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光学设计中的公差概念

JasonHan

猴子

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1^# 大中小发表于 2007-8-7 13:05 只看该作者

光学设计中的公差概念

很多人在公差分配上很迷惑，包括本人。

光学设计后期评价给多大公差合适，多大公差在生产中能得到实际的应用？

以下是本人去年收集整理的一些公差分配的概念和简单的原则，希望能够和大家一起分析交流。

光学设计中的公差概念

Jason Han

性能合理镜头的首选公差[1]

参数	公差	参数	公差
半径	±0.001mm 样板的测量精度	倾斜	0.05mm TIR
对样板的光焦匹配	3个光圈	偏心	±0.05mm
表面不规则度	1个光圈（0.3）	折射率	±0.001
厚度	±0.05mm	阿贝数	±0.8%
空气间隔	±0.05mm	玻璃不均匀性	±0.0001
楔角/同心度	0.025mm TIR

1、radius(半径)---样板精度
实际上是指样板的检测精度，光学设计师应该与光学加工师沟通。
2、对样板的光焦匹配---fringes（光圈）
一个光圈相当于1/2波长的矢高所对应半径的变化，普通的光学加工一般控制在5个光圈，较好的精度应该控制在3个光圈以内。
关系式：∆Z=（λ/2）·N
3、irregular（表面不规则度）
表面不规则度可以通过局部光圈来考察，工艺上可以做到0.3个光圈。
4、thickness（厚度/间隔）
包括光学元件的厚度和机械元件支撑的间隔。
在使用ZEMAX软件模拟公差时，公差操作数TTHI有两个参数，int1是用来被定义公差的表面编号，而int2是作为补偿的表面编号，最小值和最大值是以镜头长度单位表示的极值偏差。
举例说明，假设一个镜头，它的表面3 是BK7，表面4 是F2，表面5 是空气。名义厚度分别是3、4、和6mm。如果默认的公差法则为表面3 定义一个TTHI 操作数，则将在表面5 上放一个补偿。如果这个公差值为+.1mm，则在分析过程中，它们的厚度分别变成3.1mm、4.0mm、和5.9mm。这样，从表面6 到象面的表面的绝对位置将不受表面3 的厚变化的影响。[2]

5、楔角/同心度/倾斜
实际上，有楔角的元件与光轴相对于其机械轴倾斜的元件完全相同，当旋转元件时，元件具有边缘厚度差。

如图，左侧为理想的透镜元件，而右侧为为上表面严重倾斜的透镜元件，可以看出：元件上表面倾斜即元件楔角导致透镜从左到右的厚度差。楔角就是边缘厚度差2δ除以元件直径，单位为弧度，既用弧度表示楔角等于2δ/D。
ZEMAX里用TIRX、TIRY模拟跳动（TIR）公差，如果TIR公差为0.10mm，在ZEMAX里则在镜头的最小+x 口径方向上的矢高为0.05mm，在最小-x 口径方向上的偏离为-.05mm，这表示一个值为0.10mm
的“总”的TIR。
TETX 和TETY用来模拟元件的的倾斜，也可以被用来模拟单一表面的倾斜，有时被称为“光楔”，和TSTX 和TSTY 一样。TETX 和TETY 可以作用于任意一种类型的表面，包括标准表面和非标准表面，而TSTX 和TSTY 只作用于标准表面。为了使用TETX 和TETY 来倾斜一个单一表面，只要简单地将Int1 和Int2 设成相同的表面编号。

6、decenter（偏心）

单存向上偏心

绕左侧表面曲率中心旋转

偏心包括两种，一种是简单的横向偏心（上、下），另一种是使元件始终保持与机架座接触的“滚动”。请注意，尽管最终影响很相似，但两种偏心模型实际上完全不同。在滚动的情况下，与机架座接触良好的左侧半径被良好地校准，表面倾斜只发生的右侧表面上。[1]
在ZEMAX里TSDX、TSDY用来模拟一个标准表面的偏心公差，单位为镜头长度（mm）,而TEDX、TEDY是用来模拟一个元件的偏心公差，可以是标准面也可以是非标准面，int1、int2定义了一个镜头组的边界面。

参考文献：
[1]、《Optical System Design》
[2]、《ZemaxManual》