-
CODEV
使用手册
2
容许公差
你可能熟悉
莫非准则
：任何可能出错的事情都会出错。公差就是
试图通过模拟：何种类型的误差会发生、它们在
多大程度上影响光学系统的性能以及建造
一个可以工作的系统的概率有多大等问题使
Murphy
定律不
适用。
CODE-V
有一些用于进行公差分析的工具，包括一个被称
为的强有力的属性。其它的工具被用来分析用户自定
义的公差要求和蒙特卡罗（
Monte Carlo
）仿真。
目录
莫非准则
…………
< br>公差分配和
TOR..
………
公
差类型
………
用
LDM
确定公差和
TOR..
…………
的输出
…………………………
其它的公差分析属性
…………
莫非准则
光学系统对加工精度有一定的要求。
在许多机械装置中不太明显
的误差在光学系统中可能会造成严重的成像
质量问题。因为没有任何事情可以做得非常完
美，因此，误差必然会产生。公差分析就是要弄明白在建造一个光
学系统中，以及在建成
之前预测它们的影响中会出现的误差类型。你不能够推翻
Murphy
< br>定律，但是，可以弄懂
何处会出错，确定对误差的限制，以及预测它们的影响，从
而限制误差。
何种项目会出错？
<
/p>
一个共轴光学系统由不多的几个参数就可以确定，主要是每个表面的曲率、厚度、和玻璃材
料。但是，这这
几个参数会使许多事情出现错误，包括：
●错误的曲率（通常用样板的吻合度来测试，
DLF,
加上柱面的不规则度
,IRR
）
●错误的厚度（玻璃）或者空气间隔（安装误差）
，由<
/p>
δ
-
厚度来测量（
DLT
）
●错误的折射率或者色散
（
DLN,DLV
）
●定心误差（前后表面不同轴，被称为光楔，或者成为零件偏心率
TIR
（
Total Indica
Runout
）
）
< br>●安装误差（单个元件或者一组元件相对于设计位置的倾斜、移动或者偏心）
<
/p>
总之，
有七种或者更多的与光学表面有关的，
很容易出现的加工误差。
有特殊面形的复杂系统会有更多的潜
在误差。每一种潜在误差都必须规定一个可接受的范围或者公差。例如，表面
8
玻璃元件的厚度（
THI S8 5.5
）<
/p>
可能要求被控制在±
20
微米的公差范围
内
（如
5.500mm
±
0.020mm
，
或者
DL
T S8 0.02
）
。
这类公差值常
常会简单
地被估计给出，或者根据“标准值”
，
或者根据光学车间，及加工过程的能力确定。
COD
E-V
提供比较系统的确
定这些公差值的方法。
成像质量会有多差？
现在
的问题是，使用光学建模中对各种加工误差规定的公差，究竟会使光学系统的成像质量恶化到何种程
度？实际上，这可能意味着两件不同的事情。如果你设定了一组公差值，
“假
设每一个结构参数都是在这些公差
范围之内，并且，开始模拟该透镜的结构，
”
，那么，问题可能是：
当检测一个样品透镜时，
将得到什么样的
MTF
或者
RMS
波前误差？这就被称为灵敏度分析，因为每一种误差都会造成一种不同的影响，并且，取决于
设计对
每个具体值的灵敏度。
解释<
/p>
“成像质量会有多差？”
的另外一种方法是估计多大的一个误差将
会造成
MTF
的变化在指定的范围内？
假设此外的每一项都是理想的。这被称为逆灵敏度（
Inverse
< br>sensitivity
）分析，是属性中的一项。将这种技术应
用到全部公差中就称为半自动误差预算（
Semi-automatic
error
budgeting
）<
/p>
。这就意味着，为了使每个公差就像其
它的参数一样对系统贡献大
致相等的误差量，
该项公差要被缩放。
这是一种合理的假设。<
/p>
这是一个非常系统的回
答“成像质量会有多差？”的方式
,
尽管在很多情况下其它的因素可能会影响到公差值（上述其它因素中
的大部
分由公差限制来控制，可以使问题保持在实际的约束之内）
。
补偿方法
光学装配的一个重要方面就是装配过程中的调整能力，
能够部分地补偿加工和装配过
程中已经出现的累计误
差和随机误差。这些调整被称之为补偿。原则上，任何一个公差都
是一个补偿元。最普通的补偿元是焦点位移或
者其它的空气间距的调整。
可以发现，
有效补偿元的选择是最重要的公差分配工具之一，
< br>经常会将很紧张
