Jt>[]g $
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。 kuj1 2
CHG 7l#2,d4
NOP Ei9_h
END Op/79 ]$
BTOL 2 P
5qa:<
EXACT INDEX 1 3 5 teOBsFy/I
EXACT VNO 1 3 5 ZkB6bji
Q
f+p0 E;
TPR ALL 3q|cZQK!1
TOL WAVE 0.1 cR=94i=t
ADJUST 6 TH 100 100 ]oas
,v}?{p c
PREPARE MC 0ve`
{NY~JFM
GO \n*7# aX/
STORE 4 /y9J) lx
oWx_O-_._
我们运行这个命令，公差有点宽松。 WE.$a t{*h
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- m/<F 5R
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL u
JQaHL!
(RADIUS) (FRINGES) /K,|k
EE'n
1 1 -59.38005 0.10772 4.93291 0.58188 0.00500 n-hvh-ZO
1 2 -6.51230 0.00118 4.49176 0.23997 0.00305 ;naq-%'Sg
2 3 -6.10170 0.00105 4.39207 0.26355 0.00498 %0NkIQ`C
2 4 6.63058 0.00107 3.91104 0.03937 0.00148 X Yb^C s;
3 5 6.66960 0.00105 3.81273 0.53301 0.00498 z
_O,Y
3 6 -16.08586 0.00781 4.90457 39.98704 0.00000 oEQ{m5O9
7 -13.17213 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 c:llOHA
v cw>v={x
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL gv#c~cX]
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. pF sCd"zv
|k`f/*
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL ws>WA{]gq
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) b.R!2]T]i^
1 1 0.00000 0.00000 0.99505 0.26670 *^@#X-NG
1 2 0.72714 0.00085 0.98343 0.26160 <Qce x3
2 3 0.00000 0.00000 0.90848 0.24078 f2O*8^^Y{Q
2 4 0.50988 0.00059 0.89873 0.23704 mvHh"NJ
3 5 0.00000 0.00000 0.85303 0.22519 $(@o$%d
3 6 0.85761 0.00100 0.87086 0.23246 \ K?(
7 23.61909 0.00480 0.00000 0.00000 =f4[=C$&`
':4}O#
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL cBLR#Yu;O5
(ARC MIN) (TIR) j{{~ Z M
1 1 0.86414 0.00101 0.00104 0.00000 Lj&1K~U
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 SZ5O89
2 3 0.99650 0.00114 0.00050 0.00000 Ml8 YyF/~
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 yn/?=
?0
3 5 0.57610 0.00067 0.00065 0.00000 M5GY>3P$c
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 K\{b!Cfr^
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Mw"xm9(Q
.M9d*qp`S
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。 gppBFS
输入CW：: 7?=43bZl
MC 50 4 QUIET –1 ALL 5. =tr1*s{
`z|= ~
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。） M}Nb|V09
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。 -}{%Q?rYj
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。 mje <d"bW
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。 m:)Z6
制造调整 $ Wit17j
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。 ?EI'^xg
输入HELP FAMC。 （FAMC是Fab Adjust MC。）这是我们的MACro b8J @K"
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 yZYK wKG
PASSES 20 P? 9nTG
D
JLi ZS
FAORDER 5 3 1 L5"8G,I
yicO!:bM
PHASE 1 PANT )W&o?VRfO
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 $[Tt#CJ w
VLIST TH 2 4 6 END /> ^@
O
QS3U)ZO$@
AANT qqnclqkw&
GSO 0 1 5 M 0 ecr88 6
GNO 0 1 5 M 1 END XB0 a dp
SNAP EVAL C=fsJ=a 5;
9 YP*f
PHASE 2 PANT s %eyW _
VY 3 YDC 2 100 -100 P!kw;x
VY 3 XDC 2 100 -100 2Y 400
VY 5 YDC 2 100 -100 yiiyqL*E
VY 5 XDC 2 100 -100 vB[~pQ;Z
VY 6 TH END AANT &J8 Z@^
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F `AWy!}8
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END
}10\K
SNAP SYNO 30 )|v^9
&!ED# gs
PHASE 3 HbcOTd)=5
Aj [?aL
这个MACro在做什么： !X^Hi=aV
1.请求FAMC，其参数与上面运行的MC程序相同。 ,eR8 ~ (`=
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。 rkkU"l$v
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。 94\t1fE
我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。 Y 4d 3n
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： K&*iw`
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。） rJ'/\Hh5P
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。 ]1m"V;vZ
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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