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在 Zemax 中设置真实的光机械公差可能会涉及到很复杂的坐标断点、自定义操作数和嵌套组规则。本文引入 NEST（嵌套元素与系统公差），通过让用户定义透镜组、分配机械枢轴点以及通过直观界面建模层级关系，简化了这一流程。NEST 会自动生成必要的坐标断点和操作数，以正确处理嵌套的倾斜和偏心。本文以一个无遮挡的Gregorian望远镜为例，展示了 NEST 如何简化实际的光机械公差。
注意：此功能仅在 Ansys Zemax OpticStudio Premium/Enterprise 中提供。
作者：Mojtaba Falahati
简介
精确的光学系统设计不仅需要对理想的光学参数进行优化，还需要理解实际制造和装配错位对性能的影响。如倾斜、偏心和轴向偏移等机械误差若未被准确建模会显著降低图像质量。正确定义机械枢轴点——通常位于远离光轴且由安装设计决定，对于真实的错位模拟至关重要。现代系统还包括嵌套的机械结构，其中一个装配体的错位会传递到另一个组件，使得层级建模变得至关重要。之前，在Zemax中设置此类公差需要手动定义复杂的操作数结构，容易出现错误且低效。
通过自动化公差设置中最容易出错和耗时费力的部分，NEST将帮助用户直接在公差数据编辑器中构建完整且准确的公差组合，无需依赖手动操作数配置或外部脚本。这不仅提高了公差分析的效率和可靠性，还缩短了从设计到可制造产品的周期。
示例: 通过NEST进行公差设置
本文展示了一个无遮蔽Gregorian望远镜的实际案例，该望远镜为双镜光学系统，旨在消除中心遮挡及其引起的衍射伪影。与传统的Gregorian构型不同，这种无遮挡变体采用了离轴的光路结构。主镜（通常是凹面抛物面）收集光线并引导到位于主焦点之外的凹椭球次镜。两个反射镜相对于系统光轴均发生了倾斜且偏心。
从机械结构上看，这两面反射镜安装在不同但又运动学相关的结构上，这些结构决定了系统的对准状态和刚性。主镜通常固定在连接到望远镜基础结构的刚性基座单元上，建立全局光学参考。次镜则由独立的离轴组件（比如桁架）支撑，可控制其俯仰、倾斜与偏心自由度。
在大多数实际应用中，两面反射镜被集成到一个共用的镜组中，该镜组可围绕主镜顶点附近的一个既定机械节点旋转（在补偿结构形变或热漂移的同时保持共轭对齐）。这种运动学层级为 NEST 的公差方法提供了理想的框架，其中每个光学与机械组件均被视为嵌套子系统，拥有自身的局部坐标系、枢轴定义以及与望远镜基座的连接关系。
Gregorian望远镜的光学布局图 (来自 J. Störkle, “Dynamic Simulation and Control of Optical Systems,” Ph.D. dissertation, Universität Stuttgart, 2020).
打开附件中的“Unbscured Gregorian.zmx”
NEST可通过软件界面的公差选项卡和其他公差工具一样访问。点击NEST标签即可打开NEST配置窗口去设置嵌套组和对应的枢轴点。
如下图所示，左侧面板展示了组列表，其中每个条目代表一个所定义的光学或机械子组，这些组别由NEST根据其嵌套关系自动组织。中间表格作为标准镜头数据编辑器，列出模型中的所有光学表面。用户可以选择一个或多个表面，并通过“添加组”命令将它们分配到一个组。完成定义后，NEST会识别组间的父子关系，并以层级结构展示。右侧面板提供了详细的组属性，包括用户自定义的枢轴点以及偏心和倾斜的公差参数。
实时布局视图展示了光学配置，被选择的组及其关联枢轴点被高亮显示，以辅助空间可视化和对齐验证。
在这个无遮挡Gregorian望远镜案例中，每个反射镜均在NEST中被定义为独立组，二者共同嵌套于代表完整反射镜组件的高级组A之下。主镜与次镜各自在后方顶点设有枢轴点，这些点可以从枢轴点菜单的默认选项中选择。
