ZEMAXR 自由曲面、HMD/HUD应用-------------------之 自由曲面公差分析 z0-`D.D@\ wt nC^d$
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*G 引言： OuF%!~V s8 0$ 近年来，自由曲面用于光学设计日渐成熟，尤其是随着头戴显示器（HMD
），平视显示器（HUD
）的热潮，在增强现实，混合现实（AR/MR
）及车载显示中更是大放异彩。 R<x~KJ1 1c :H QQ8uQfb 自由曲面对于光学设计仍然是一个系统级的工程，不仅需要考虑优化的高效收敛性，还要考虑公差特性及可加工特性等。成像光学应用层次上，自由曲面的公差特性是一个颇为严格的指标，对像质影响极大，极大的关乎产品的良率。 ?T <2Cl'C BO)Q$*G~JD 然而目前几乎所有的光学软件都没有很好的评价工具对自由曲面进行公差分析。本文结合自由曲面公差分析的着重点，分析了一些常规方法的局限性；并通过自开发的模块，结合一些案例，给出了较为完整的解决方案。借以抛砖引玉，共同提高！ m'.y,@^B J PK( S~ 广义上讲，任何非球面形式都可以称之为自由曲面，自由曲面提供更多的设计自由度，为像质提高，提供了更多的可能性及更广的求解空间。 _"0Bg3Y L L^WeD_Y 在AR/MR,HMD/HUD
中经常用的自由曲面形式为扩展多项式表面（Extended Polynomial Surface
）， ZEMAXR, CODE VR
中都内建有该面型，该面型为一系列扩展的X,Y
高次多项式，含有对称项及非对称项。 h#rziZ( DNl '}K1W 6#/v:;bF #Z]l 4d3{T 头盔显示器（HMD
） 车载平视显示器（HUD
） g/6>>p`J ;4ETqi9 kls
6Dk# 一： 自由曲面公差分析的着重点 \bPSy0 +GqUI~a A:
面型精度（Irregularity
） ijR ,% qg B:
斜率公差（Slope Error
） YE5B^sQ1 y)e 8pPD G 这两项对像质有极大的影响，是需要重点考虑的对象。然而几乎所有的光学软件都没有好的解决方案，不尽如人意。 || t"}Y YZ0Jei8+- 48Z0aA~+ XIJW$CY 9(
"<NB0y RO+N>Wkt 二： 现有方法的一些局限性（用于评定面型及斜率公差） %RS8zN a08`h.dyN A.
对非球面系数直接进行公差分析 zLda&#+ 不可取！非球面系数与这两项没有直接的相关性，不符合加工实际！ ic(`E v B:
外部拟合数据，然后导入离散点阵 ;Wu6f"+Y# 比如外部通过MatlabR
生成离散点阵，然后导入到光学软件中。费时，费力，只能评估不规则度，斜率公差很难直接评估，系统比较复杂时，计算速度很慢，速度难以接受。 S)$iHBx{ C: Zernike
多项式形式 &n yJ :? 相比较于前两种方法要好，但只能评估圆域，只能评估不规则度，斜率公差难于评估。目前只支持球面，圆锥曲面，偶次非球面。 ~ '/Yp8 ( 但是不支持扩展多项式面型（ExtendedPolynomial
），该面型AR/MR,HMD/HUD
经常用！！ )e a Ec9o> 51&K 14
Toi 三： 定制化的自由曲面公差分析模块 hiQ #< Qaeg3f3F3 可对如下面型进行不规则度及斜率公差分析： 7lH3 )9G; A.
球面 kMP3P S B.
圆锥曲面 3 q*p#l~ C. 扩展多项式面型（Extended Polynomial） LW '3m 5 D.
以及以上离轴的情形，如离轴抛物面，椭球面等 EYD24 E.
