光学设计对制造的微妙影响

第一种情况下，元件的倾斜不会累积。这是对系统进行建模的简单方法，但是它不会捕获堆叠效应。第二种情况下，倾斜被累积，并且元件的倾斜和偏心被允许随着堆叠的增长而增加。这是一个对一起落入式系统(drop-together system) 更准确的建模方式，但是它可能导致某些镜片在特定的蒙特卡洛样本中落到镜筒外。为了防止这种情况发生，第三种情况对倾斜的累积进行了建模，但同时强制镜片元件始终保持与光轴对准。这种方式叫做剪切。 

对于给定的系统几何参数、装配方法和公差值，镜头设计者必须选择最可行的模型。如果光学系统是有非常小孔隙(镜片的外径和镜筒内径之间的间隙)的一起落入式镜组(drop-together assembly)，那么第三种倾斜模型将是很好的选择。对于有较宽公差和低敏感度的系统，第一种倾斜模型可能已经足够了。 

一起落入式镜组(drop-together assemblies)中要考虑的由孔缝造成的其他两个运动方式(two other motions)是镜片的偏心和滚动(图7)。考虑一个镜片紧贴在隔圈上的情形，如果镜片是凸面与隔圈接触，孔缝将允许(元件)滚动。滚动是透镜围绕其曲率半径顶点的旋转。然而，如果与隔圈接触的是环形平面或平的光学表面，则孔缝将允许镜片偏心。

 

图7：镜片的孔缝动力学。(a)凸后表面元件的滚动。(b)耦合的滚动。(c)平后表面元件的偏心(c)。(d)耦合的离心。图片由Edmund Optics提供。 

一个元件的滚动和偏心也可能影响镜筒中后续的元件。在滚动的情况下，所有后续的元件将与滚动元件耦合并随其移动。在偏心的情况下，与隔圈接触的凸后表面元件才会被耦合。紧靠隔圈是环形平面或平光学表面的元件可以独立于初始偏心元件移动。 

在公差分析时，建模镜片运动(倾斜和偏心)所需的细节程度及其对性能的影响取决于光学系统对倾斜和偏心的敏感度。以这种可信水平模型完成公差分析过程也可以帮助设计者重新思考装配过程。如镜片可能按照不同的顺序装配，可能加工多个镜座，或者可以将某些元件组合起来形成子装配体。 

我们轻易相信已经找到了光学设计的成功解决方法，但是后来却得到了需要可制造性约束需要重新设计的反馈，或者更糟的是，在没有明确的改进路线的情况下，观察到比预期低得多的产率。在设计阶段提高系统建模及公差统计的准确性会花费大量的精力，但是从长远来看，这将最终节省大量的时间和金钱。 

关于作者 

KatieSchwertz是Edmund Optics公司位于亚利桑那州图森市办公室的高级光学设计师。她负责为目录产品和定制应用的光学和机械设计提供快速开发；电子邮件：kschwertz@edmundo.s.com。 

ShelbyAment是Edmund Optics公司位于新泽西州巴灵顿市办公室的光学研究工程师。她负责开发新的光学计量和制造技术，以提高Edmund Optics公司的制造能力；电子邮件：sament@edmundo.s.com。 

参考资料

1. H.H. Karow (2004). Fabrication Methods for Precision Optics.J. Wiley & Sons, Inc. 

2. R. Bean (April 28, 2017). How Companies Say They're Using Big Data. Harvard Business Review, https://hbr.org/2017/04/how-companies-say-theyre-using-big-data. 

3. M.I. Kaufman et al. (September 19, 2014).Statistical distributions from lens manufacturing data, Proc SPIE 9195, Optical System Alignment, Tolerancing,and Verification VIII,919507, https://doi.org/10.1117/12.2064582. 

4. Zemax LLC (2018). Zemax OpticStudio 18.4 User Manual. Kirkland, Wash. 

5. Synopsys (2018). CODE V TolerancingReference Manual. Mountain View, Calif.

本文由imyu37译文，公众号Light2Life发布。

原文链接：https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=64048