ZEMAX 中如何进行公差分析

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How to Analyze Your Tolerance Results

https://www.wendangku.net/doc/614132014.html,/kb/articles/109/1/How-to-Analyze-Your-Tolerance-Results/Page1.html By Dan Hill

Published on 19 June 2006

Many times it is useful to analyze your tolerances in detail. In ZEMAX's tolerance analysis, you may save the tolerance results for each Monte Carlo file, or you may save each tolerance in the sensitivity analysis indidvidually in ZEMAX file format. This article describes how to take a closer look at what ZEMAX does internally to model each and every tolerance in your design.

Introduction

ZEMAX offers a built-in tolerancing feature which you may use to perform a complete and accurate tolerance analysis of your optical system.

Although ZEMAX performs the calculation of each tolerance “behind the scenes,” ZEMAX also gives you the option to view what it is doing more closely; the operation of the tolerance feature is not always transparent.

There are two different methods to saving the modifications that ZEMAX made to your lens file to calculate the change in criteria as a function of the specified tolerance(s).

The first option may be defined in the Tolerance Data Editor as a tolerance control operand. The SAVE tolerance control operand can be used after any tolerance you would like to inspect in more detail. For example, suppose that you had a tolerance operand TEDX (tolerance on element decenter in X) in the Tolerance Data Editor. After reviewing the resulting sensitivity analysis, the results did not appear to make sense.

As a result, you may edit the Tolerance Data Editor by adding a SAVE command after the TEDX operand. The next time the tolerance analysis is run, ZEMAX will save the file used to compute the TEDX tolerance, which you may view as a ZEMAX lens file.

Applying the SAVE Tolerance Control Operand

To demonstrate, consider a single element for which you would like to know how the RMS Spot Radius changes for a tilt tolerance about the X axis.

TETX is the operand for tolerance on element tilt about the X axis. In this case, the single element has a tilt tolerance of +/- 0.5 degrees.

Running the tolerance with the following settings (note that Paraxial Focus is set as the compensator):

FILE:

Single Element Lens.ZMX (attached to last page of article)

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In the Sensitivity Analysis of the tolerance output, we can see the criteria value as well as the change in criteria as a function of our TETX tolerance.

In this case, the tilt did not affect the RMS Spot Radius very much, but we can review what ZEMAX has done more closely by saving the file ZEMAX internally constructed to perform this perturbation.

In the Tolerance Data Editor, under the TETX line, insert a SAVE tolerance control operand.

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The SAVE command allows you to save the previous tolerance to a ZEMAX Lens File with the specified “File #.” A file will be saved for both the maximum and minimum tolerance. The file names will be TSAV_MIN_xxxx.ZMX and TSAV_MAX_xxxx.ZMX for the min and max tolerance analysis, respectively, where xxxx is the integer number specified in the Int1 column. In this case, the integer number is 5, so the minimum tolerance file will be TSAV_MIN_0005.ZMX. Note that the saved file is saved into the same directory as the current lens file. Run the tolerance analysis once more with the SAVE operand in place (use the same tolerance settings).

Once the analysis is complete, open the TSAV_MIN_0005.ZMX file from the appropriate

directory. Note the modifications made to the Lens Data Editor. To tilt the element about the X axis, ZEMAX inserted a pair of Coordinate Break Surfaces with the appropriate solves and values. ZEMAX even places text in the Comment column to indicate which tolerance each surface represents. Also note the marginal ray height solve on surface 6. Remember, we

chose to have Paraxial Focus as our compensator when performing the tolerance analysis! With this choice, ZEMAX compensates for tolerance perturbations by moving the image

surface in such a way that the perturbed system has the same amount of paraxial defocus as the original system. Thus, the marginal ray height solve on surface 6 brings surface 7 to paraxial focus, and the thickness of surface 7 maintains the paraxial defocus present in the original system.

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With this capability, we can clearly review what ZEMAX has done to ensure any given tolerance is performed the way we expect. Most importantly, we can thoroughly investigate any tolerance which we find to produce curious results.

In the saved file, it is also possible to review the merit function which ZEMAX constructed to evaluate the RMS Spot Radius criteria. The Merit Function Value is equivalent to the criteria value reported in the tolerance output:

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Saving Monte Carlo Tolerance Files

Much like the SAVE tolerance control operand (which is useful for evaluating one tolerance at a time), you may also save each individual Monte Carlo file generated during the tolerance analysis. This option exists in the Tolerancing dialog. In the top-most portion of the dialog, you may choose to specify how many Monte Carlo runs to perform as well as how many of these Monte Carlo files you would like to save for viewing after the analysis is complete.

The benefits to saving the Monte Carlo files are the same to that of the SAVE tolerance control

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operand. However, the Monte Carlo analysis simulates the effect of all perturbations

simultaneously. Thus, the saved files will contain the modified Lens Data Editor with possibly many changes/additions (depending upon the number of tolerance operands you have for your system).

Saved Monte Carlo files are also saved to the directory of the nominal lens file and any number of Monte Carlo files may be saved. The lens files are named MC_T000x.zmx, where x is the value 1 through the maximum number of specified Monte Carlo files to be saved.

