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光學設計公差允許

更新日期:2006-09-02  作者:  來源:

一 公差分配思路

原準備用ODP841進行公差分配計算,但該軟件是用于幾何傳函的計算,對小象差系統計算的結果比Zemax中的MTFT好的多,這是因為沒考慮衍射效應對象差的干擾。我們設計的系統鑒別率是很高的。因此用ODP841計算偏差很大。故采用Zemax計算。

首先介召公差計算的總體思路:

在光學設計中給所有工藝允許的總公差是: 使最差情況下的傳函由于工藝因素的總下降量不大于0.15 lp/mm(下降后的傳函仍有MTF=0.15,以便CCD仍能分辯它對應的空間頻率),對于本系統就是在F=1.23光圈、1H,0.7H口徑下允許鑒別率總下降量不大于0.15 lp/mm。

公差分配的環節有:

半徑、厚度1(透鏡厚度)、厚度2(透鏡氣隙)、玻璃折射率、玻璃色散、中心偏1(加工偏心)、中心偏2(裝配偏心)、余量

上面的公差余量是為了在實際的工藝實施中,由于工藝原因必需放寬公差時,總公差允許量不致于超。

在計算公差時,先按經驗以工藝上最寬松的條件給出各結構參量的公差預定值,這樣作是為了先考核最差情況對總公差的影響。當總公差不超時,也不能以此作為公差分配的最終結果,因為在工藝允許的條件下,應盡量提高成象質量,因此應減少對總公差影響大的諸結構公差,這樣才能最有效的提高成象質量。

二 公差分配

1 思路

對本樣例鏡頭,用Zemax公差計算功能時應遵循如下原則:

(1) 因為F=2~8口徑均比F=1.2口徑的傳函高很多,因此應以F=1.2口徑傳函為準考核傳函變化量。

(2) 在F=1.2口徑的傳函中,應要求0W,0.7W的傳函,而0W傳函比0.7W傳函高很多,因此應以0.7W視場傳函為準考核傳函變化量所允許的半徑公差。

(3) 在計算傳函時,應以MTF=0.3為基準考核傳函的空間頻率。

(4) 正態分布的蒙特卡羅數應取20以上,我們取50(此數越大,得到的公差計算結果的可信度越高,但計算量就越大)。

(5) 用傳函計算公差時,各結構變量公差預定值的給定,可參考“各結構公差計算時預定公差的給定原則”給出。

(6) 為了加速公差計算,應以光學設計中有象質要求的各種情況下,傳函最低的的情況,計算公差的允許值。

2 各結構公差計算時預定公差的給定原則

2.1 TFRN(光圈公差)預定公差的給定
這個量是給各面半徑加公的允許偏差值,先統一給5道圈,計算出總偏差再調整。

2.2 TTHI(厚度公差) 預定公差的給定

這個量給定各面位置的絕對偏差允許值,對于變焦系統,由于有變焦曲線的嚴格限制,因此對各透鏡面位置的絕對值應進行控制。對本系統,各面只有相對位置的要求,沒必要限定絕對位置,因此只需給出:1,2;2,3; …. 的面要求就可以了。

現各厚度加工的允許偏差預定值統一給0.05 mm。

2.3 TEDX,TEDY(零件允許平行偏心公差) 預定公差的給定

這是光學零件與機械零件的配合公差中的偏心(平行)允許公差,給出0.05mm偏心允許預定值。

2.4 TETX,TETY(零件允許傾斜偏心公差) 預定公差的給定

這是光學零件與機械零件的配合公差中的偏心(傾斜)允許公差,給出6’=0.1°偏心允許預定值。

該公差實際上是限定了透鏡隔圈端面垂直度的允許偏差。

2.5 TSDX,TSDY(光學零件表面允許平行偏心公差) 預定公差的給定

這是光學零件表面公差中的偏心(平行)允許公差,給出0.05mm偏心允許預定值。

2.6 TSTX,TSTY(零件允許傾斜偏心公差) 預定公差的給定

這是光學零件表面公差中的偏心(表面傾斜)允許公差給該量公差預定值為0.05mm。

在Zemax公差計算輸入文件中,單位確是度。

那么就用計算式: Q=arctg(0.05/R) 將角度值求出(度為量剛)。

注:TSDX,TSDY,TSTX,TSTY是透鏡定心膜邊時用以控制表面傾斜和平行偏位的。但在工序完公后確要通過零件的透過偏心來驗收,兩者如何統一呢?

在上圖中:

在車邊工藝中,第一面是作為基準的,因此上圖中第一面既無偏心,也無傾斜。第二面C21是表面偏心公差,,C22是表面傾斜公差。則同向影響總偏心C2=C21+C22,由相似三角形有:

這就是由工藝上控制公差(控制C21,C22),向產品驗收公差的轉換計算式。

在推導上算式時,F-R1是在假定鏡很薄時得到的,如果透鏡較厚,可以在AUTOCAD中作圖求出。

我們給此類公差時,是以工藝控制公差的方式給出的,故在此不進行轉換計算。

2.7 TIRR(球差的一半與象散的一半表示的表面不規則度,單位是光圈單位)預定公差的給定

這是光圈的局部偏差的允許值,用光圈允許的局部偏差△N表示,預定值給0.5。
2.8 TIND(d光折射率允許偏差) 預定公差的給定

1 有關表格

由“光學儀器設計手冊”上冊355頁有表:

技 術 指 標 物  鏡 目  鏡 分劃板 棱 鏡 不在光路中的零件

高精度 中精度 一般精度 2W>50° 2W<50°

△Nd 1B 2C 3D 3C 3D 3D 3D 3D

△(NF-NC) 1B 2C 3D 3C 3D 3D 3D 3D

均均性 2 3 4 4 4 4 3 5

雙折射 3A 3 3 3 3 3 2 4

光吸收系數 4 4 3 3 4 4 3 5

條紋度 1C 1C 1C 1B 1C 1C 1A 2C

氣泡度 3C 3C 4C 2B 3C 1C 3C 8E

設計的光學系統屬于中等精度類,這里只計算△Nd,△(NF-NC)對傳函的影響。先按低精度給,如果對傳函影響過大,則給到高精度再計算對傳函影響量。為了查出△Nd,△(NF-NC) 的級別與類別的具體要求,可由“光學儀器設計手冊”上冊409頁有表:

類 別 允許差值 級 別 同批毛胚中的最大差值

折射率 中部色散 折射率 中部色散

1 A

2 B

3 C

D 折射率在所定類別的允許差值之內 中部色散在所定類別的允許差值之內

說明:在象質要求很高(如400萬象素,或平行光管無鏡,高倍測量顯微物經)的鏡頭中,常通過選玻璃進行配對裝配來減小玻離折射率和色散偏差對系統成象質量的影響,這就要求按玻璃爐號進行裝配。此時對玻璃的級別就應有要求。我們的系統是中等精度的鏡頭,不存在按爐號選玻璃配對裝配的問題,即可不考率玻璃的級別。

2 d光折射率的偏差預定值的給的定

先按3類給定,即d光折射率的偏差預定值為:0.001 。

2.9 TABB(阿貝常數允許偏差) 預定公差的給定

由上玻璃類別中知道給定的是中部色散偏差,而它與阿貝數偏差關系見下式:

阿貝數的偏差必需由玻璃類別的中部色散允許偏差通過上式轉換才能得到,對本產品,中部色散偏差取3類,即d(NF-NC)=0.0001,這樣再知道玻璃牌號,查出阿貝數,就可將中部色散偏差傳成阿貝數的偏差。
 etyjtykjuy
 
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