Performing the tolerance analysis

Выполнение анализа допусков _______________________

Как только все операторы допусков и компенсаторы будут определены, можно выполнить анализ допусков. Для выполнения анализа выберите из главного меню команды Tools и Tolerancing.

На экране появится диалоговое окно с несколькими контрольными командами, описание которых дано ниже.

Fast Tolerance Mode (Быстрый режим): По существу, при быстром режиме анализа учитывается только ошибка в изменении величины заднего фокального отрезка, который служит компенсатором; все другие компенсаторы игнорируются. Быстрый режим полезен для грубой оценки допусков; он выполняется более, чем в 50 раз быстрее, чем стандартный режим.

Merit (Критерий качества): Это окно используется для установки критерия, который будет использован при анализе допусков. Выпадающее меню содержит следующие критерии:

RMS spot radius (CK3 радиуса пятна рассеяния): это наилучший критерий для систем, качество которых далеко от дифракционного предела (например, для систем, аберрации которых больше одной длины волны). С этим критерием анализ производится быстрее всего. Вычисления всегда производятся относи­тельно "центра тяжести "пятна рассеяния!

19-20                                                                                    Chapter 19: TOLERANCING

RMS wavefront (С.К.З. волнового фронта): это наилучший критерий для систем, качество которых близко к дифракционному пределу; например, для систем, аберрации которых меньше одной длины волны. С этим критерием анализ производится почти также быстро, как с предыдущим критерием. Вычисления всегда производятся относительно "центра тяжести" пятна рассеяния!

Merit Function (Оценочная функция): в качестве критерия используется оценочная функция, определенная для данной оптической схемы. Это опция может быть использована, когда анализ допусков должен быть проведен по критерию, установленному пользователем. Использование в качестве критерия определенных пользователем оценочных функций может также потребоваться при анализе систем с несимметричными направлениями в поле зрения или с апертурными поверхностями, ограничивающими лучи. При использовании определенной пользователем оценочной функции ограничивающие условия на компенсаторы к ней автоматически не добавляются.

MTF (geometric or diffraction) (МПФ-геометрическая или дифракционная): Это наилучший выбор для систем, технические условия для которых определяют требования к МПФ. Если выбрана геометрическая МПФ, ZEMAX использует такое приближение МПФ, которое позволяет проводить быстрое вычисление и обеспечивает достаточную точность для целей анализа допусков. Анализ допусков на основе дифракционной МПФ может быть достаточно проблематичным при слишком широких допусках, так как дифракционная МПФ не может быть вычислена или выражена при слишком больших ошибках OPD (оптическая разность хода). Это особенно верно, если пространственная частота достаточно высока и МПФ стремится к нулевому значению на некоторой частоте, которая меньше анализируемой. При использовании критерия МПФ анализ допусков производится наиболее медленно; при этом анализ по дифракционной МПФ идет несколько медленнее, чем по геометрической МПФ. Вычисляемое значение МПФ - это среднее значение для сагиттальной и меридиональной плоскостей. Пространственная частота, для которой производятся вычисления МПФ, устанавливается в контрольном окне "MTF Frequency" (Частота МПФ).

Boresight error (ошибка хода осевого луча): Эта ошибка определяется как величина углового отклонения главного осевого луча от местной механической оси. ZEMAX моделирует эту ошибку с помощью только одного оператора RANG, который вычисляет угол луча, стартующего на оси и проходящего через центр зрачка. В радиально симметричной системе этот луч должен на выходе из оптической системы идти точно вдоль оси Z в пространстве изображений. Децентрировка или наклон любого элемента или оптической поверхности приводят к отклонению главного луча от этого направления. Эта ошибка всегда измеряется в радианах и для главной длины волны! Этот критерий должен использоваться только для систем, обладающих радиальной симметрией. Заметьте, что эта ошибка не характеризует качество системы; это просто величина угла отклонения осевого луча.

MTF Frequency (Частота МПФ): Если в качестве критерия установлена МПФ, то активизируется окно, в котором устанавливается пространственная частота, для

Глава 19: ДОПУСКИ                                                                                           19-21

которой должна вычисляться величина МПФ. Пространственная частота всегда определяется в единицах «Число пар линий на мм» в пространстве изображений!

Mode (Метод): С помощью этого контрольного окна определяется метод анализа допусков: либо Sensitivity (Чувствительность к допускам), либо Inverse (Обратный анализ). При использовании метода Sensitivity производятся вычисления изменений величины оценочной функции для каждого экстремального значения допусков. При использовании метода обратного анализа (Inverse), производятся вычисления величины каждого из установленных допусков, при которой характеристики системы ухудшаются в пределах, установленных критерием Мах Criteria. При анализе обратным методом производятся изменения min и max значений операторов допусков. Смотри описания "Max Criteria" и "Inverse Sensitivity", данные в этой главе.