In most cases, it isn ’t necessary or desirable to review each individual saved Monte Carlo file. You may use the Monte Carlo Analysis output to help pick out any specific trial that you would like to later review in ZEMAX format:

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Summary and References

When tolerancing and optical system, it is very important that you analyze and understand the results of the tolerance analysis. Sometimes, a certain tolerance or Monte Carlo run might produce suspicious results, requiring further in-depth analysis. The SAVE tolerance control operand and the ability to save Monte Carlo files make this job much easier and give you full access to what ZEMAX has done to the compute the tolerance analysis.

REFERENCES

ZEMAX Optical Design Program User's Guide, ZEMAX Development Corporation

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(完整word版)基于ZEMAX的激光扩束镜的优化设计

光学软件设计 实验报告： 基于ZEMAX的激光扩束镜的优化设计 姓名： 学号：2011146211

一、实验目的 学会使用ZEMAX软件对多重结构配置的激光束扩大器进行优化设计。 二、实验要求 1、掌握使用多重结构配置。 2、进一步学习构建优化函数。 三、实验内容 设计一个激光扩束器，使用的波长为1.053um，输入光束直径为100mm，输出光束的直径为20mm，且输入光束和输出光束平行。要求只使用两片镜片，设计必须是伽利略式的（没有内部焦点），在镜片之间的间隔必须不超过250mm，只许使用1片非球面，系统必须在波长为0.6328um时测试。 1、打开ZEMAX软件，关闭默认的上一个设计结果，然后新建一个空白透镜。 2、在IMA面（像平面）前使用insert插入4个面，输入相关各面的厚度、曲率半径和玻璃类型值。 3、点击Gen设置入瞳直径为100，点击Wav设置波长为 1.053微米。

4、在主菜单Editors里构建一个优化函数，将第一行操作数类型改为REAY，surf输入5，Py输入1，taiget输入10，weight输入1。 5、在评价函数编辑窗中选工具—默认优化函数。选reset，将“开始在”的值设置为2，

确定。 6、点击Opt进行优化，优化后生产OPD图。

7、将第一面的conic设置为变量（control+z）。再次进行优化，重新生产OPD图并观察。 8、将三个曲率和圆锥西数的变量状态去掉。 9、点击Wav重新配置光波长，将之前的1.053改为0.6328，确定后再次更新OPD图并分析。

10、将第二面的厚度250mm设为可变，然后再次点击Opt优化，重新生成OPD图。此时去掉第二面的可变状态。 11、从主菜单—编辑中调出多重结构编辑窗，在这个窗口的编辑菜单中选“插入结构”来插入一个新的结构配置，双击第一行第一列，从下拉框中选wave，在同样的对话框里为wavelength选择1，确定。在config1下输入 1.053，在config2下输入0.6328。

zemax实例5

课程5：多重结构配置的激光束扩大器 先运行ZEMAX，插入几个面，并给它们设好变量，知道你的镜片数据编辑器看上去如下表所示。注意“Glass”列右边的好几列才是“Focal Length”列。表头“Focal Length”只在你将表面类型从“Standard”改变为“Paraxial”后才会显示。不是所有的列都会清楚地显示出来。 注意近轴镜片的使用是为了有平行光能到焦点。将厚度和焦距都设为25.00，并把入瞳直径设为100（“系统---通用配置---光圈类型（入瞳直径）---光圈数值100”），波长（一个）设为1.053微米，不要输入任何其他的波长。镜片厚度是任意设定的，但要符合我们的目标。250mm是由第3条要求得来的。现在选“Editors”，“Merit Function（优化函数）”，评价函数应该是空的，只显示一个“BLNK”（即Blank，意思是未被使用）操作数。在第一行，将操作数类型改为“REAY”，这个真实的Y约束将会被用来控制所要求的5:1的光束压缩比。为“Surf”输入5（这是我们所要控制光高的面），为“Py”输入1.00，在再输入一个目标值10，这会给我们一个20mm直径的平行输出光束。在“Weight”中输入一个1.0的值，再选“Tools”，“Update”，你将会看到在Value列里出现一个50的值。这只是入瞳的半径，因为我们在这一点上只有平行平板。 现在从Editor菜单条中选“Tools---Default Merit Function(默认评价函数)----Reset”，将Start（开始在）域的值改为2，再单击OK。这会使操作数从电子表格的第2行开始添加，以便保护已输入的REAY操作数不被遗失。 现在从主菜单条选“Tools，优化---优化，自动更新，自动，OK”。当优化完成后，单击Exit。再从主菜单选“Analysis（分析）---Fans（特性曲线）---Optical Path（光路）”，你将会看到如图E5-1所示的OPD图。大约有10个波长的波差，性能较差。 主要像差是球差（ZEMAX已加入了离焦作为补偿），幸运的是，我们有一种非常有效的排除球形的方法。移动光标至第一面的圆锥系数列(conic)，键入Ctrl-Z使之成为一个变量。返回到优化工具单击Automatic，评价函数会显著下降。现在单击Exit，更新OPD图，由于引入了一个合理的圆锥系数很容易地使系统性能达到了衍射极限。在三个曲率半径和圆锥系数的每一格中键入Ctrl-Z 以消除变化。 在我们深入进行之前，先选File，Save As保存文件，为镜片输入名字：MC1.ZMX，单击OK。在接下来的步骤中，如果出错，你也可以再将它打开。确认你已将3个曲率和锥形上的变化除去。 选System，Wavelengths，得到波长数据对话框，将波长从1.053改为0.6328，单击OK，再次更新OPD 图。由于玻璃的色散，性能非常差。所显示的像差明显离焦。 我们可以调整镜片间隔来改正它。使第2面的厚度250mm为可变，然后选Tools，Optimization，选Automatic，评价函数应该会降低。单击Exit，然后更新OPD图，系统在新的波长和共轭处有大约0.1个波长的像差。再次键入Ctrl-Z去掉第2面的厚度变量。 我们现在将用多重结构配置功能。从主菜单选“Editors，Multi-configuration（多重数据结构），再选Edit，Insert Config（插入结构）插入一个新的结构配置，双击第一行的第一列，从所显示的下拉框选择“操作数---WAVE”，在同样的对话框里，为“Wavelength # ”选择1，单击OK。这使得我们可以为每一个配置定义不同的波长。在“Config 1”下输入1.053，在“Config 2”下输入0.6328。现在按Insert为Multi Configuration Editor 加入新的一行，在新的第“1”行的双击第一列，然后选“THIC”作为操作数，从Surface列选2，单击OK，THIC 操作数可让我们为每一个配置定义不同的厚度。在Config 1下输入250，在Config 2下输入250。其中的2指的是第二面，因此我们已将第二面的厚度作为多重结构配置值定义了。键入Ctrl-Z，使结构配置“2下的第二面的厚度”成为变量。 现在返回到评价函数编辑器。选“Tools，Default Merit Function(默认评价函数)”，在显示的对话框中，