包含两面反射镜的嵌套组（组A）被赋予一个用户自定义的枢轴点，该点位于主镜后顶点附近的机械节点处，作为组运动与对准分析的中心参考。由于主镜采用偏心（离轴）孔径设计，可启用“参考偏心坐标系”选项，在反射镜局部离轴坐标系中定义枢轴点（参见：Known Issue in NEST (2025 R2.04); User-Defined Pivot Points Not Applied Correctly | Zemax Community.)。
每个组的倾斜/偏心公差既可由用户手动设定，也可从预设的精度等级（从商业到高精度标准）中选择，从而实现嵌套子系统间快速且灵活的对准灵敏度定义。这种配置准确反映了望远镜结构的运动学关系，使NEST能够模拟嵌套组件相对于现实机械约束的枢轴、倾斜和偏心情况。
完成分组与枢轴点定义后，用户选择“确定”可以自动生成相应的公差数据。NEST在OpticStudio公差数据编辑器中使用标准倾斜（TUTX、TUTY、TUTZ）、偏心（TUDX、TUDY、TUDZ）和厚度（TTHI）操作数，为所有定义的组和枢轴点创建全面的公差组合。
所有操作数均被自动关联于其对应的组与运动轴，确保NEST中定义的层级关系在公差模型中准确反映。这种结构化输出允许用户直接进行蒙特卡洛模拟，评估在真实制造和装配偏差下的系统性能敏感性。
通过下图中高亮显示的工具栏图标访问的蒙特卡洛文件，可即时预览嵌套系统，从而在单一工作流程中简化从光学建模到公差分析的过渡。
生成的蒙特卡洛文件包含一个更新好的镜头数据编辑器，自动插入所有由NEST定义的枢轴点及组件关联关系。NEST使用坐标断点面来定义合适的枢轴位置、倾斜和偏心参数，完全遵循用户在NEST窗口中的配置。每个坐标断点都附有简短注释标签（如ToPP、FromPP、TiltXYZ、DecXYZ），清晰标明所属组件及变换类型，允许用户直接在模型内追踪机械和光学层级。该注释使光学系统的结构组织变得清晰明了，便于验证。用户可通过在镜头数据编辑器中手动调整倾斜或偏心值，并在布局视图中观察相应变化，来进一步验证NEST的性能，确定每个反射镜及嵌套组件都正确围绕其分配的机械参考点旋转。
例如，当未遮挡的Gregorian望远镜模型中镜组绕 X 轴倾斜–5°（如镜头编辑器第6行定义）时，所得的光学结构可以在下图的3D布局视图中可视化。该视图展示了整个系统对机械扰动的响应，展示了两面镜子如何在保持NEST确立的嵌套运动学层级的同时，围绕各自定义的枢轴点进行枢轴旋转。光路保持连续且基准正确，验证NEST插入的坐标断点准确再现每个镜组的预期运动。
一旦通过NEST建立镜组及其枢轴定义，用户可以像执行任何正常的OpticStudio公差任务一样执行公差分析，所有由NEST定义的坐标断点和层级关系会自动纳入工作流程。
总结
在现代光学系统设计中，准确模拟真实装配条件对于确保系统性能和制造性至关重要。机械错位如倾斜、移动和偏心，尤其是在复杂的多元件系统中，如果在公差阶段不妥善考虑，可能会显著降低性能。OpticStudio中的传统分析方法通常需要手动配置操作数和自定义脚本，这使得流程容易出错、耗时费力，且难以适应具有嵌套机械结构的系统规模化分析需求。
NEST（嵌套元件与系统公差）工具通过引入一种直观且结构化的方法来定义机械关联、枢轴点及层级装配关系，解决了这些挑战。通过结合望远镜的实际演示，我们展示了NEST如何简化光机公差分析的设置流程，降低用户操作误差的可能性，并同步提升公差分析的效率与准确性。
通过将 NEST 集成到标准OpticStudio工作流程中，光学工程师获得了一个强大的工具，能够弥合理想光学设计与实际机械实现之间的鸿沟。这最终带来了更稳健的设计、更短的迭代周期，以及从概念到量产的光学系统过渡更顺畅。
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Optomechanical Tolerancing and Systems Engineering - Mechanical Pivot Points – Ansys Optics
引用
J. Störkle, Dynamic Simulation and Control of Optical Systems, Ph.D. dissertation, Universität Stuttgart, 2020.