Ansys Zemax非序列公差分析执行方法

介绍

公差是将误差（制造、装配、材料等）系统引入光学系统以确定其对系统性能的影响的过程。如果您不熟悉公差分析的概念，或者想了解更多有关该过程背后的理论的详细信息，请先阅读文章“ 如何进行序列模式公差分析”和软件帮助手册。

本文的目的是说明可用于非序列光学系统公差的工具。

公差操作数和设置

三个公差操作数允许在 NSC 系统中扰动任何感兴趣的值：TNPS、TNPA 和 TNMA。它们分别用于公差非连续对象位置/倾斜度、参数和材料属性。CNPS 和 CNPA 这两个补偿器操作数提供了一种全面的调整分配方法。这些允许将非序列的物体位置/倾斜度和参数分别分配为补偿器。此外，TMCO公差操作数和CMCO补偿器操作数允许将多配置数据用作公差和补偿器。有关这一部分内容，请参阅软件帮助手册。

非序列公差采用用户自定义的评价函数作为公差标准。支持使用保存一系列操作数的评价函数与用户脚本。这是有利的，因为在优化过程中可能已经使用了评价函数，并且不需要额外的考虑来评估系统性能。有关非序列优化（包括优良函数构造）的更多信息，请阅读文章“如何优化非序列光学系统”。非序列公差采用用户自定义的评价函数作为公差标准。支持使用保存一系列操作数的评价函数与用户脚本。这是有利的，因为在优化过程中可能已经使用了评价函数，并且不需要额外的考虑来评估系统性能。有关非序列优化（包括优良函数构造）的更多信息，请阅读文章“如何优化非序列光学系统”。

以下是一些关于非序列公差的注意事项：

·补偿器最小值/最大值边界始终被忽略，因为评价函数和用户脚本是唯一可用的标准。使用评价函数边界操作数（NPGT、NPLT 等）来约束补偿器值。

·在非顺序模式下优化期间支持 TOLR，但是，用户脚本是唯一有效的条件;选择评价函数作为标准将导致无限循环。确保脚本加载的 merit 函数本身不包含 TOLR 操作数。

·在非序列系统（射线瞄准、单独的字段/配置等）中没有意义的容差设置将被禁用。

·当允许多配置系统时，使用的 merit 函数必须考虑使用多个 CONF 操作数的每个配置。

·加快公差的技巧：

·NSDD 对用于计算聚合数据（RMS 宽度、质心等）的采样噪声相对不敏感，因此不要使用不必要的分析射线。

·尽可能使用 Sobol 对源采样。

·简化系统：尽可能不要使用散射、CAD 对象或布尔 CAD 对象。

允许自由格式对象

例如，我们将使用“在 OpticStudio 中使用自由曲面进行设计”一文中创建的优化的自由曲面-z光导管。优化的系统由OSRAM LED 和自由曲面光管组成，经过优化，可在探测器上实现最大功率和准直。该系统包含在本文的 ZAR 文件“Freeform Tolerance”中。

与任何公差分析一样，我们必须首先为公差系统做好准备，然后定义公差和标准。在优化过程中，探测器使用拾取求解器来保持其相对于光导管末端的位置和尺寸。这些求解器应被移除，因为需要考虑探测器和光导管之间的对准误差，以便进行准确的公差分析。将检测器上的拾取求解器 z 位置和 x，y 半宽度设置为固定。将检测器的 z 位置固定在 53 毫米处。此外，从 freeform-z 控制点中删除变量求解。这可以在“优化”选项卡下快速完成…删除所有变量。在公差分析期间，唯一的变量是通过补偿器定义的（如果有的话）。

下一步是考虑可能导致竣工系统性能低于优化系统的不同误差。这些分为以下不同类别：

制造误差

·控制点的侧向下垂不正确

·总厚度不正确

·屈光率不正确

组装误差

·LED 位置和方向

·探测器位置和方向

TNPA公差操作数将用于公差光导管控制点和厚度。TNPS 将用于公差 LED 和探测器的位置和方向。扰乱光导管也是多余的。TNMA将用于公差光导管的折射率。请注意，该系统是单色的，因此无需设置光导管的色散 (阿贝数) 公差。

最后一步是定义公差标准，这将是评价函数。评价函数目前针对 RMS 角半径（准直）和最大功率，同时还约束了自由曲面 z 对象的形状。公差分析只会轻微扰动控制点，因此没有必要使用 FREZ 操作数来约束这些点。删除 merit 函数中的 FREZ 操作数。

剩下的唯一步骤是定义公差设置。我们将进行灵敏度分析和少量 （20） 蒙特卡洛分析。打开公差对话框（“公差”（The Tolerance） 选项卡…公差）并加载本文附件中包含的“自由格式 Tolerance.TOP”文件;按 OK。

公差分析是完全多线程的，以使用用户计算机上可用的所有 CPU，在 4 个 CPU 的计算机上大约需要一分钟。OpticStudio在计算标称准则时采用多线程，随后将每个公差操作数和蒙特卡罗分析指定为单个线程（每个CPU一个），以加快公差。

前面引用的顺序公差文章中介绍了公差结果的完整说明。NSC 公差结果中提供的数据是相同的。在这个特定示例中，值得注意的是灵敏度分析中最严重的问题。最敏感的参数是控制点 Y2 和 Y3。这些控制点定义了光导管中第一个“凸起”的形状，在上面的阴影模型布局中可以清楚地看到，大部分从光导管中逸出的能量都发生在这里。下一个最敏感的参数是 LED 的位置，它控制着有多少光耦合到光导管中开始。

每个蒙特卡洛文件都代表一个系统，其中所有参数都与标称值相差甚远。统计数据和良率表示系统构建到特定性能水平的可能性。

如果使用了用户脚本，我们可以直接在公差报告中报告任何所需的评价函数操作数值。当在公差过程中需要监控特定值时，这是一个非常有用的功能。

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