[原创]ZEMAX与光学设计案例：激光扩束系统详细设计与公差分析 [复制链接]

初入光学设计时间不久，也是静水流深光学第3期提高班学员，平时也经常交流，最近应静水流深光学工作室的Still_Water邀请写一篇稿子，也不好意思拒绝。虽然能力有限，但是还是整理了下平时工作中的一个简单设计，分两帖，一帖设计，一帖公差分析。来和大家分享一下，多有不足，还请各位朋友交流指导。 1E(pJu'K  
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1、激光扩束系统设计指标 #gq3 e  
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该设计是整机系统中的一部分，接到的任务是对一个准直的激光进行10倍扩束，老板也不是很清楚指标，但是和激光部的人员沟通下来，激光器出射的是口径2mm的高斯光，激光器内部有一部分整形准直。后面再进行10倍扩束的目的主要是压缩视场角度，激光器出射的激光发散角度是3.5mrad（大概在0.2°），发散角度太大，需要压缩到0.5mrad以内。 BdSTB"  
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对于这样的解释也就基本上了解了，对于我光学设计的输入就明确了，口径2mm，视场0.2°，另外波长是532nm，设计时候压缩到0.35mrad，十倍扩束压缩发散角，为加工和机械装配留余量。 | e+m!G1G  
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2、ZEMAX光学设计部分 [Z1EjeX  
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（1）系统参数设置 QH;
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ZEMAX设计三部曲，孔径，视场，波段，静水流深课程中都有详细接收，抱歉，平时经常请教他们，在这里拍个马屁，做个广告。 V6c?aZ,O  
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孔径设置中，直接设置入瞳直径为2mm，至于切趾类型（可能分布类型更好理解），高斯激光可以选择设置均匀的，也可以选择高斯，做下来区别不是很大。另外，由于这个设计师无焦系统，所以需要选择无焦像空间。当然有人喜欢在最后一个面加入Paraxial近轴面转化为有焦系统，不做评述。 DwI)?a_+  
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视场设置，点击视场，这设置就比较简单的了，点，点，点就OK了。这里和老师们上课讲的有点区别，就是视场设置归一化正常是0，0.707，1。新版本软件中则是0，0.5，1。不知道有什么区别，大佬有知道的可以和我说下，谢谢！ ,YH.n>`s+  
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波段设置，也和视场一样，没技术含量了。 $>+-=XMVB  
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（2）系统参数构建与设计 TYp{nWwi  
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扩束系统其实很简单，构型就是伽利略望远镜，在ZEMAX中直接用两个平板来搭建一个初始结构，然后进行优化分析。 Mcf
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这是二维图，然后添加一些操作数，进行优化边界控制。首先，由于入瞳口径是2mm，十倍扩束后，出瞳大小是20mm，用操作数EXPD来控制出瞳为20mm；其次，利用MNCA来控制住两个平板的间隔不要小于0，因为这个值是前后两个透镜焦距之差（高斯光学下），所以需要设置变量。设置好后，变量就是两个透镜前后两个面和透镜间隔，然后进行优化。优化操作数如下所示： HtMlSgx,8>  
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点击自动优化之后，几秒钟就得到了一个结果，如下所示，虽然看着结果点列图完全在艾里斑以内了，已经是衍射极限了，但是可以看出明显有些问题，就是太长，也就没有直接把这个结构给老板看了，不然估计得挨批了。可以看出两个镜子的间隔是180mm左右，第一个透镜才2mm。 W1
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（3）减小系统长度 SN11J+  
减小系统长度在ZEMAX中优化其实比较简单，就是加入优化操作数控制一下就可以了。其实从理论是去分析下，优化更有针对性。由于是10倍扩束系统，那么后组透镜的焦距也是前组的10倍，那么其实控制前组焦距在合理范围内也就可以了。直接使用TTOR操作数应该也可以，但是需要考虑第一个面和第五个面，这两个不用计算进去，没有这个操作数。联系了加工厂商，得知透镜把F数控制在5以内，那样好比对样板。但是不要太小，大于1.5左右就可以了。 |^FDsJUN  
这样计算了下，前组透镜的焦距控制在10mm以内，组焦距越大，筒长也就越长，就选择控制在10mm以内，优化操作数如下所示。 r+>9O  
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优化之后得到了如下的系统参数，感觉要求差不多，但是咨询各个大佬之后，需要了解之后得知两点：第一，需要了解整体设备的功用，再分析系统，了解下来，一句话就是输入时高斯光，输出也是高斯光，只是发散角压缩，反应到光学系统就是传递函数要接近1，点要在艾里斑以内，目前轴外彗差大，光斑肯定变了，不能满足要求；第二，整体设备体积紧凑，希望进一步压缩体积。 H94$Xi"Bd
 
