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ZEMAX光学设计实例（129）---一个单透镜的公差分析

2021-12-16 17:14| 发布者：Davis| 查看：2289| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：Learn how to use ZEMAX\'s powerful tolerance analysis tool to systematically analyze the impact of micro-variation or chromatic aberration on optical design performance. This article presents an example of analyzing the tolerance of a single lens, includi

引言：

公差分析将系统地分析微扰动或色差对光学设计性能的影响。公差分析的目的在于定义误差的类型及大小，并将之引入光学系统中，分析系统性能是否符合要求。

ZEMAX有强大的公差分析工具，可以帮助设计者在光学设计中建立公差值。公差分析时可以通过设置不同参数的公差范围，来评估不同参数对系统性能的影响。

设计流程：

（1）单透镜

一个单透镜的光学系统，入瞳直径为10mm，焦距100mm，波长为0.550um。

LDE初始结构如下图：

2D Layout，如下图：

查看点列图：

（2）公差分析

在进行公差分析之前，要先将所有变量改为固定值，但不需要改动数值。

打开Tolerance Data Editor。

ZEMAX提供了默认的常用公差分析项目，如下图：

默认公差分析项目中有很多选项。

表面公差（SurfaceTolerances）中，包括曲率半径Radius、厚度Thickness、偏心Decenter、倾斜Tilt等。

（a）曲率半径（Radius）：默认的公差可以由一个以镜头长度单位表示的固定距离（如Millimeters）或者由在测试波长处的厚度光圈（Fringes，由操作数TWAV定义）来指定。这个公差仅仅被放在那些有光学功能的表面上，这样就排除了那些两边具有相同折射率的虚拟表面。

（b）厚度（Thickness）：这个公差在每个顶点间隔上将指定一个厚度公差。

（c）偏心（Decenter X/Y）：这个公差被加到每个独立的镜头表面中。ZEMAX中使用TSDX和TSDY来表示标准表面的偏心；使用TEDX和TEDY来表示非标准表面的偏心。

（d）倾斜（Tilt X/Y）：这个公差以镜头的长度单位或者度来表示倾斜，加到每个镜头的表面中。ZEMAX中使用TSTX和TSTY来表示以度为单位的标准表面的倾斜；使用TETX和TETY来表示以度为单位的非标准表面的倾斜。

（e） S+A 不规则（S+A Irregularity）：如果被选中，则在每个标准表面上指定一个球形的像散不规则。可以使用TIRR描述。

（f）泽尼克不规则（Zenick Irregularity）：如果被选中，则在每个标准表面上指定一个泽尼克不规则。可以使用TEXI描述。

元件公差（ElementTolerances）中，包括偏心Decenter、倾斜Tilt。

（a）偏心（Decenter X/Y）：如果被选中，偏心公差将被加到每个镜头组上去，公差可以被定义为一个以镜头长度单位表示的固定偏心数量。

（b）倾斜（Tilt X/Y）：如果被选中，一个以度表示的倾斜公差将被加到每个镜头组上。注意的是，系统默认镜头组绕着这个镜头组的第一个表面的顶点倾斜。

折射率公差（IndexTolerances）中，包括折射率Index、阿贝数Abbe。

（a）折射率（Index）：用TIND来模拟折射率的变化。

（b）阿贝数（Abbe）：用TABB来模拟阿贝数的变化。

另外，在选项（Options）中，可以设置起始行；测试波长（Test Wavelength）为0.633，通常不需要修改；

使用焦距补偿（Use Focus Compensation）：如果勾选，则将定义一个默认的后焦距补偿。

在这个单透镜的公差分析的例子中，我们只勾选了曲率半径Radius分析选项，并将曲率半径的公差范围改为10，即曲率半径公差范围是-10到10，单位是毫米，如下图：

点击OK后，在公差数据编辑器中产生了三行操作数及数据，如下图：

因为单透镜只有两个实体表面，所以这里用于曲率半径公差分析的操作数只有两个。

第一行，TWAV为测试波长；

第二行，TRAD为第2面的表面曲率半径操作数，并分别给出了当前值、公差最小值和公差最大值；

第二行，TRAD为第3面的表面曲率半径操作数并分别给出了当前值、公差最小值和公差最大值。

然后，为了方便观察分析过程，可以插入两行SAVE操作数。SAVE操作数会将前一个操作数的运行结果保存在当前文件的相同路径下，其File#的参数值用于给分析文件名添加后缀，以此区分不同分析结果。

现在可以开始进行公差分析了。点击“Tolerancing”按钮，打开公差分析工具设置窗口，分析模式（Mode）选择敏感性分析（Sensitivity）；分析判据标准（Criterion）选择均方根光斑半径（RMS Spot Radius），同时将补偿器（Comp）选择为None，即不做补偿，如下图：