（很小）
的公差转换成非常合适的值。补
偿元的选择要求熟悉一些可能的安装方法，因为，必须是一种实际可行的方法，
在所要求
的范围内能够完成所希望的位移。
统计方法
遗憾的是，没有办法使每件
事情都能够很完美，仅仅有一种误差的情况除外。实际上，尽管所有的误差都是
1
在指定的公差（所希望的）限制之内，但是，它们可能会同
时出现和随机产生。这就意味着，对于一个具体的，
用一组已知公差制造出的真实透镜来
说，无法预测它的确切性能。如果你制造了
1000
个透镜，每
一个透镜的性
能都会略有不同。
能够做到的最佳之处就是预测结
果的统计分布。
你可以这样来描述某件产品
“
< br>,
如果制造了
1000
个透镜，
其中
980
个的性能在标称设计值的<
/p>
11%
以内”
。
如果
11%
的性能衰减可以被接受，<
/p>
而且，
98%
的
（合格）
量也可以接受的话，你就可以达到目标了，完成了任务。如果不是这样，那么，
还需要继续做一些工作——或者
把一些公差的要求提高，或者给出一些能够提高质量和产
量的调整措施（补偿元）
。最坏的情况，可能需要重新
设计该透
镜，使它对某项公差不是太敏感。
CODE V
公差属性（和其它）准确地提供这类统计预测，并且，为了在零件被加工之前找到良好的解决方法，允
许设计者改变公差，调整（补偿元）
，以及其它的假设。
失败的代价
成功的
公差分配可以使设计者确定一组比较现实的公差和有效的补偿元，
从而制造出具有良好成
像质量和产
量的光学仪器。
另外一种方法就是对每一个参数指定
最严格的，
又是可以实现的公差，
不用再操心补偿的问题
（或
者“仅仅是关心（
tweak
）离焦”
）
。这些做的
代价可能会很高，为不必要的高公差值付出的工作会增加加工时
间和费用。甚至更糟糕的
是，有这可能会由于最严格的公差和不可能的补偿元导致光学系统太昂贵而无法制造。
公差分配和
前面一节是试图对于光学
公差分配问题进行一般性介绍，
没有太多的技术细节。
现在，<
/p>
我们开始分析如何用
CODE
V
解决这些实际问题。
公差分配的目的
对光学系统进行公差
分配的主要目的就是确定被加工出具有不同公差范围的元件组合起来的效果，
在满足性<
/p>
能、装配、和表面质量要求的同时，要使生产成本最低。这是透镜设计过程中很重要的一部
分。在
Analysis
＞
Toler
ancing
菜单中可以找到
TOR
选
项，使用
TOR
能够解决公差分配中所涉及到的大部分实际困难
。
TOR
可以
使设计者集中力量关注光
学系统及其性能，
而不是花费大量的人力物力进行计算和描述难以解释清楚的间接结果<
/p>
上。
TOR
的功能
TOR
直接将加工误差和可测量的性能要求相联系，例如多色
衍射的
MTF
（在一个特定的频率和方向下）
< br>，
RMS
波前误差，或者光纤匹配效率。三种菜单隶属三
种光学质量模式（
MTF
，
RMS
Wavefront
Error
和
Fiber
Coupling Efficiency
，在
Analysis
＞
Tolerancing
菜单中都可以找到）
。
TOR
信息的基本内容就是一个参数变化一定
的量
造成成像质量（
MTF
，
RMS
或者耦合效率）的变化。灵敏度计算包括由用户指定的，为了模拟对像面调焦
< br>和使像面倾斜等装配工艺过程，使光学性能最优的可调整参数（补偿元）的影响。该选项也可以输出瞄准线 （例
如，视线的移动）的校正和畸变的变化。
下面的一些讨论中，偶尔也会使用术语
MTF drop
来描述由于加工误差而造成的性能恶化。应当认识到，在
此进行的讨论
完全可以应用到
TOR
、
RMS
波前误差或者光纤匹配效率中关于其它成像质量恶化的分析，主要取
决
于在你的光学系统中选择使用那一种评价方式。
。
半自动误差预算
半自动误差预算（也
称为逆灵敏度模式）意味着该程序可以选择一组合适的公差参数、参数的变化范围和一
些
特定的值，从而提前确定
MTF
的下降。正如使用其它的
CODE V
属性一样，这些计算中使用的许多缺省量可
以很容易地部分越过或者全部越过（这是为什么称它是半自动的原因）
。
为了预测整个系统的性能，可以自动进行统计计算。清晰的公差输