公差分析

例子1公差(Tolerancing) 1-1概论 公差分析将有系统地分析些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需求。Zemax内建功能强大的公差分析工具，可帮助在光学设计中建立公差值。公差分析可透过简易的设罝分析公差范围内，参数影响系统性能的严重性。进而在合理的费用下进行最容易的组装，并获得最佳的性能。 1-2公差 公差值是一个将系统性能量化的估算。公差分析可让使用者预测其设计在组装后的性能极限。设罝公差分析的设罝值时，设计者必须熟悉下述要点： ●选取合适的性能规格 ●定义最低的性能容忍极限 ●计算所有可能的误差来源(如：单独的组件、组件群、机械组装等等…) ●指定每一个制造和组装可允许的公差极限 1-3误差来源 误差有好几个类型须要被估算 制造公差 ●不正确的曲率半径 ●组件过厚或过薄 ●镜片外型不正确 ●曲率中心偏离机构中心

●不正确的Conic值或其它非球面参数 材料误差 ●折射率准确性 ●折射率同质性 ●折射率分布 ●阿贝数(色散) 组装公差 ●组件偏离机构中心(X,Y) ●组件在Z.轴上的位置错误 ●组件与光轴有倾斜 ●组件定位错误 ●上述系指整群的组件 周围所引起的公差 ●材料的冷缩热胀(光学或机构) ●温度对折射率的影响。压力和湿度同样也会影响。 ●系统遭冲击或振动锁引起的对位问题 ●机械应力 剩下的设计误差 1-4设罝公差 公差分析有几个步骤须设罝： ●定义使用在公差标准的」绩效函数」：如RMS光斑大小，RMS波前误差，MTF需求， 使用者自定的绩效函数，瞄准…等 ●定义允许的系统性能偏离值 ●规定公差起始值让制造可轻易达到要求。ZEMAX默认的公差通常是不错的起始点。 ●补偿群常被使用在减低公差上。通常最少会有一组补偿群，而这一般都是在背焦。 ●公差设罝可用来预测性能的影响 ●公差分析有三种分析方法: ?灵敏度法 ?反灵敏度法

zemax实例

课程1：单透镜（a singlet） 开始ZEMAX，输入波长和镜片数据，生成光线 特性曲线（ray fan），光程差曲线（OPD），和点列图 （Spot diagram），确定厚度求方法和变量，进行简 单的优化。 假设需要设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃，该怎样开始呢？ 首先，运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）。你可以对LDE（你工作的场所）窗口进行移动或重新调整尺寸，以适合你自己的喜好。LDE由多行和多列组成，类似于电子表格。半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。 1、基本设置：开始，我们先为我们的系统输入波长。这不一定要先完成，我们只不过现在选中了这一步。在主屏幕菜单条上，选择“系统（System）”---“通用配置（general）”----“单位units”，先确定单位。再选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供你选择。用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，