Max Criteria (Критерий для максимального допуска): Это контрольное окно активизируется при выполнении обратного анализа (Inverse) и используется для определения приемлемого предела ухудшения характеристик системы для вычисления допусков. Например, предположим, что используется критерий RMS Spot Size и номинальное значение RMS для системы равно 0,035 мм. Если установить для Max Criteria установить значение 0,050, то ZEMAX вычислит min и max значения для каждого допуска, которые приведут к увеличению величины СКЗ пятна рассеяния на 0,050 мм. Величина Max Criteria должна представлять собой изменение номинального качества системы в сторону ухудшения. Когда в качестве критерия используется МПФ, то величина Max Criteria - это нижняя граница для значения МПФ, так как уменьшение величины МПФ означает ухудшение качества системы. Смотри описания "Mode" и "Inverse Sensitivity", данные в этой главе. Номинальная величина МПФ для установленного критерия может быть вычислена нажатием на электронную клавишу "?", расположенную рядом с окном Max Criteria.

Fields (Поля): Вообще говоря, задание полей, используемых для оптимизации и анализа системы, не является адекватным для анализа допусков. Например, для схем, обладающих вращательной симметрией, можно определить поля 0, 7 и 10 градусов. Такое несимметричное задание полей может при анализе допусков привести к ошибочным результатам, - когда анализируются допуски на наклоны и децентрировки. При задании оценочной функции для целей анализа допусков можно использовать три различных вида определения полей:

Y- Symmetric (Y-симметрия): При выборе этой опции ZEMAX сначала вычисляет максимальную координату поля, а затем автоматически вводит новые точки поля, равные максимальной координате, умноженной на коэффициенты +1.0, +0.7, 0.0, -0.7 и -1.0, только в направлении оси Y. Все значения полей в направлении оси Х устанавливаются равными нулю. При этом подразумевается, что анализируемая схема обладает вращательной симметрией.

XY- Svmmetric (XY-симметрия): Эта опция подобна предыдущей (Y-Symmetric), за исключением того, что вводится уже 9 полей. В дополнение к 5 полям, установленным для Y-симметрии добавляется еще четыре поля в направле­нии оси Х с коэффициентами -1.0, -0.7, +0.7 и +1.0.

User Defined (По определению пользователя): При этой опции используются поля, уже определенные в анализируемой оптической схеме. Эта опция

19 -22                                                                                    Chapter 19: TOLERANCING

требуется, когда используются коэффициенты виньетирования; она также очень рекомендуется, когда проводится анализ допусков для схем, не обладающих вращательной симметрией, или для схем, у которых поля заданы с весовыми коэффициентами.

 

При использовании опции "User Defined" корректировка весовых коэффициентов для позиций поля не проводится. При использовании опции Y-Symmetric устанавливаются весовые коэффициенты 2.0 для центральной точки поля и 1.0 для всех других точек поля. Для случая XY-Symmetric устанавливаются весовые коэффициенты 4.0 для центральной точки поля и 1.0 для всех других точек поля.

Sampling (Выборка): Эта опция используется для определения количества трассируемых лучей, используемых для вычисления оценочной функции допусков. Чем большее число Sampling устанавливается, тем больше лучей трассируется и тем более точные результаты получаются; однако при этом время анализа увеличивается. Обычно, числа 3 бывает достаточно для качественных оптических систем; для систем с большими аберрациями требуется большее число Sampling, чем для систем с небольшими аберрациями.

Наиболее надежный метод определения необходимого числа Sampling -выполнить анализ допусков, установив Sampling равным 3, а затем повторить анализ при Sampling равном 4. Если при этом результаты изменились незначительно, то используйте число 4. Если результаты изменились сильно, то установите еще большее число Sampling. Если результаты почти не изменились, то вернитесь назад к меньшему числу Sampling. При установке числа Sampling больше, чем это требуется, просто увеличивается время вычислений, а точность результатов не возрастает.

Perform Sensitivity (Выполнение анализа): Если это окошко активизировать, то будет выполняться анализ чувствительности или обратный анализ. Если это окошко не активизировано, то программа анализа будет пропущена и ZEMAX перейдет прямо к моделированию методом Монте-Карло.

# Opt Cycles (Число циклов оптимизации): С помощью этого окна определяется, насколько тщательно ZEMAX должен пытаться оптимизировать значения компенсаторов. Если установить опцию Auto, то ZEMAX будет выполнять оптимизацию в автоматическом режиме (режим "Auto"), при котором оптимизация будет выполняться до тех пор, пока не сойдутся результаты оптимизации компенсаторов. Для грубого анализа допусков можно использовать небольшое число циклов оптимизации (такие, как 1, 2 или 3). Если компенсаторы трудны для оптимизации, то большее число циклов может улучшить точность. Если установлено недостаточное число циклов оптимизации, то величины допусков будут пессимистическими; предсказуемые характеристики системы будут хуже, чем характеристики реальной системы. Режим "Auto" наиболее надежен. При большом числе циклов улучшается точность анализа, но увеличивается время анализа. Такие установки используются только при отключении режима «Fast tolerance".

Show Descriptions (Показать описание): Если это окошко активизировать, то в документе с результатами анализа допусков будет приведен список с названием и описанием назначения каждого оператора допусков. Если это окошко не активизировано, то в документе будет дана только аббревиатура операторов допусков.

