SYNOPSYS 光学设计软件课程九：复消色差接物镜的公差计算
COE,pb17
ad\?@>[ I
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。 !n=?H1@
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。 *Cdw "n
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。 K/2k/\Jk[_
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。 0Cox+QJt
计算完成后，从命令窗口向上查看，你会看到 M~0A-* N
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： LqH<HGMFD
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- &B^zu+J
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL p19[qy~.
(RADIUS) (FRINGES) Y L )epi^
(RDY-~#~
1 1 -167.68076 0.83952 4.82574 0.58188 0.00500 #U b"Ii
1 2 -7.06479 0.00091 2.95710 0.36076 0.00157 A9*( O)
2 3 -6.55387 7.70586E-04 2.72673 0.26355 0.00487 P87!+pB(
2 4 5.31383 2.93873E-04 1.62247 0.03937 4.25845E-04 c) d*[OI8
3 5 5.40837 2.91628E-04 1.57357 0.53301 0.00496 A@8Ot-t:\2
3 6 -19.41777 0.01032 4.32489 39.42904 0.00000 b7
pD#v
7 -11.19311 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 /Hox]r]'e
y:U'3G-
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL (M1HNIM;(
LQ,RQ~!
1 1 N-BAK2 1.53996d 4.28482E-04 59.70771d 0.15534 xiu?BP ?V
2 3 N-KZFS4 1.61336d 1.68964E-04 44.49298d 0.05359 ")/TbT Vu
3 5 N-BAF10 1.67003d 1.92822E-04 47.11137d 0.06830 Yy 4EM
*]ROUk@K=
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. _RLx;Tn)L
j\^0BTZ
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL }Yi )r*LI3
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) O/X;(qYd
1 1 0.00000 0.00000 0.37554 0.23097 9Tgl/}q)
1 2 0.44053 0.00051 0.37277 0.22647 \2?p
2 3 0.00000 0.00000 0.34602 0.20629 qf/1a CQiP
2 4 0.23321 0.00027 0.34291 0.20100 zW`Zmt\T2
3 5 0.00000 0.00000 0.32721 0.19092 ND w+bR-
3 6 0.51677 0.00060 0.33277 0.19873 49)A.Bh&!
7 16.69273 0.00339 0.00000 0.00000 ' bH',X8gF
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL |G2hm8
Y
(ARC MIN) (TIR) ,BK6 a'1J
1 1 0.53402 0.00062 0.00066 0.00000 IrAc&Eh ul
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 4=j,:q
2 3 0.30597 0.00035 0.00024 0.00000 :ZP4(}
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 8+m[ %5lu
3 5 0.24585 0.00028 0.00027 0.00000 '~dE0ohWb
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000
5^Gv! XW
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 GVFR^pz O
T Y|5O!
<
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。 kmJ {(y)w
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。 A),nkw0X
SYNOPSYS AI>THIRD SENS 2<d l23
k z A%.bP|
ID F10 APO tMN^"sjf*
s\c*ibxM,
NORMALIZED 3RD-ORDER ANALYSIS OF TOLERANCE SENSITIVITY P ;&rh U^[
d x=\Pq
SS OF SA3 BY SURFACE (SAT) = 8.363047 QN %w\ JXS
SS OF CO3 BY SURFACE (COT) = 0.018283 2gn*B$ a
SS OF CO3/YDC BY SURFACE (ACD) = 0.132904 /?POIn+0o
SS OF CO3/TILT BY SURFACE (ACT) = 4.158202 (Bta vE
SS OF CO3/YDC BY ELEMENT (ECD) = 0.038108 P);: t~
SS OF CO3/TILT BY ELEMENT (ECT) = 1.184945 =F!DwaZ
SS OF SA3 BY ELEMENT (ESA) = 0.042947 Yp 8~wdm
SS OF CO3 BY ELEMENT (ECO) = 0.000094 oB9t&yM
8\Y/?$on
该列表显示了各表面与各像差贡献的平方和。 我们的思路是，如果某个面的像差很大，即使受到其他表面像差的补偿，如果该面发生变化，那么整体的像差也会发生很大的变化，所以这个时候系统也无法在进行补偿。球差贡献SAT的值为8.363。让我们修改评价函数来降低这个总和。这是新的MACro： cz8%p;F:
PANT )ca^%(25!z
VLIST RAD 1 2 3 4 5 7 {HV$hU+_)Q
VLIST TH 2 4 P]bq9!{1
END QjW7XVxB#N
AANT q!i Mc
AEC JHY0 J
&4s
ACC 8:Yha4<Bv7
M 4 1 A SAT ,&S ^R yc
GSO 0 1 5 M 0 0 5xZ *U
GNO 0 .2 4 M .75 0 MC.,n$O}6
GNO 0 .1 4 M 1.0 0 %21i#R`E
END A>"v1Wk
SNAP U
D9 &k^
SYNO 30 ILt95 l
Q AJX7
在这里，我们要求SAT的值为4，并且还要求更精细的光线网格。运行后，透镜稍微改变，如要求的那样，SAT现在的值为4。（L9L1.RLE） y (pHt
现在我们再次运行BTOL，将波前差公差更改为0.1，并指定厚度6的调整。（第一次BTOL运行使用了6的近轴厚度求解，但是如果让程序略微偏离，有时公差会更宽松。 调整将解决这个问题.NOP指令删除所有的近轴解决方案。）我们还指定三个镜片的折射率和阿贝数，这将它们从公差中删除。 在像这样繁琐的系统中，人们总是要求玻璃供应商提供熔点数据，这样可以得到测量的指数，然后用这些值调整设计。 因此，这些值中的误差不再是公差的一部分。 p100dJv q