出表有助于和其它技术员工进行交流。
相互影响的公差分配
在初始
TOR
运算后，假定透镜的数
据保持不会再变，那么，将灵敏度和透镜数据一起保存起来，以便于更
快速地进行后续的
某些公差分析（不要求进行光线追迹）
。为了使你可以改变公差值，并且，立即就能够看
到它
们对预测性能的影响，
相互影响的公差分配会使用这些被保
存起来的数据。
这项属性可以在
Analysis
＞
Tolerancing
＞
Interactive Tolerancing
菜单中找到，并且只能在已经完成
了一次标准的
TOR
运行，透镜和
T
OR
的系数数据已
经被保存之后才能够进入。
< br>
其它的公差分配选项
除了
TOR
选项之外，
CODE
V
还有几种其它的公差分配属性。
TOD
（
Analysis
＞
Tolerancing
＞
Distortion
菜
单）的操作几乎与
TOR
完全相同，但是，它是使用由
波前微分推导出的主光线畸变作为评价光学性能的标准。
2
TOL
是以初级像差为基础，比较早期的一个选项（仅仅适合于
在命令栏中使用；对于该项属性的更多信息，请
参考在线
Ref
erence
Manual
的第
6<
/p>
章）
。两个以宏指令为基础的用户自定义公差分配属性
TOLFDIF
（
Analysis
＞
Tolerancing
＞
User-Finite
Differences
菜单
）
和
TOL
MONTE(Analysis
＞
Tolerancing
＞
User-Monte
Carlo
菜单
)
也
是适用的。
这两个属性都要求确定一组公差的预估值来，
而且，
在使用这些属性之前将透镜和这些值一起储存起
来。尽
管其它的属性也将最后会作为一节来讨论，但是，本章的重点是讨论
TOR
选项。
关于这些属性的更多的信息，请参考
Reference Ma
nual
或者
Help
。
公差的类型
CODE
V
支持许多类型的公差，这里只列了其中的几种。公差被认为是
透镜数据的一部分，因此，被放在
LDM
中定义和检查，并在下
一节中阐述。大部分公差是以透镜的度量单位（经常是
mm
）来
计量的线性量。角
度误差是以弧度为单位（这不同于结构数据中的倾斜和视场角，它们是
以度为单位）
。并非是所有可能产生的公
差都被包括在自动生成
的缺省设置中；可以使用
Review
＞
Tolerances
菜单，从缺省设置中增加或者删除公差项。
< br>一些公差类型具有特殊的定义。下面仅仅给出许多公差类型中的三个例子。
测试样板的匹配（
DLF
）——一个表面和
一个标准测试样板表面之间精确配合程度的一种计量，表示为干涉
条纹数（牛顿环）
。在这种检验中，还要测量不规则度（
IRR
）
（
Irregularity
）<
/p>
，例如，偏离标称园的椭圆度。
光楔—
—当一块零件的前后表面不共轴时，
该误差就被描述为表面倾斜，
或者更常见的是叙述为光楔，
根据工厂
中测量用的设备和方法
，被描述为
TIR
（零件的总偏心率）
。
镜筒倾斜
(BTI )
——当一组表面整体倾斜时，
就称为镜筒倾斜
（弧
度为单位）
。
镜筒倾斜要求
（提供）<
/p>
一个表面
（起
始）范围，而且，第一表面
是缺省的倾斜支点，尽管随着
X
、
Y<
/p>
、
Z
方向上的偏斜，该支点也会发生变化
。
提示：
CODE V
能够认可缺省公差的表面组仅仅是单个透镜元件和胶合透镜。虽然，从结构上考虑，其它的表面
组也可以形成一组，但是，
CODE V
并不
识别该安装结构，因此，没办法确认它们是一组。例如，如果知道从表
面
8
到表面
15
是一个组件，就
必须在缺省设置中加上
BTI S8..15
（和其它组的公差
）
，否则这一组的位置误差不
会被模拟。
从在线
Reference Manual
2A-227
页开始，可以看到全部公差的描述。
LDM
中的公差分配和
TOR
你可以用几种不同的方式，
对被使用的公差和补偿元，
对进行计算的类型，
和输出量采取不同的控制程度来
运
行
TOR
。
虽然可以进行全缺省的
TOR
运行，
但是，
通常在运行
TOR
之前，
要使用
LDM
来准备透镜和确公差。
全部缺省的
TOR
运行
全缺省
TOR
运行是最快捷运行
TOR
