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ZEMAX的公差操作项

2021-12-20 10:39| 发布者：Davis| 查看：3792| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：在光学设计后，使用ZEMAX进行公差分析是一项必要的工具。本文介绍了ZEMAX的公差操作项和实际光学加工与结构设计的公差定义的异同，包括材料的公差操作项、透镜表面光圈和局部误差的公差操作项、间隔和透镜厚度的公差操作项以及与表面有关的公差操作项等。同时，详细讲解了中心偏的定义和计算方法，并给出了不同级别的加工精度推荐值。

在完成光学设计后，在出加工图纸之前，必须进行公差分析，以确保根据图纸加工装配后的光学系统满足设计要求。

ZEMAX运用统计算法对公差进行预估，是进行公差分析的一项重要的工具。

使用ZEMAX进行公差分析时，需要注意ZEMAX的公差操作项和实际光学加工与结构设计的公差定义的异同。

1. 关于材料的公差操作项

关于材料的ZEMAX公差与玻璃材料技术参数完全相同。

符号	参数1	参数2	参数3	参数4	说明
TIND	Surf#（表面序号）	Nominal（标称）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#导引的间隔的材料折射率n_d的偏差
TABB	Surf#（表面序号）	Nominal（标称）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#导引的间隔的材料阿贝数ν的偏差

2. 透镜表面光圈和局部误差的公差操作项

透镜表面光圈和局部误差也可以直接给定。

符号	参数1	参数2	参数3	参数4	说明
TFRN	Surf#（表面序号）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#导引的表面光圈N
TIRR	Surf#（表面序号）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#导引的表面光圈的局部误差ΔN

3. 间隔和透镜厚度的公差操作项

用TTHI给出对应表面和补偿表面界定的间隔或厚度的公差。

符号	参数1	参数2	参数3	参数4	说明
TTHI	Surf#（表面序号）	Adjust（补偿表面序号）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#导引的表面和补偿表面界定的间隔或厚度

4. 与表面有关的公差操作项

符号	参数1	参数2	参数3	参数4	说明
TSDX	Surf#（表面序号）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#导引的表面沿x方向的横向位移
TSDY	Surf#（表面序号）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#导引的表面沿y方向的横向位移

如上图，TSDX（TSDY）定义为Surf#导引的表面沿x轴（y轴）的横向位移（Decenter），∑₁和∑₂为透镜的两个表面，∑₂为轴对称的正常表面，∑₁则沿x轴（y轴）位移了TSDX（TSDY）。

造成该横向位移的原因为透镜定中心磨边工序的加工误差。通常中高精度透镜磨边定心仪的加工误差不大于0.005mm，也就是说，TSDX（TSDY）可以直接给定为0.005mm；在高精度加工中也可以给定为0.001～0.002mm。

符号	参数1	参数2	参数3	参数4	说明
TSTX	Surf#（表面序号）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#导引的表面绕x的旋转，单位为度
TSTY	Surf#（表面序号）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#导引的表面绕y的旋转，单位为度
TIRX	Surf#（表面序号）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#导引的表面，由x面倾角引起的楔形，单位为mm
TIRY	Surf#（表面序号）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#导引的表面，由y面倾角引起的楔形，单位为mm

如上图，第一个面绕x轴（y轴）转动χ角，即面倾角，以度（°）为单位，对应ZEMAX公差为TSTX（TSTY），单位也是度（°）；由面倾角引起的楔形Δ，单位是毫米（mm），对应ZEMAX公差为TIRX（TIRY），两者的关系为

面倾斜（Surface Tilt）也是由透镜的磨边定心加工的偏心差（简称中心偏）引起的。

一个具有中心偏的透镜可等效于一个理想透镜和一个楔角为χ的光楔构成，如下图：

中心偏的定义分为线性制中心偏C和角度制中心偏α。C表示透镜外圆几何轴（机械轴）与光轴的距离，在焦面上测量；C对于透镜中心的张角为α，两者关系为：

其中，α的单位为度，l`_F为后焦距BFL，约等于f`。

设光楔材料的折射率为n，光线透过光楔后的偏角为(n-1)χ，则容易计算出透镜的中心偏

当透镜两面均有面倾角时，以第2面（m+1面）为基准（TSTX_m+1=0），把第1面（m面）的面倾角作为χ（TSTX_m=χ）；

对于双胶合透镜（m～m+2），可以设TSTX_m=TSTX_m+1 =χ，TSTX_m+2 =0。

y方向的有关参数的定义同x方向。

随着设备精度的提高，倾向于以角度制的偏心α来衡量中心偏，不再考量线性制的偏心C。

对于加工精度的推荐值如下表：

级别	α	χ	TSTX（TSTY）
高级	30″	50″	0.014°
中级	1.0′～2.0′	1.6′～3.3′	0.027°～0.055°

对于不同形状的透镜，在相同的角度制中心偏α下，定中心磨边工序实现的难度并不相同，光学设计工程师应与工艺工程师充分沟通，使得设计出来的透镜既确保性能，又具有良好的加工性能。

5. 元件的ZEMAX公差

元件的ZEMAX公差以元件或元件组作为一个整体来评估，假定元件或元件组本身的加工及装配足够精确，只是放置不准确引起误差。

符号	参数1	参数2	参数3	参数4	参数5	说明
TEDX	Surf#1（表面序号1）	Surf#2（表面序号2）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#1和Surf#2界定元件（组）沿x方向的横向位移
TEDY	Surf#1（表面序号1）	Surf#2（表面序号2）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#1和Surf#2界定元件（组）沿y方向的横向位移
TETX	Surf#1（表面序号1）	Surf#2（表面序号2）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#1和Surf#2界定元件（组）绕x轴的旋转（°）
TETY	Surf#1（表面序号1）	Surf#2（表面序号2）	Nominal（标称，为零）	Min（最小公差范围）	Max（最大公差范围）	由Surf#1和Surf#2界定元件（组）绕y轴的旋转（°）