Ansys Zemax | 如何执行非序列公差分析

非序列公差分析在自由曲面光导管中的应用与性能评估


引言

在光学系统设计中，公差分析是保障系统性能稳健性的重要步骤。本文将以自由曲面光导管为例，深入探讨如何在非序列光学系统中执行公差分析。首先，我们将回顾公差分析的基本概念及其在序列性和非序列性光学系统分析中的应用与区别。通过本文，读者能够深入了解如何在Zemax软件中利用特定工具进行非序列公差分析，特别是在自由曲面光导管上。

特定公差操作数与设置

在执行非序列公差分析时，Zemax软件提供了一系列工具帮助分析和确保系统性能的稳健性。最关键的三个公差操作数包括：TNPS（非连续对象位置/倾斜度公差）、TNPA（参数公差）和TNMA（材料属性公差），分别用于非连续对象的位置或倾斜度、参数和材料属性的公差控制。为实现更全面的调整策略，CNPS（补偿器公差操作数）和CNPA（补偿器参数公差）被引入，允许将不同的非序列对象定位和参数调整合理分配至特定补偿器过程中。此外，TMCO（多配置数据公差）与CMCO（多配置数据补偿器）操作数具有特殊功能，可通过多配置数据为公差分析与补偿器使用提供依据，详细使用场景请参考Zemax软件的帮助手册。

非序列公差分析中的标准与注意事项

非序列性公差分析采用用户自定义的评价函数作为核心标准，使得分析能够响应优化过程并自动衡量系统性能。这种分析模式支持保存在特定操作数序列下的评价函数使用，并通过用户脚本进行高度定制化操作，这不仅提升了分析的灵活性，也使其成为优化后系统性能评价的理想工具。




一种重要考虑是控制补偿器边界：最小值与最大值要求的忽略，意味着由评价函数和用户脚本提供的唯一标准将直接指导控制过程。在此基础上，通过NPGT/NPLT等操作数限定选择补偿器值的范围，以确保分析过程的可控性和分析结果的实用性。

在优化持续的非序列模式下，TOLR（累积公差限制）的操作数能兼用于优化期间，但，TOLR操作数与用户脚本竞争权限导致无限循环风险，故在额外标准设臵时须格外注意，并确保用户脚本加载的merit函数不包含TOLR操作数。

考虑到系统组件与配置特殊性，非序列系统中某些公差设置不适用于多个配置逻辑，或将被软件禁用，以避免定义冲突或无意义的公差描述。

公差技巧与最佳实践


在公差分析与可视化过程中应用正确技巧，能显著提高分析效率与结果准确性：

1. NSDD操作数计算整合：对于计算聚合数据（如RMS宽度，质心等）的采样噪声相对耐抗NSDD，应避免使用时选择性计算重要性较低的分析射线。

2. 采样策略优化：尽可能采用Sobol法源采样以增强置信度与结果估计精确度。

3. 简化系统模型：务求精简系统建模过程，避免不必要的散射对象、CAD对象或布尔CAD对象的使用，以减少模型复杂度与运行时间消耗。

实例应用

以下以“在OpticStudio中使用自由曲面进行设计”中优化的自由曲面z光导管为例，进行深度分析。包含系统设计与优化过程点，比如针对OSRAM LED与自由曲面光管系统的配置，旨在最大功率输出与准直效果上进行最佳优化。在“Freeform Tolerance”ZAR文件中记录了该系统配置。

公差设置与分析流程

系统准备与公差定义：首先去除优化过程中使用的探测器拾取求解器（ounter、y半宽度上的位置固定），确保公差分析能准确考虑探测器与主要组件之间的相对定位误差。同时，删除对应自由曲面控制点的变量求解，简化公差定义与参数调整过程。

误差类别考虑：系统公差分析围绕制造与组装误差（释压控制点间距、总厚度、屈光率）、LED与探测器的位置和方向等展开。TNPA对光导管控制点和厚度公差，TNPS推动LED和探测器的位置和方向公差设定，无需额外公差测试光导管本身。

评价函数（Merit Function）定义：对基准标准和评估函数的定义即为公差分析的核心步骤。选用评价函数，此类函数考虑当前优化过程中的RMS角半径与最大功率指标，偶尔涉及自由曲面z对象形状约束。无需额外绑定到每一个控制点以避免一致性问题。

公差设置与结果评估：进行公差分析，敏感性分析与少量蒙特卡洛分析（例如20次）以了解公差偏差如何影响系统性能。在.Today文件中使用包含“自由格式 Tolerance.TOP”标签的附件载入和分析公差操作数。一旦操作数设置完成，通过评估结构统计和良率，来绘制系统构建到特定性能水平的可能性。程式化代码可直接报告评估函数操作数，为过程中的监控和后续调整提供负担减少机制。

总结与展望

采用非序列公差分析处理自由曲面光学组件，如自由曲面光导管，不仅依赖于各类公差操作数精准定义与设置，还须考量整个分析过程中的策略选择与执行步骤。作为技术人员，鉴定评估此类分析中的敏感参数，并优化公差设置策略，对于确保光学组件在其预期工作参数内稳健运行和提供可靠性能至为关键。

本文提供的步骤与指导，旨在帮助使用者在Zemax环境中处理包含自由曲面光导管的非序列光学系统，构建其长期可靠性和性能限制理解。而对于那些寻求进一步深入掌握主题的技术人员，后续的技术文章中将涵盖公差分析结果的详细说明，包括用于此类系统的基本准则和使用方法。我们诚邀您关注我们的公众号及在Ansys光学交流群中的分享与交流，以获取更多有关Zemax及其他光学设计中高级分析与优化技巧的资源与交流场合。

在智能设备设计与光学技术应用不断提升的今天，运用Zemax等专业光学设计软件实现精确且高效的非序列公差分析，不仅确保各类组件间的优良兼容性，也为满足严苛的性能标准和设计目标提供了坚实基础。无论是在手机镜头设计还是其他迷你景观结构或组件设计中，此类技术的掌握与应用将为性能优化和技术创新注入强大动力。

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