Zemax案例 | 基于Zemax大型阶梯轴直径测量光学系统的设计突破

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引言

在高速列车、航空航天、船舶制造等高端装备领域，大型阶梯轴作为核心传动部件，其直径测量精度直接决定了装备的装配精度与运行可靠性。传统测量方法受限于接触式干扰、环境敏感性等问题，难以满足现代工业对高精度、高效率测量的需求。光学成像测量法凭借非接触、抗干扰强等优势成为主流选择，但透镜装配偏心导致的光轴不重合、测量误差大等技术瓶颈，长期制约着测量精度的提升。长春理工大学段洁副教授团队基于Zemax光学设计软件成功研发出对称式双远心光路-双CCD光学成像系统^[1]，有效解决了大型阶梯轴直径测量的精度难题。本文将深度解析该系统的设计逻辑、Zemax仿真优化过程及工程应用价值，展现光学设计软件在高端制造领域的核心赋能作用。

大型阶梯轴测量的技术瓶颈

大型阶梯轴的直径通常在600mm-800mm之间，其尺寸精度直接影响装备的传动效率和运行稳定性。在实际生产中，测量设备面临多重技术挑战：

传统接触式测量易造成工件表面损伤，且测量误差受压力、温度等环境因素影响显著；
超声波测量、偏振成像测量等非接触方法存在抗干扰能力弱、精度不足等问题；
光学成像系统因透镜装配偏心、光轴不重合，导致准直性下降，测量误差难以控制；
现有光学系统或结构复杂、或视场过小（如部分系统物方线视场仅60mm），无法适配大型阶梯轴测量需求。

随着高端装备制造对精度要求的不断提升，行业迫切需要一款兼具大视场、高精度、高稳定性的光学成像测量系统。

基于Zemax的对称式双远心光路设计

团队提出的对称式双远心光路-双CCD测量方法，以平面反射镜误差补偿为核心创新点，通过Zemax软件完成光路设计、参数优化与性能仿真，构建了满足大型阶梯轴测量需求的光学系统。

（一）设计原理：双远心光路的精度保障

双远心光路将物方远心与像方远心光路融合，孔径光阑置于物方和像方共同焦点位置，使物像方主光线均平行于光轴。这一设计从根本上消除了物距、像距变化引起的测量误差，确保放大倍率恒定^[2]，为高精度测量奠定基础。

针对大型阶梯轴尺寸超过CCD光敏面的问题，系统采用对称式双CCD布局，如图1所示：光源经准直扩束系统形成平行光，投射至被测轴表面形成阴影，两个CCD传感器分别采集轴的两侧边缘数据，通过放大滤波、A/D转换及算法计算，得到实际直径尺寸。其核心计算公式为：

其中，D₀为标准件直径，d₁和d₂为被测轴边缘像宽，β为系统放大倍率。

图1 改进前测量系统原理图

（二）关键创新：平面反射镜的误差补偿作用

为解决光轴不重合、镜片安装偏斜等问题，团队在准直扩束系统与成像系统之间增设平面反射镜，如图2所示。通过Zemax软件模拟调整反射镜位置，实现三重技术效果：

修正光轴同轴度误差，减少角度偏差，提升光束准直性；
缩短系统工作距离，助力测量设备小型化；
降低装配误差对测量精度的影响，为后续优化提供基础；

图2 改进后测量系统原理图

（三）Zemax仿真：从参数设定到系统优化

整个光学系统的设计与优化过程均基于Zemax软件完成，确保了设计的科学性与可靠性：

参数设定与初始结构选择：根据测量需求，设定系统性能指标，如表1所示。参考《实用光学技术手册》^[3]选择初始结构，基于Zemax的缩放功能适配像面尺寸。
物像方远心光路优化：在Zemax中设置优化操作数，调整远心度、瞳距、镜片厚度及空气间隔，分别完成物方与像方远心光路设计。选择重镧火石玻璃作为镜片材料（折射率1.81，阿贝数40.8），兼顾透光性、稳定性与加工性。优化后，物方远心系统艾里斑半径9.605μm，RMS半径5.104μm；像方远心系统艾里斑半径6.405μm，RMS半径2.343μm，均满足设计要求。
双远心系统集成优化：将物方与像方远心系统组合，以镜片曲率半径、厚度、空气间隔为优化变量，在Zemax中对远心度、调制传递函数（MTF）、场曲、畸变等指标进行综合优化。最终形成的双远心系统由8片透镜组成，如图3所示。结构总长度350mm，景深8.2mm，完全适配大型阶梯轴测量的空间需求。