将会增加两个波长使总数成为三。现在，在第一个“波长”行中输入0.486，这是氢（Hydrogen）F谱线的波长，单位为微米。 Z EMAX全部使用微米作为波长的单位。现在，在第二行的波长列中输入0.587，最后在第三行输入0.656。这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长，当前为0.486微米。在主波长指示器的第二行上单击，指示器下移到587的位置。主波长用来计算近轴参数，如焦距，放大率等等。“权重（Weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL率。现在让所有的权为1.0，单击OK保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。 选择“系统（System）”---“视场（fields）”----“角度”将X、Y都设为零。表示光线平行于主光轴入射。 2、为镜片定义一个孔径。这可以使ZEMAX在处理其他的事情上，知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个F/4镜头，我们需要一个25mm的孔径（100mm的焦距除F/4）。设置这个孔径值，选择“系统”---“通用配置（General）”---“aperture（孔径）”输入“光圈数值”：25。注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可选择其他类型的孔径设置。 3、加入一些重要的表面数据。ZEMAX模型光学系统使用一系列的表面，每一个面有一个曲率半径，厚度（到下一个面的轴上距离），和玻璃。一些表面也可有其他的数据，我们以后将会讨论到。

统计公差分析方法概述

统计公差分析方法概述(2012-10-23 19:45:32) 分类：公差设计统计六标准差 统计公差分析方法概述 一.引言 公差设计问题可以分为两类：一类是公差分析(Tolerance Analysis ,又称正计算) ,即已知组成环的尺寸和公差,确定装配后需要保证的封闭环公差；另一类是公差分配(Tolerance Allocation ,又称反计算) ,即已知装配尺寸和公差,求解组成环的经济合理公差。 公差分析的方法有极值法和统计公差方法两类,根据分布特性进行封闭环和组成环公差的分析方法称为统计公差法.本文主要探讨统计公差法在单轴向(One Dimension)尺寸堆叠中的应用。 二.Worst Case Analysis 极值法(Worst Case ,WC)，也叫最差分析法，即合成后的公差范围会包括到每个零件的最极端尺寸,无论每个零件的尺寸在其公差范围内如何变化,都会100% 落入合成后的公差范围内。 <例>Vector loop：E=A+B+C,根据worst case analysis可得 D（Max.）=(20+0.3)+(15+0.25)+(10+0.15)=45.7,出现在A、B、C偏上限之状况 D（Min.）=(20-0.3)+(15-0.25)+(10-0.2)=44.3,出现在A,B、C偏下限之状况 45±0.7适合拿来作设计吗? Worst Case Analysis缺陷： ?设计Gap往往要留很大,根本没有足够的设计空间,同时也可能造成组装困难； ?公差分配时,使组成环公差减小,零件加工精度要求提高,制造成本增加。

以上例Part A +Part B+ Part C，假设A、B、C三个部材,相对于公差规格都有3σ的制程能力水平，则每个部材的不良机率为1-0.9973=0.0027；在组装完毕后所有零件都有缺陷的机率为：0.0027^3=0.000000019683。这表明几个或者多个零件在装配时,同一部件的各组成环,恰好都是接近极限尺寸的情况非常罕见。 三.统计公差分析法 ?由制造观点来看,零件尺寸之误差来自于制程之变异,此变异往往呈现统计分布的型态,因此设计的公差规格常被视为统计型态。 ?统计公差方法的思想是考虑零件在机械加工过程中尺寸误差的实际分布,运用概率统计理论进行公差分析和计算,不要求装配过程中100 %的成功率(零件的100 %互换) ,要求在保证一定装配成功率的前提下,适当放大组成环的公差,降低零件(组成环) 加工精度,从而减小制造和生产成本。 ?在多群数据的线性叠加运算中,可以进行叠加的是『变异』值。 四.方和根法 计算公式（平方相加开根号） 假设每个尺寸的Ppk 指标是1.33并且制程是在中心

使用ZEMAX设计的典型实例分析

使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 武汉光迅科技股份有限公司宋家军（QQ：41258981）转载并修改 摘要 光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。 简介 ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout) 一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。 根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。 “序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。 大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。

基于Zemax的牛顿望远镜的设计

基于Zemax的牛顿望远镜的设计 基于Zemax的牛顿望远镜的设计 (1) 1、简介 (1) 2、优缺点 (3) 2.1优点： (3) 2.2不足： (3) 3、Zemax设计 (4) 3.1 设计要求 (4) 3.2 设计过程 (4) 4、参考与鸣谢 (8) 5、附录：望远镜的性能简介 (9) 5.1 物镜的光学特性： (9) 5.2 物镜的结构样式： (10) 5.3 系统的整体性能： (11) 1、简介 1670年，牛顿制备了第一个反射式望远镜。他使用凹面镜（球面）将光线反射到一个焦点，如图1，2。这种方法比当时望远镜的放大倍数高出数倍。 图1，2 老牛本准备用非球面（抛物面），研磨工艺所限，迫使其采用球面反射镜做主镜：将直径2.5厘米的金属磨制成一个凹面反射镜，并在主镜的焦点前放了一个与主镜成45°的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜后以90°反射出镜筒后到达目镜。如图3，4。