Глава 19: ДОПУСКИ                                                                                                             19-23

Show Compensators (Показать компенсаторы): По умолчанию значения компенсаторов не печатаются при выполнении анализа в режиме чувствитель­ности. Если это окошко активизировать, то значения каждого компенсатора будут печататься вместе с величинами изменений оценочной функции для каждого допуска.

Monte Carlo (Монте-Карло): С помощью этого контрольного окошка устанавли­вается число генерируемых методом Монте-Карло модельных схем. По умолча­нию в этом окошке установлено число 20, при котором будет генерировано 20 случайных схем в пределах установленных допусков. Смотри раздел "Monte Carlo simulations" (Моделирование методом Монте-Карло). При установке числа моделей равным нулю анализ методом Монте-Карло не производится!

Statistics (Статистика): С помощью этой опции можно выбрать нужную статисти­ческую модель для выполнения анализа методом Монте-Карло: нормальное (гауссовское) распределение ("normal"), однородное распределение (uniform) или параболическое распределение («parabolic»). Эти установки используются только при анализе методом Монте-Карло. Смотри раздел "Monte Carlo" и данное выше описание оператора "STAT", с помощью которого осуществляется детальный контроль над используемой статистической моделью.

Save MC Runs (Запись файлов, генерированных методом Монте-Карло): Эта опция используется для записи определенного количества схем, генерированных методом Монте-Карло. Установленное в этом окошке число определяет макси­мальное количество записываемых файлов. Например, предположим, что установлено число 20. После того, как будет генерирована первая схема, файл с этой схемой будет записан под именем MC_T0001.ZMX; вторая схема будет записана под именем MC_T0002.ZMX и так далее. Будут записаны только первые 20 схем (последняя схема будет записана под именем MC_T0020.ZMX). Если генерируется меньше 20 схем, то соответственно будет записано меньшее число файлов. Имейте в виду, что эти файлы автоматически перезаписываются после каждого нового цикла моделирования вместе с записью каждой новой анализи­руемой схемы под теми же именами! Смысл записи этих файлов заключается в том, чтобы можно было изучить схемы, генерированные методом Монте-Карло.

Configuration # (Номер конфигурации): Для схем с изменяемой конфигурацией эта опция служит для указания номера конфигурации, для которой должен быть проведен анализ допусков. Анализ будет выполнен только для указанной конфигурации, и номер этой конфигурации будет указан в документе анализа. Если выбрать опцию "АИ"(Все), то проанализированы будут все конфигурации сразу; в таком случае должны быть использованы только определенные пользователем оценочная функция и позиции поля.

Hide All But Worst (Убрать все данные, кроме наихудших): Если активизировать это окошко, то в выходном документе не будут печататься данные анализа по каждому оператору допусков, а будут выводиться только наихудшие данные. Это полезно, когда нужно уменьшить объем выходного документа. Эта опция обычно используется в соединении с опцией "Show worst" (Показать худшее). С помощью окошка "Show worst" осуществляется сортировка операторов допусков по их вкладу в изменение оценочной функции и ограничивается число выводимых значений операторов на печать; это позволяет ограничить объем печати только наиболее жесткими допусками.

19-24                                                                                Chapter 19: TOLERANCING

Show worst (Показать худшее): Смотри данное выше описание опции "Hide All But Worst".

List Fields Individually (По каждому полю отдельно): Если эта опция выбрана, то ZEMAX выдаст списки ожидаемых характеристик системы по каждой точке поля в отдельности. Это позволит исследовать зависимость характеристик системы от направления в поле зрения. При анализе методом Монте Карло для каждой определенной точки поля будут перечислены критерий и значения наилучшего, наихудшего и среднего отклонений, а также величина стандартного отклонения от среднего.

Force Ray Aiming On (Принудительное включение Ray Aiming): Если в анализи­руемой схеме уже была задействована операция Ray Aiming, то эта операция будет использована при оценке допусков. Если же эта операция не была ранее задействована, то она будет использоваться только в случае, если Вы активизи­руете это окошко. Вообще говоря, использование операции "Ray Aiming" приводит к более точным результатам анализа допусков, но замедляет скорость анализа. Для предварительной или грубой оценки допусков оставьте эту операцию незадействованной (опция "off"), но включите ее ("on") в анализ для получения окончательных или точных результатов.

Status (Состояние): Это контрольное окошко используется для индикации выполненного объема вычислений при анализе допусков.

Имеется также еще шесть электронных клавиш в нижней части диалогового окна:

ОК: Команда на выполнение анализа допусков с текущими установками.

Cancel: Выход из диалогового окна без выполнения анализа.

Terminate: Прекращение уже начатых вычислений.

Save: Запись установленных опций для их будущего использования.

Load: Загрузка ранее сохраненной установки опций.

Reset: Восстановление опций, устанавливаемых по умолчанию.

После того, как все опции будут установлены, нажмите на электронную клавишу ОК для выполнения анализа. Детальное описание методов вычислений дано в следую­щем разделе.