SYNOPSYS 光学设计软件课程九：复消色差接物镜的公差计算

在上一课中，我们设计了复消色差望远镜物镜。在本课中，我们将计算该透镜的公差预算。

在将透镜元件的图纸发送到车间之前，您必须弄清楚透镜的制造公差有多大，确保透镜元件仍能获得足够的的加工性。由于这个例子是一个校正得非常好的天文目标 - 除非你设计微光刻目标，否则你可能遇到最挑剔的透镜 - 预算可能非常紧密。这正是我们在本训练中所需要的：大多数透镜都很容易使用SYNOPSYS，但这不是一个非常有趣的课程。 我们将使用上一课中的透镜L8L2。

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，并且有一些场曲率（这就是我们改变图像表面半径的原因）和一些像散，你无法用紧密的透镜组来纠正。

首先，我们将尝试简单的BTOL评估。 BTOL有很多选择，我们只使用几个。 我们为简单的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。

计算完成后，从底线向上查看一下，你会看到：

这表示轴上图像将获得0.05的方差，如指定的那样，这是一个相当大的值。 该领域的边缘几乎达到了这个值，但对于这个透镜，我们并不关心它。 预算是什么样的？ 向上滚动显示，直到达到预算结果：

这太吓人了。透镜在元件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.中心元件的V-number 公差为0.054，您需要在该元件上保持0.00024以内的偏心。 没有人能按照规定制作这样一个透镜。

我们必须放松这些公差。 怎么样？那么，公差可能紧密的一个原因是因为各个元件的像差很大。 虽然三阶像差对于透镜设计师来说不再像以前那样有用，但实际上它们确实有所不同 - 但我们不会直接控制它们。 输入命令THIRD SENS。

该列表显示了各种表面对各种像差的贡献的平方和。 我们的想法是，如果它们很大，即使它们受到其他表面贡献的补偿，系统也会对小错误敏感，因为那时取消不会那么好。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：

在这里，我们要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，SAT现在的值为4，如要求的那样。（L9L1.RLE）

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是精确的，这将它们从预算中删除。 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，这些值中的错误不再是预算的一部分。

我们运行这个，公差有点宽松。

现在，透镜在场地的任何地方都会出现0.1的变化，处于两西格玛水平。 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。 起始透镜现在位于位置4的库中，我们希望将最坏情况示例放置到位置5。

输入CW：

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时按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的预算。）

MC运行其50个案例并打印一些统计数据。 您可以通过输入MC PLOT查看结果的直方图运行结束后。 现在，轴上图像在2-sigma方差在0.1以下。

但这看起来太容易了。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。

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。我们告诉过你这不是一个容易的问题！而且这个公差仍然很敏感，中心公差小于一微米。

当然，任何具有天文光学经验的人都可以预测所有这些。 人们很少能够打印出来并期望这些透镜能够正常工作。 我们有一个很棒的预算，没有人能够支持，但一个稍微更实用的预算会造成糟糕的透镜。 下一步我们应该做什么什么？

制造调整

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。

初学者应该阅读这个主题才能使用它。 输入HELP FAMC。 （FAMC是Fab Adjust MC。）实际上并不太复杂。 这是我们的MACro。

这是MACro中发生的事情：

1.请求FAMC，其参数与上面运行的MC程序相同。

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预算内随机更改参数。 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，因为每个元件都在制造中，删除那些适用于已经完成的元件的变量。

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，因此补偿必须也是如此）。 它也再次变化厚度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两半的光线（GNO线中的“F”），因为一旦模拟了误差，就不再存在双边对称性。

我们运行这个MACro并再次查看最坏的情况。

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：

最糟糕的例子是底部直方图末尾的单独，它比其他人差得多。毕竟，这总会有一个很小的机会得到一个不好的结果，这个就是这样。尽管如此，如果根据这个相当紧密的预算建造，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。）

请注意，当我们决定使用FAMC时，预算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预算而使其更好地运作。作为附加福利，我们不必再担心紧密的中心错误 - 这些错误很难保持 - 因为无论如何要在装配时调整元件。事情变得容易多了。

但是需要付出代价：在交付玻璃时必须获得熔化数据，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，他将在每一步重新优化一切。 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。

关于那些调整：更容易调整只有一个元件的中心，而不是像本例中那样调整两个元件。 如果删除调整，例如重做表面三，整个过程会发生什么？ 如果有效，装配技师会感谢你。 试一试，找出来！