首页 > 解决方案 > 镜头与成像 > CODE V_公差案 CODE V_公差案例分析:0.65数值孔径显微物镜
问题背景

  对于任何需要制造的系统,公差分析都是一个必需的复杂的互动过程。包括:
  Ø  确定制造和装配公差目标
  Ø  确定制造和调校补偿器,以及补偿方案
  成功公差分析需要能够精确预测单个公差的灵敏度和整个系统的实际加工性能,包括补偿器的影响。当使用了合适的工具,公差分析能够降低:
  Ø  非重复成本如设计时间,定义装调过程
  Ø  重复性成本如系统制造,装配和调校因此公差分析可以帮助降低成本。

  显微物镜案例
  Ø  数值孔径0.65
  Ø  放大率40倍
  Ø  筒长180mm
  Ø  视场直径0.5mm
  Ø  可见光波长(d,F,C)
  Ø  目标分辨率450线对每毫米

系统结构图

 光扇图和场曲图

    

轴上视场和全视场点列图

         

MTF曲线和数值 

  从上面的图形可以看出,标称系统受限于:
  Ø  轴向色差
  Ø  横向色差
  Ø  色球差
  Ø  场曲
  预期的公差分配目标:
  Ø  限制450线对多色MTF下降
    ■  0.7视场内最大下降0.1
    ■  全视场最大下降0.15

公差方案
  Ø  以默认TOR分析起始,确立基准性能并找出问题所在
    ■  默认反灵敏度模式计算引起相同性能下降的每个公差值
  Ø  根据中间结果,执行额外分析
    ■  添加或删除被偿器
    ■  调整公差极限
    ■  固定单个公差到指定值
    ■  修改公差,符合光机模型

操作步骤
  1)运行默认公差,确定问题所在

 

轴上视场TOR结果

  2)尝试替代偏心补偿
   偏心由表面8..9构成的透镜,

轴上视场TOR结果

  3)确定可以修改的公差极限
   对于回滚和元件偏心,优质的制造设备可以保证±0.0065mm的总体指示偏差

   对于此显微物镜,我们允许元件偏心和胶合元件回滚公差比默认值更严格一些,同样允许0.25环的不规则度。

   保持套样板公差,最后一个透镜的厚度和偏心公差。此时,公差设置已经在轴上和全视场达到目标要求,但是在0.7视场依然不达标。

   当前的半径公差对于优质的制造设备是可行的,不规则公差可以再严格些,而厚度公差会比较有挑战性。

  4)增加最小厚度公差极限到0.4mm,减小最小不规则公差极限到1/8环,这两者对于优质制造设备都是可行的。

损失的厚度公差致使MTF下降较大

  5)评估添加一个one time ”despace”,以补偿由于套样板和厚度误差,进行球差校正。

“despace”补偿往往会比较有效,但是对于这个系统,并没有带来多大的改善。

使用像面调焦的性能要更好一些(第4步)


  6)返回步骤4,使用分析>公差>交互式公差处理最关键的几个单项公差。互动式公差分析具有一个特别的表格,会将引起性能下降最大的公差排在列表顶部。当修改了某个公差后,TOR会快速重新运行,更新公差列表和性能摘要。
  Ø  依据TIR值,表面5..6的回滚公差可以更严格些(例如±0.05mm)。
  Ø  表面8..9构成的透镜是关键元件。
  Ø  移除表面9的厚度公差,因为像面调焦补偿所以是无效公差。

  7)一个经常忽略但又非常重要的步骤是添加补偿调整的公差,补偿能力受限于以下精度:
  Ø  千分尺螺纹间隙
  Ø  不连续的垫片厚度
  Ø  步进电机步长
  添加与补偿相同类型的公差,但是包含一个与所有补偿都不相同的标签,此时这个公差将不会被补偿,以模拟补偿公差。
  偏心补偿调整公差±0.01mm,调焦补偿公差±0.0001mm

  偏心公差:

  非偏心公差:

  最终性能:


  要达到预期的实际制造目标,还需要做更多的工作,例如:
  Ø   继续改善各项公差
  Ø   继续考察其它补偿
  Ø 舍弃当前的设计形式,寻找更宽松公差的设计
  CODE V波前微分公差TOR允许在设计早期权衡这些因素的影响,使得在不明显影响进度的前提下寻找更宽公差的设计。

  8)最后一步是与光机工程师一起,完善CODE V模型以模拟实际的硬件装配和测试方案,例如:
  Ø  使用DLT还是DLZ,或者DLR还是DLS(矢高增量)公差
  Ø  添加虚拟面,模拟定位凸缘
  Ø  添加合适的偏移镜筒倾斜转动中心
  Ø  使用CODE V分组(或耦合)公差功能建立关联公差

总结
  Ø  CODE V快速的波前微分公差功能允许其作为一个设计工具,而不仅仅是对最终设计结果进行分析
  Ø  可以非常容易考察不同的补偿方案和调整各项公差
  Ø  根据不同加工商的能力,可以非常容易应用实际的公差极限
  Ø  包含多种允许用户精确表现其光机模型的功能(如公差标签,分组公差等)