球面镜虽然会产生一定的象差，但用反射镜代替折射镜却是一个巨大的成功。所有的巨型望远镜大多属于反射望远镜，牛顿望远镜为反射望远镜的发展辅平了道路。从牛顿制作出第一架反射望远镜到今天，300多年过去了，人们在其中加入了其他的设计，产生了许多的变形。例如，在牛顿式望远镜中加入一组透镜，就产生了施密特-牛顿式，除此之外，还有许多的变形，但他们的基本结构都是牛顿式的。 图3，4 在今天，世界上一些最为著名的望远镜都是采用牛顿式的结构。例如，位于巴乐马山天文台的Hale天文望远镜，其主镜的尺寸为5米；W.M. 凯克天文台的Keck天文望远镜，其主镜由36块六角形的镜面拼接，组合成直径10米的主镜；还有哈勃太空望远镜，也是牛顿式望远镜。 牛顿反射望远镜采用抛物面镜作为主镜，光进入镜筒的底端，然后折回开口处的第二反射镜（平面的对角反射镜），再次改变方向进入目镜焦平面。目镜为便于观察，被安置靠近望远镜镜筒顶部的侧方。 牛顿反射望远镜用平面镜替换昂贵笨重的透镜收集和聚焦光线，结构较简单。另外，焦距可长达1000mm而仍然保持相对紧凑，可以便携使用。不过，由于主镜被暴露在空气和尘土中，需要更多维护与保养。

公差模型和公差分析方法的研究

生 产现场 S H O P S O L U T I O N S 金属加工 汽车工艺与材料 A T&M 2009年第7期 50 机械装配过程中，在保证各组成零件适当功能的前提下，各组成零件所定义的、允许的几何和位置上的误差称为公差。公差的大小不仅关系到制造和装配过程，还极大影响着产品的质量、功能、生产效率以及制造成本。公差信息是产品信息库中的重要 内容，公差模型就是为表示公差信息而建立的数学及物理模型，它是进行公差分析的理论基础。 公差分析或称偏差分析，即通过已知零部件的尺寸分布和公差，考虑偏差的累积和传播，以计算装配体的尺寸分布和装配公差的过程。公差分析的目的在于判断零部件的公差分布是否满足装配功能要求，进而评价整个装配的可行性。早期公差分析方法面向的是一维尺寸公差的分析与计算。Bjorke 则将公差分析拓展到三维空间。Wang 、C h a s e 、P a b o n 、H o f f m a n 、Lee 、Turner 、Tsai 、Salomons 、Varghese 、Connor 等许多学者也分别提出了各自的理论和方法开展公差分析的研究。此后，人工智能、专家系统、神经网络、稳健性理论等工具被引入公差分析领域当中，并分别构建了数学模型以解决公差分析问题。 1 公差模型 公差模型可分为零件层面的公差信息模型和装配层面的公差拓扑关系模型。Shan 提出了完整公差模型的建模准则，即兼容性和可计算性准则。兼容性准则是指公差模型满足产品设计过程的要求，符合ISO 和ASME 标准，能够完整表述所有类型的公差。可计算性准则是指公差模型可实现与CAD 系统集成、支持过/欠约束、可提取隐含尺寸信息、可识别公差类型，以检查公差分配方案的可行性等。目前已经提出了很多公差模型表示法，但每一种模型都是基于一些假设，且只部分满足了公差模型的建模准则，至今尚未出现统一的、公认的公差模型。以下将对几种典型的公差模型加以介绍和评价。1.1 尺寸树模型 Requicha 最早研究了零件层面的公差信息表示，并首先提出了应用于一维公差分析的尺寸树模型。该模型中，每一个节点是一个水平特征，节点间连线表示尺寸，公差值附加到尺寸值后。由于一维零件公差不考虑旋转偏差，所有公差都可表示为尺寸值加公差值的形式。该模型对于简单的一维公差分析十 分有效，但却使尺寸和公差的概念模糊不清，而且没有考虑到形状和位置公差的表示。1.2 漂移公差带模型 Requicha 从几何建模的角度，于20世纪80年代提出了漂移公差带模型以定义形状公差。在这个模型中，形状公差域定义为空间域，公差表面特征需位于此空间域中，同时采用边界表示法（Breps ）建立传统的位置和尺寸公差模型。对于表面特征和相关公差信息则运用偏差图（VGraph ）来表示。VGraph 主要是作为一种分解实体表面特征的手段，将实体的边界部分定义为特征，公差信息则封装在特征的属性中。漂移公差带模型很好地表达了轮廓公差，轮廓公差包含了所有实际制造过程中的偏差。该模型提供了公差的通用理论且易于实现，但是不能区分不同类型的形状公差。1.3 矢量空间模型 Hoffmann 提出了矢量空间模型，Turner 扩展了这一模型。矢量空间模型首先需要定义公差变量、设计变量和模型变量。公差变量表示零件名义尺寸的偏差。设计变量由设计者确定，用以表示最终装配体的多目标优化函数。模型变量是控制零件各个公差的独立变量。由 公差模型和公差分析方法的研究 讨论了目前工程设计、制造中具有代表性的公差模型的建模、描述和分析的方法。在此基础上，对于面向刚性件和柔性件装配的公差分析方法的研究现状分别进行了综述和评价，通过对比说明各种分析方法的算法、应用范围及不足。最后，展望了公差模型和公差分析方法的研究方向及其发展动态。 奇瑞汽车股份有限公司 葛宜银 李国波