可对圆域或者矩形区域进行公差分析 >j$y@"+ -.=:@H}r GLE/ 1 z+(V2?xcvt 82*nC!P3E }a?( }{z- +9!=pR q j| Hyv{sM FZ~^cK9g: ZGZ1Q/WH 对圆形区域进行不规则度分析 6 k- Q^! x8oUF zD,K_HicI 对矩形区域进行不规则度分析 { usv*Cm WAqH*LB V|W[>/ :qe.*\
c 四： 实例分析 la}Xo0nq0+ ; xx u , 实例1: 设计一个5X
的激光扩束镜系统：激光波长632.8nm
，高斯光束模场直径：5mm.
> t~2 要求： Qo pA 'm 1.
伽利略式双透镜结构 f5o##ia7: 2.
扩束倍率 5X
;\48Q; 3.
系统性能接近衍射极限，波前差小于lambda/4,
越小越好 0wnC"2GUX 4.
可以采用非球面 P4{!/&/ 5.
系统总长小于75mm.
F+ Q(^Nk Sxzt |{ , |G~PC8 0n-S%e5 最后一个表面采用Conic
非球面后，经过简单的优化即可达到设计目标。 RHv|i jYy '}BYMEd/m% rMEM$1vPU T7qE
2 '?)<e^ %&}gt+L(M LzGSN Bb9/nsbE m[8?d ~ |B~^7RHXo 发散角小于艾里斑尺寸，波前差小于0.02 lambda,
满足设计要求！ yp
l`vJ]X (JdZ l2A. 考虑到实际加工生产，该设计的公差特性如何，尤其是当引入了非球面之后。 4RyQ^vL 对于扩束系统或者长焦系统，斜率公差对像质影响显著。 O~DdMW 现在来分析最后一面非球面透镜的斜率公差所产生的影响！ h6~ H5X o/4U`U)Q0v !}I+)@~\w !si}m~K!_ He)vl. 'Hv=\p4$1 当引入PV
斜率公差=1e-2(Rms
斜率公差约为2e-3)
时，系统性能如下：此时波前差约为 3 lambda.
N4rDe]JnPR 不满足系统要求！ ZZ2v dy38 GMOnp$@H^s n}L
Jt 当引入PV
斜率公差=1e-4(Rms
斜率公差约为2e-5)
时，系统性能如下：此时波前差约为 0.02 lambda.
7v]9) W=y 影响不明显，满足应用要求。 Q nmv?YXS zr@H Yl A3 eus #f T< ]j( F~;UD<<"H 通过上述的分析，光学工程师及工艺工程师可以更好的来评价非球面加工对产品性能带来的影响。 9:JQ*O$ :J;&Z{ LVe [N-K JDP /vNq 实例2：假设有一个巡天望远镜项目，其中有一块反射镜采用拼接的离轴抛物面形式，以满足较高像质的需求。 6x iCTs0@ D*}_L
;GV~MH-F /7LAd_P6 Y>J u$i ,%d?gi"& 任何一块独立的片镜，都呈现完美的像点（实际受艾里斑，衍射的影响）。 O/Mx $Q3re aW*8t'm;m' ;Z!x\{- L ^^(!>n6r^ 现在我们引入不规则度(Irregularity)
面型公差, PV
值为0.35um
，RMS
值约为0.1um
。 nh*hw[Ord
1
.Nfl@] 离轴抛物面面型公差PV
值=0.35um
，RMS
值约为0.1um.
V(wANvH "Ta"5XW 系统性能影响如下： <_3 OiU= w 5ggsOqH %_.
fEFy07 ?.Lq`~T` 引入面型公差后的系统点列图（左）及波前差（右） ?5j} &Y3 7u<C&Z/ 结语： s`I]>e 通过自定义的模块，可以方便快速的对球面，圆锥曲面及自由曲面进行轴上及离轴公差分析，对面型精度（Irregularity
）及斜率公差（Slope Error
）提供了完整的解决方案！ RN"Ur'+ 注意：此模块也可以直接应用于ZEMAX R
的公差分析编辑器，通过公差操作数与其他公差配合使用，因此可以提供整个系统级的完整公差分析方案，并且支持灵敏度，反灵敏度及蒙特卡洛等公差分析。 6H ^=\ d7P' c!@+
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-(JBgM " 详情请咨询： sales@ueotek.com 027-87878386 cI (} 6<Txkk 71G\b|5
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