表1 物像方双远心系统主要技术指标

图3 双远心系统结构图

基于Zemax的仿真验证

（一）核心性能指标仿真结果

调制传递函数（MTF）：MTF是评价光学系统成像质量的核心指标，反映系统对细节的分辨能力。在奈奎斯特频率71.4 lp/mm处（由CCD像元尺寸7μm计算得出），Zemax仿真显示，系统所有视场的MTF值均高于0.65，远超行业普遍要求的0.3，确保CCD能清晰分辨被测轴边缘细节。
场曲与畸变：场曲反映像面弯曲程度，畸变影响成像准确性。仿真结果显示，系统场曲≤0.2mm，畸变<0.13%，有效避免了因像面变形导致的测量误差。
点列图分析：点列图中，艾里斑半径3.204μm，RMS半径3.776μm，大部分激光能量聚集在直径0.004mm的圆形区域内，表明系统成像聚焦性优异，边缘清晰度高。

图4 双远心系统MTF传递函数图

图5 双远心系统场曲/畸变图

图6 双远心系统点列图

（二）公差分析：保障工业可制造性

实际加工装配中的误差可能导致系统性能下降，团队通过Zemax的灵敏度分析工具开展公差分析：

设定公差范围：曲率半径±0.01mm，厚度±0.02mm，X/Y偏心±0.01mm，倾斜±0.02°，折射率±0.0003等；
采用500个蒙特卡洛样本，以71.4lp/mm处MTF值为评价标准；
仿真结果显示，即使在最坏偏差情况下，系统MTF值仍高于0.5，90%的系统MTF值≥0.5296，表明公差分配合理，系统具备良好的加工装配适应性。

（三）仿真与实验的一致性验证

基于Zemax仿真为系统性能提供了精准预判，实验数据进一步验证了设计的可靠性。将优化后的光学系统装配到测量设备中，对600mm、650mm、700mm、750mm、800mm标准件进行测试：

改进前系统测量误差≤0.07mm；
改进后系统测量误差≤0.04mm，满足工业测量精度≤0.05mm的要求；
测量精度较原有设备提升约1倍，充分印证了Zemax仿真优化的实际效果。

图7 改进前后标准件测量结果对比图

参考文献：

[1] ZHENG Jianli, DUAN Jie, SUN Xiangyang, et al. Design of optical imaging system for large-scale step-shaft diameter measurement[J]. Journal of Applied Optics, 2025, 46（6）: 1353-1360. DOI: 10.5768/JAO202546.0601001

[2] Linghong Liu, Yun Feng, Liuhua Nong, Xuehui Tang. Three-Magnification Double-Telecentric Optical System and Effect of Field on Optical Design[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2022, 59(7): 0722002.

[3] 顾培森. 《实用光学技术手册》正式出版[J]. 光学仪器, 2006 (6): 37-37.

来源：摩尔芯创

Speos Editor 自定义 Spectrum 光谱

文章来源于：Ansys光电大本营本文展示了如何使用光谱数据表格和光谱图表展示的的光谱数据转换成为Speos创建的*.spectrum文件，帮助Speos用户如何根据测量的光谱数据或是图表得到可用于Speos仿真的光谱文件，提高仿真的准确性。Spectrum光谱数据文件格式Speos使用.spectrum文件作为光源以及Camera传感器需要的光谱数据的输入。Speos的*.spectrum文件有两种类型：v1.0（基于文本的）和v2.0（基于二进制的）。当前可以修改的文件是v1.0，而v2.0文件是加密的。在本文中，我们将解释如何从创建基于文本的v1.0频谱文件。打开V1.0的Spectrum文件，包含的内容分别是，第一行文件版本说明，第二行文件描述，第三行Spectrum包含的光谱采样个数，第四行具体的光谱采样点和百分制数据。创建光谱文件对于仅有光谱图的条件下，需要通过工具在光谱图中获得多个值，x（nm：波长）和y（%：强度），可以选择任何允许检索x和y值的数字软件工具，然后将数据按照以下步骤输入。对于有测量仪器测量的光谱数据，即波长和强度的关系数据，则可直接将数据按照以下步骤输入。获取数据后，可以创建txt文件，在txt文本编辑器中输入以下内容:在第一行输入“OPTIS-Spectrumfilev1.0”。在第二行中，输入description。在第三行中，输入[xy]数据集的个数。第四行以后，输入获得的[xy]数据集的值。x值的单位应为nm，y值的单位应为%。如果数据的强度值介于0和1之间，则应将数据进行100(%)的转换。值得注意的是Spectrum最多可以加32,767个波长。完成后，将文本文件的扩展名保存为“.spectrum”，此时可以可以通过SpeosSpectrumeditor频谱编辑器打开频谱文件来验证。此光谱文件可用于Speos光学仿真。除此之外，也可以直接在SpeosSpectrumEditor创建保存一个Spectrum文件，此文件用txt打开后，可以直接编辑数据数据集的数量和数值，减少编写第一行和第二行的工作量。来源：摩尔芯创