基于ZEMAX的半导体激光准直仿真设计

引言 半导体激光器( laser diode，LD) 以其体积小效率高易于集成可高速直接调制等优点，被广泛用于激光雷达激光测量激光照明激光制导激光打印以及高密度信息记录与读取等领域。但是半导体激光器发射的激光光束具有在垂直和平行于结平面两个方向发散角不同光斑形状不规则( 如一般是椭圆型或长条型) 存在固有像散等缺点，这使得半导体激光3 维扫描成像雷达的测程测距精度大大受影响，为了适用于远距离空间激光测距，必须对半导体激光发散光束进行准直。作者主要采用椭圆面柱透镜，对905nm 的半导体激光做准直整形处理，使得激光的发散角尽可能的小，接收物体表面的激光光斑尽可能的小，而且规则，从而达到提高测程和测距精度的目的。 1.理论分析及计算 采用OSARM 公司的型号为SPL LL90 _3 的半导体激光器查看使用说明书得到: SPL LL90_3 型号的半导体激光器在弧矢( 平行于结平面) 方向上的发散 角= 15°，在子午( 垂直于结平面) 方向上的发散角= 30°，整个激光器的峰值功率为70W半导体激光器有源区只有约0. 1 m ～0. 2 m 的厚度，可以近似看作沿慢轴方向的线光源根据半导体激光束两个方向的发散角不同的特点，采用两个互相垂直的柱透镜组分别对两个方向的光束进行准直，选用的两个柱面镜面型为椭圆面如图 1 所示，半导体激光器发出的子午光线先经过母线平行于激光束慢轴方向的柱透镜后变成准平行光束( 平行光束不可能实现) 由于第 2 个柱透镜M2对于子午光线的发散角无影响，可看作平板玻璃图2 显示弧矢光线经过第1 个透镜M1 时，光束会发生偏移，但不会影响光束的发散角，在经过第 2 个柱透镜时，弧矢光也同样得到准直，输出准平行光。

ZEMAX单透镜设计例子详细(多图)

ZEMAX单透镜设计例子，单透镜是最简单的透镜系统了，这个例子基本是很多ZEMAX教程开头都会讲的。 1-1 单透镜 这个例子是学习如何在ZEMAX里键入资料，包括设罝系统孔径(System Aperture)、透镜单位(Lens Units)、以及波长范围(Wavelength Range)，并且进行优化。你也将使用到光线扇形图(Ray Fan Plots)、弥散斑(Spot Diagrams)以及其它的分析工具来评估系统性能。 这例子是一个焦距100 mm、F/4的单透镜镜头，材料为BK7，并且使用轴上(On-Axis)的可见光进行分析。首先在运行系统中开启ZEMAX，默认的编辑视窗为透镜资料编辑器(Lens Data Editor, LDE)，在LDE可键入大多数的透镜参数，这些设罝的参数包括： ?表面类型(Surf：Type)如标准球面、非球面、衍射光栅…等 ?曲率半径(Radius of Curvature) ?表面厚度(Thickness)：与下一个表面之间的距离 ?材料类型(Glass)如玻璃、空气、塑胶…等：与下一个表面之间的材料 ?表面半高(Semi-Diameter)：决定透镜表面的尺寸大小 上面几项是较常使用的参数，而在LDE后面的参数将搭配特殊的表面类型有不同的参数涵义。 1-2 设罝系统孔径 首先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的「GEN」按钮里（System->General）。点击「GEN」或透过菜单的System->General 来开启General的对话框。 点击孔径标签(Aperture Tab)（默认即为孔径页）。因为我们要建立一个焦距100 mm、F/4的单透镜。所以需要直径为25 mm的入瞳(Entrance Pupil)，因此设罝： ?Aperture Type：Entrance Pupil Diameter ?Aperture Value：25 mm

Zemax入门例子一套

如何在Zemax下模拟单模光纤的光束耦合 本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSS MicroOptics FC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。如下图所示： 供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e 数值孔径0.14 纤芯直径8.3μm 模场直径@1.31μm 9.2±0.4μm 微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920 基片材料熔融石英 基片厚度0.9mm 内部透过率>0.99 透镜直径240μm 透镜节距250μm 曲率半径330μm 圆锥常数（Conic constant）0 数值孔径0.17 附件中的文件single mode coupler.zmx 是整个系统的Zemax文件。请注意一下几点： 物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化； 透镜到像面的距离使用了Pick-up solve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。既然两组透镜和光纤之间是完全一致的（在制造公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（either way round）； 两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（float by stop size），而光阑设定在第一个透镜的后表面。这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。 当心“数值孔径”的多种不同定义。它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能是光强降低到1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光

基于ZEMAX的LED光学能模拟本科设计

基于ZEMAX的LED光学能模拟本科设计

郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文） 题目基于ZEMAX的LED光学性能模拟学生姓名胡守重 专业班级电子科学与技术09-1 学号540911010110 院（系）技术物理系 指导教师(职称)运高谦（讲师） 完成时间2013年5月25日

郑州轻工业学院 毕业设计（论文）任务书 题目基于ZEMAX的LED光学性能模拟 专业电子科技学号540911010110 姓名胡守重 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 主要内容： LED是一种能够将电能转换为光能的半导体结构，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三级色粉发光的原理，而采用发光电场发光。据分析，LED 的特点非常明显，寿命长、光效高、辐射低和功耗低。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。由于LED灯具的特殊结构，需要对LED的光学性能进行全面的分析，为利用LED 制作灯具奠定基础。本课题主要内容如下： 1掌握LED的工作原理、光学特性及电学性能。 2 利用ZENAX软件对LED进行建模，并模拟其光学性能。 主要参考资料： [1]LED发展简史.电源世界，2006(9)：30一3l