的方式，
因为是让
CODEV
完成所有的工作。
如果打开一个没有包含公差的
透镜文件，并且运行
TOR
，那么，在
进行
TOR
计算之前，该程序将自动生成一组缺省公差和补偿元
。
1
选择
F
ile
＞
Open
菜单，并且在
CODEV
提供的透镜目录中设置透镜文件
<
/p>
。下面显示的就是该透镜的
系统图。
这里提供的透镜目录称为
CV_LE
NS
：而且在缺省安装中被
定义为<
/p>
C:CODEVLENS
。这是一个
Co
oke
三片型物镜（
f/4.5
，
20
?半视场角，
50mm
焦距）
。该样本透镜没有事
先确定公差。
2
选择
Analysis
＞
Tolerancing
＞
RMS Wavefront
Error
菜单。显示出
RMS wavefront err
or
对话框，选择均方根波前
误差作为光学成像质量的判别标准
。
3
敲击
O
K
开始运行。
从这点少量的输入，
该程
序将会产生许多行输出结果
（
与该运
行相等效的输入命令是
TOR
；
GO
）
。公差是一个标准缺省组，与一个单补偿元（像面的
Z
向移动，例如调焦）一起被用在逆灵敏度模式中。
滚动输出视窗文本列表就中可以查看输出结果。
由于马上你就要亲自完成一次类似的
运行，
所以，
我们就不再对
该具体输出
结果
进行解释了。你将要完成的那个运行比较典型，对公差，
补偿元和一些
TOR
控制的设置都有精确的定义。我们
将会对那个运行的输出进行讨论。
3
设置公差
正如前面所述，公差实际上
被认为是透镜数据的一部分，因此，在
LDM
中被定义、查看和
编辑。当透镜被
保存时，它们也被保存在
.len
文件中。
1
选择
File
＞
Open
菜单，并且，在
CODEV
提供的透镜目录
中设置透镜文件
。
< br>这是一个事先定义好了的，
和前面例子中一样的透镜文件；
为了确保在这个使用中有正确的结果，
需要重新打
开该透镜文
件。
2
选择
Review
＞
Tolerance
菜
单。
显示
Tolerances
and Compensators
视窗。注意，由于
没有包含任何缺省公差值，所以，这个视窗是空的。
3
敲击
LDM
视窗表上
端的
Autofill
键，打开
Tol
erance Spreadsheet
Autofill
对话框。
该例子采
用缺省设置（对所有的表面都产生缺省公差）是可以的。
4
敲击
OK
，确定公差。
在
Tolerances and
Compensators
视窗中显示出的公差是标准的缺
<
/p>
省值。向下滚动，并且会注意到，对于这个有
6
< br>个表面的共轴透镜来说，已经产生了
53
个缺省公差。使
用右
击，可以从列表中加上（
Insert
）或者删除（
Delete
）
）公
差。每一个没有变成灰色的单元格都是可编辑的（例
如，双击
T
ype
项，可以把它改变成另外一个不同的类型）
。
提示
：
要改变视窗中任何一列的宽度右击该列的前端，
并且选择
Column Width
（对于
Type
列选择
120
就很适合）
。<
/p>
到现在为止，还没有对这些公差的效应做过任何计算（这是
TOR
要做的）
。还必须确定一个离焦补偿
元；一旦你
开始确定公差和补偿元，那么，
CODE V
就假定你将会确定你所需用的一切，就不再需要自动生成什么了。
5
在
Tolerances and
Compensators
视窗底部补偿元表格中右击
End
of Data
栏。
6
从快捷菜单中选择
Insert
。
< br>
7
双击
Start Surf
ace
单元格，并且选择
Image
表
面。
8
对于这个新的补偿元双击
Type
单元格，
并且滚动设置和选择
Z Surface Displacement
作为该补偿元，<
/p>
如下所示。
如果是像面，厚度（
DLT
）和
Z
轴位移
（
DLZ
）是等效的，不需要真正地改变缺省值，当然，演示除
外。一般
来说，
DLT
是通过向后推移
后续表面的面来改变厚度，而
DLZ
仅仅是移动该表面，其它的
表面不发生变化。
9
敲击顶端处的
Commit
键，或者敲击公差列表中的任何地方，执行刚刚为
DLZ Si
补偿元确定的数据。
4