CHG 7w7mE
NOP 2 }QD>
END {}?;|&_
BTOL 2 o0- 7# 2
EXACT INDEX 1 3 5 8ALvP}H
EXACT VNO 1 3 5 !B==cNq
2 Wlk]
TPR ALL ETP}mo
TOL WAVE 0.1 WA-`
*m$v
ADJUST 6 TH 100 100 +" Pt? k
L[zg2y
PREPARE MC t#+X*'/
3F,$} r#
GO sQ65QJtt0A
STORE 4 7s%DM6li 6
I At;?4
我们运行这个命令，公差有点宽松。 dw) SF,
BUDGET TOLERANCE ANALYSIS -----B----- $|v_ pjUu]
EL. SURF RADIUS RADIUS TOLERANCE THICKNESS THICKNESS TOL rs0 1@
(RADIUS) (FRINGES) X tqjx@ye
1 1 -59.38005 0.10772 4.93291 0.58188 0.00500 & z;;Bx0 s
1 2 -6.51230 0.00118 4.49176 0.23997 0.00305 M.K-)r,
2 3 -6.10170 0.00105 4.39207 0.26355 0.00498 !UE'
AB
2 4 6.63058 0.00107 3.91104 0.03937 0.00148 :sRV]!Iw
3 5 6.66960 0.00105 3.81273 0.53301 0.00498 $'3`$
3 6 -16.08586 0.00781 4.90457 39.98704 0.00000 W G2 E3y
7 -13.17213 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 .I{b]6
<dx
xXzLT
ELE SURF GLASS NAME BASE INDEX INDEX TOL V-NUMBER V-NUMBER TOL !dfc1 UjB
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. k%\_ UYa
`fEB,0j^
ELE SURF WEDGE TOLERANCE IRREG. TOL ROLLED EDGE TOL O YGh!sW
(ARC MIN) (TIR) (FRINGES) (FRINGES) "|CzQ&e
1 1 0.00000 0.00000 0.99505 0.26670 #5GIO
1 2 0.72714 0.00085 0.98343 0.26160 C+-GE9=
2 3 0.00000 0.00000 0.90848 0.24078 de{KfM`W;
2 4 0.50988 0.00059 0.89873 0.23704 Gx ?p,Fj
3 5 0.00000 0.00000 0.85303 0.22519 3kFOs$3
3 6 0.85761 0.00100 0.87086 0.23246 jR@j+p^e
7 23.61909 0.00480 0.00000 0.00000 ]trVlmZXH}
NLFSw
ELE SURF ELEMENT TILT TOLERANCE Y-DECENT TOL X-DECENT TOL 6#XB'PR2p
(ARC MIN) (TIR) 8P r H"pI
1 1 0.86414 0.00101 0.00104 0.00000 Ghgx8 ]e
1 2 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 8~?3: IZ
2 3 0.99650 0.00114 0.00050 0.00000 d% ?+q0j
2 4 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 hXi^{ntw,
3 5 0.57610 0.00067 0.00065 0.00000 C=ni5R
3 6 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 .lfKS!m2
7 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 n(.y_NEgV!
I0 a,mO;m
现在，透镜在视场的任何地方都会出现0.1的变化，处于two-sigma水平。 这太大了吗？ 为了找到答案，让我们运行蒙特卡洛程序，看看制作的透镜是什么样的。 起始透镜现在位于库中的位置4，我们将最坏的示例放到库中的位置5。 ; >3q@9\D
输入CW：: W
B)<B
MC 50 4 QUIET –1 ALL 5. }f )$+mi
"bAkS}(hB(
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。） )xiiTkJ d5
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。 E4RvVfA0F
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。 *vFVXJo
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。 Go3EWM`Cd8
制造调整 }}XYV eI
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。 edhNQWn
输入HELP FAMC。 （FAMC是Fab Adjust MC。）这是我们的MACro 9Vz1*4Ln
FAMC 50 4 QUIET -1 ALL 5 `k6 5&]&d
PASSES 20 m "\jEfjO
{dJC3/ Rf
FAORDER 5 3 1 x\ r 7q
Ddde, WJA
PHASE 1 PANT Ei2 Y)_
VLIST RAD 1 2 3 4 5 6 Z^,C><Yt
VLIST TH 2 4 6 END 2b xkZS]
`;b@a<Wl
AANT egboLqn
GSO 0 1 5 M 0 Eq ^k @
GNO 0 1 5 M 1 END X-9>;Mb~y
SNAP EVAL H ];|<G
y0>asl
PHASE 2 PANT Mk"+*G
VY 3 YDC 2 100 -100 8R Wfv}:X
VY 3 XDC 2 100 -100 WS8m^~S@\
VY 5 YDC 2 100 -100 {~>?%]tf
VY 5 XDC 2 100 -100 6 ]W!>jDc
VY 6 TH END AANT [H z_x(t26
GNO 0 1 4 M 0 0 0 F w\k |^
GNO 0 1 4 M 1 0 0 F END Pcut#8?
SNAP SYNO 30 {]<l|qK
$u_0"sU V
PHASE 3 QlJ
cj+_h
A,i.1U"w8
这个MACro在做什么： ~C=I{qzF+
1.请求FAMC，其参数与上面运行的MC程序相同。 *T
j(IN
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。 ?D-1xnxep
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。 \UM9cAX`
我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。 $9<q'hf<w
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： B1 T:c4:N
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。） 5=tvB,Ux4
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。 `rsPIOu
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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