[2]李春茂编著. LED结构原理与应用技术. 北京：机械工业出版社，2011.01 [3]怀素芳、李旭、崔敏敏等.新一代照明光源白光LED的发展概况.物理通报，2007(11)： [4]陆笑秋.话说半导体照明.电子制作，2007(12)：6—9 [5]毛学麟.LED产业迎来黄金十年.新财富，2007(8)：28--30 [6] Frasch H J．Monte carlo methods in ray·tracing software[J]．SPIE，2000,4769：55 [7]赵家荣，韩文科.《绿色照明工程与节能新机制》.北京，中国环境科学出版社，2006： [8]大谷义彦.LED照明现状与未来展望.中国照明电器，2007(6)：20一24 [9]王丽红.让半导体照明亮起来.中国创业投资与高科技，2005(1)：65-67 [10]易安.半导体照明一21世纪的节能新光源.中国 创业投资与新科技，2004(8)：20--22

基于zemax的实验报告

设计一个8倍开普勒望远镜，目镜焦距f 目' = 25mm ，出瞳直径D' = 4mm ， 出瞳距l z ' >22mm ，目镜视场角2ω' = 25?； 1. 计算 对于望远镜，其物镜与目镜焦距、物镜视场角与目镜视场角的关系式如下： tan tan =-f f ωω?????Γ='Γ''物目目物 由此知道需要设计的物镜的视场角为 2=3.2=200f ω?????'' 物物 2.物镜的设计 我们可以直接采用在设计1中设计的双胶合物镜 双胶合物镜的初始系统图为：

双胶合物镜的初始系统点列图为： 双胶合物镜的初始系统光线扇形图为： 系统的光学特性参数为：

系统的光学特性参数txt . 实际上此时系统已经达到基本的设计要求。 2. 目镜的设计 （1）系统建模 我们采用双高斯物镜。其初始结构参数为： 我们选取的结构的光学特性为： 1=50,2=40,=2 D f f ω'' 这与我们需要的焦距25mm 不符合。我们采用缩放功能进行调整。选择Tools →scale lens ，由于系统现有焦距为50，要变为25，缩放因子为25/50=0.5。调整的方式为： 此时的焦距就变为了25mm 。 接下来，我们把“Field data ”中输入三个角度值0,14和20。 系统的结构图为：

（2）结构优化 变量的确定：这里我们选用如图所示的18个变量作为变量。 评价函数：这里我选用了三项评价函数，有效焦距（EFFL），光学传递函数（MTFS，MTFT）以及透镜最小中心厚度（MNCG），其中前两项的权重为1，后一项的为0.1。（实际中，由于开始时得到优化结果的MTF很不理想，所以最后选择了MTFS和MTFT作为优化的评价函数） 执行优化后的数据如图：

基于ZEMAX的照相物镜的设计_课程设计

燕山大学 课程设计说明书题目：基于ZEMAX的照相物镜设计 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 10级仪表三班

燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系 学号学生姓名专业（班级） 10级仪表三班设计题目 设 计技术参数 1、焦距：f’=15mm； 2、相对孔径：1/2.8； 3、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光） 4、视场角2w=74° 设计要求 1、简述照相物镜的设计原理和类型； 2、确定照相物镜的基本性能要求，并确定恰当的初始结构； 3、输入镜头组数据，设置评价函数操作数，进行优化设计和像差结果分析； 4、给出像质评价报告，撰写课程设计论文 工作量 查阅光学设计理论和像差分析的相关文献和资料，提出并较好地的实施方案设计简单透镜组，并用zemax软件对初级像差进行分析和校正，从而对镜头进行优化设计 工作计划 第一天、第二天：熟悉ZEMAX软件的应用，查阅资料，确定设计题目进行初级理论设计 第三天、第四天：完善理论设计，运用ZEMAX软件进行设计优化，撰写报告 第五天：完善过程，进行答辩 参考资料《光学设计》，西安电子科技大学出版社，刘钧，高明，2006，10 《几何光学像差光学设计》，浙江大学出版社，李晓彤，岑兆丰，2003.11 《实用光学技术手册》，机械工业出版社，王之江，2007.1 指导教师签字基层教学单位主任 签字

摘要 (1) 第一章简述照相物镜的设计原理和类型 (2) 第二章设计过程 (4) 2.1根据参数要求确定恰当的初始结构 (4) 2.2优化设计过程 (5) 2.3 优化结果像差结果分析 (8) 第四章课设总结 (13) 参考文献

使用ZEMAX设计的典型实例分析

使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 摘要 光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。 简介 ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout) 一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。 根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。 “序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。

大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。 序列性系统需定义视场角(field of view)、波长范围（wavelength range）和表面数据（surface date）。序列性设计的最重要参数之一，为系统孔径(system aperture)。系统孔径，常指入瞳(entrance pupil) 或孔径光栏（STO），它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。光学表面可以是折射、反射或绕射。透镜可以是由均匀或渐变折射率材质所制成。表面的下弯(sag) 可以是球面、圆锥面(conic)、非球面(aspheric)或藉由多项式或其它参数函数

