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激光扩束系统公差分析

ZEMAX与光学设计案例：激光扩束系统详细设计与公差分析(二)

作者：墨子川上

10倍扩束系统在上篇已经设计好了，接下来就是进行系统的公差分析了，也要感谢下群主，查阅了不少资料，都没群主这边教授的系统，马屁立题是为先！下面两个图就是上篇设计的光学系统，简单放两个图在这。注：由于这个设计有一段时间了，在写帖子的时候有些忘记了，混淆了，大家多多指正！

简单讲一下这两个图吧，点列图其实简单的说就是所有的都在衍射极限之内，但是细看光斑，可以看出，0视场的光斑并没有完全是一个点，对于光栅图，可以看出是残留高级球差，而0.5和1视场的光斑，可以看出主要是彗差，并且也有一些高级球差存在。上篇中其实是缩小了前后组间隔，牺牲了一些像质量，但是仍在艾里斑内。

1、公差分析概论

公差分析的目的就是镜片加工过程中的误差，系统组装带来的误差，还有一些材料与模型中的差别等对系统的影响。其实通俗的理解就是理论设计为A，实际产品是B，那么K=B/A这个因子就是公差。我们要控制K，使得设计的理论模型A能满足输出要求B。这个K其实由很多东西组成，就是上面说的三方面误差。

那么系统的A、B到底是什么呢？可以有很多，点列半径，波前差，传递函数等等。这里就用波前差作为这个标准。如下所示，是设计的波前图，RMS是0.0006波长。实际要求的B只需要达到0.02波长即可。

2、公差设定

ZEMAX有很好的GUI界面可以进行设定，可以看出主要划分了四个部分，对于公差参数主要三部分，也就是需要我们关注设置的，表面公差，元件公差，折射率公差，它们正好对应上面分析的加工误差，装配误差，材料误差三方面。

打开公差设定的时候，系统给了一个默认的公差设定，是作为公差分析的一个好的开端。那么一一描述下。

表面公差中，有曲率半径，厚度，偏心倾斜，表面粗糙度误差，这里需要注意的并不多，主要讲一点把，就是S+A不规则度和Zernike不规则度，这里的单位是光圈，其实也就是波长，在公差数据编辑器中，有的版本转化为了mm，当然有的依旧是波长。这里需要注意点。至于两者只用选择其一，S是球差Spherical，A是像散Astigmatism，就是说S+A不规则度就是利用球差和像散来描述表面加工面型误差的，而另外一种是利用Zernike多项式来描述的，这个数学知识要求比较多，挺实用的，不懂可以问群主，我不是很懂。

元件公差中，主要是元件的偏心与倾斜，需要说明的一点就是并不是每个元件都需要设置这个，因为元件的倾斜于偏心总是需要有一个参考标准，所以定义其中的一个元件就可以。

折射率公差，主要就是材料的折射率和阿贝数，这个其实是材料加工商决定的，可以和他们联系与商讨，我们基本上不需要去设定更改。

选项设置中的起始行和评价函数中的是一个意思，测试波长不用管，和实际系统的波长无关。最后需要注意的就是使用后焦补偿，这个一般是有焦系统而言的，我们这个系统就不用勾选了。

那么这里的设定如下所示，按照这个走一轮公差分析。

3、公差编辑器

以前一直都是上一步点击确认后，就直接计算公差去了，没有想到这个里面还得修改，修改的还挺多的，不得不再次摸摸群主的屁股。

确认之后，默认生成了51个操作数，下图由于截图原因不能截全。默认的不是正确的，ZEMAX还没有智能到这一步。这里说两点吧，一时也不一定想全。第一就是上面说的元件偏心的事情，把前组作为参考，那么这里就把前组元件偏心倾斜的操作数进行删除。另外，就是补偿器的事情，这里其实可以把间隔作为补偿器，但是实际上有两个间隔，一般我是根据镜子装配关系来选的。当时结构是先装后组两个大透镜，再装前组透镜，选择了前后组间隔作为补偿器。

4、公差计算

公差计算里面有四个选项卡，设计里面利用灵敏度分析，评价里面选择RMS波前，蒙特卡洛选择100次，进行计算就可以了，这一步没多少需要注意的，当然有些特定的系统会有一些勾选项的设置。