统计公差分析方法概述

统计公差分析方法概述 一、引言 公差设计问题可以分为两类:一类就是公差分析(Tolerance Analysis ,又称正计算) ,即已知组成环的尺寸与公差,确定装配后需要保证的封闭环公差;另一类就是公差分配(Tolerance Allocation ,又称反计算) ,即已知装配尺寸与公差,求解组成环的经济合理公差。 公差分析的方法有极值法与统计公差方法两类,根据分布特性进行封闭环与组成环公差的分析方法称为统计公差法、本文主要探讨统计公差法在单轴向(One Dimension)尺寸堆叠中的应用。 二、Worst Case Analysis 极值法(Worst Case ,WC),也叫最差分析法,即合成后的公差范围会包括到每个零件的最极端尺寸,无论每个零件的尺寸在其公差范围内如何变化,都会100% 落入合成后的公差范围内。 <例>Vector loop:E=A+B+C,根据worst case analysis可得 D(Max、)=(20+0、3)+(15+0、25)+(10+0、15)=45、7,出现在A、B、C偏上限之状况 D(Min、)=(20-0、3)+(15-0、25)+(10-0、2)=44、3,出现在A,B、C偏下限之状况 45±0、7适合拿来作设计不? Worst Case Analysis缺陷: ?设计Gap往往要留很大,根本没有足够的设计空间,同时也可能造成组装困难; ?公差分配时,使组成环公差减小,零件加工精度要求提高,制造成本增加。 以上例Part A +Part B+ Part C,假设A、B、C三个部材,相对于公差规格都有3σ的制程能力水平,则每个部材的不良机率为1-0、9973=0、0027;在组装完毕后所有零件都有缺陷的机率为:0、0027^3=0、3。这表明几个或者多个零件在装配时,同一部件的各组成环,恰好都就是接近极限尺寸的情况非常罕见。 三、统计公差分析法 ?由制造观点来瞧,零件尺寸之误差来自于制程之变异,此变异往往呈现统计分布的型态,因此设计的公差规格常被视为统计型态。?统计公差方法的思想就是考虑零件在机械加工过程中尺寸误差的实际分布,运用概率统计理论进行公差分析与计算,不要求装配过程中100 %的成功率(零件的100 %互换) ,要求在保证一定装配成功率的前提下,适当放大组成环的公差,降低零件(组成环) 加工精度,从而减小制造与生产成本。 ?在多群数据的线性叠加运算中,可以进行叠加的就是『变异』值。

ZEMAX仿真实例详解

第四章设计教程 简介 这一章将要教你如何使用ZEMAX，这一章的每一节将会让你接触一个不同的设计问题。第一个设计例子是非常简单的，如果你是一个有经验的镜片设计师，你也许觉得它并不值得你去费心，但是，如果你花费一点点时间去接触它，你可以学到如何运行ZEMAX，然后你可以继续你自己特别感兴趣的设计。 前几个例子中，提供了一些关于镜片设计理论的教程内容，用来帮助那些对专用术语不是很了解的人。但在总体上来说，这本手册，以及其中的这些特例，目的都不是要将一个新手培养成为一个专家。如果你跟不上这些例子，或者你不能理解程序演示时与计算有关的数学知识，可以参考任何一本“简介”这一章中所列出的好书。在开始课程之前，你必须先通过正当手段安装ZEMAX。 课程1：单透镜（a singlet） 你将要学到的：开始ZEMAX，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（ray fan），光程差曲线（OPD），和点列图（Spot diagram），确定厚度求解方法和变量，进行简单的优化。 假设你需要设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃，你该怎样开始呢？ 首先，运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）。你可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸，以适合你自己的喜好。LDE由多行和多列组成，类似于电子表格。半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。 LDE中的一小格会以“反白”方式高亮显示，即它会以与其他格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。如果没有一个格子是高亮的，则在任何一格上用鼠标点击，使之高亮。这个反白条在本教程中指的就是光标。你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE，使光标移动到你想要停留的地方，或者你也可以只使用光标键。LDE的操作是简单的，只要稍加练习，你就可以掌握。 开始，我们先为我们的系统输入波长。这不一定要先完成，我们只不过现在选中了这一步。在主屏幕菜单条上，选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。 屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供你选择。用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。现在，在第一个“波长”行中输入486，这是氢（Hydrogen）F谱线的波长，单位为微米。 ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。现在，在第二行的波长列中输入587，最后在第三行输入656。这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长，当前为486微米。在主波长指示器的第二行上单击，指示器下移到587的位置。主波长用来计算近轴参数，如焦距，放大率等等。ZEMAX一般使用微米作为波长的单位“权重（Weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL率。现在让所有的权为1.0，单击OK保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。 现在我们需要为镜片定义一个孔径。这可以使ZEMAX在处理其他的事情上，知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个F/4镜头，我们需要一个25mm的孔径（100mm 的焦距除F/4）。设置这个孔径值，选择“系统”中的“通常（General）”菜单项，出现“通