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（4）继续压缩筒长，优化像质 n32?GRp  
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前透镜是负的，主要是发散作用，产生较大的正球差，后组透镜是正的，产生正球差弥补前面的。之所以像质不佳，其实就是后组弥补的球差不够，那么将后组透镜分离，变为两个透镜进行弥补，并且再优化。此时需要控制的就是后组两个透镜间隔，如下操作数所示。 }L@YLnc%  
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在分析图里面，也可看出上面分析的没有问题，看大佬都喜欢看赛德尔系数，自我感觉经验不足，多看这个图。 B3K%V|;z )  
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另外，控制系统长度，和前面对长度分析的一致，这里直接用操作数控制前后组透镜的间隔，让ZEMAX去计算，系统长度明显降下来，但是像质会变差一点，但是都在艾里斑以内，具体操作数如下图所示。 YTY0N5["  
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（5）套样板，这个就比较简单了，联系你的加工厂商，要来样板文件找接近的，然后修改，修改一个局部优化一次，最后用间隔来优化补偿即可。当然可以直接导入ZEMAX，让它去完成，这里就不说了。 +1e*>jE  
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最后感谢下这个平台，学习了不少！

ZEMAX与光学设计案例：激光扩束系统详细设计与公差分析（二） YrS%Yvhj0  
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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！   ^^qB=N[';  
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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。 &~29%Ns  
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1、公差分析概论 L 5J=+k,  
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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。 ]!E|5=q  
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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。 BQ2EDy=}6  
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2、公差设定 k-@CcrepF  
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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。 ]rO`eN[~U  
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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。 )cNG)F  
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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。 7SE\(K=<%  
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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。 g4cmYg3  
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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。 B @H.O!  
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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。 S0eD 2  
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那么这里的设定如下所示，按照这个走一轮公差分析。 ()6)|A<^U  
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3、公差编辑器 ?dP3tLR  
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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。 h7c8K)ntnf  
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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。 g^OU+7o  
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4、公差计算 2T3v^
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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。 p&ytUTna  
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确定之后，一分钟不到就会计算得出结果，此时会生成一个分析的TXT表格，统计了公差分析的结果。这个数据txt，我们可以倒过来看。 r+-KrO'  
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可以看出，100次蒙特卡罗计算，90%的RMS波前是0.21个波长，10%是0.047，这都不能满足我们的系统要求0.02波长，所以我们就需要往前面看分析得到的计算过程中的敏感项，对它的公差进行缩小。 P*_
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这里就对所有公差中对于RMS波前影响最大的前十进行了排列，下一步就可以把它们缩小了。最后我们对这几个面的表面倾斜控制了±0.02mm，计算得到的结果如下图所示，良品率接近90%。 n0q5|ES  
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最后，建议学习ZEMAX还是尽量系统一些！

楼主写的很详细，对于初学者就需要这么详细的教材。我找的一些优化手机镜头的例子说的都很大概，具体的优化过程略去了很多，不能很好掌握。如果楼主以后能多分享一些这么详细的设计过程，我相信是对广大光学设计初学者的福音，是手机镜头就更好啦。

ZEMAX的表格好像EXCL

赞，写的不错

谢谢。

aonex12:楼主写的很详细，对于初学者就需要这么详细的教材。我找的一些优化手机镜头的例子说的都很大概，具体的优化过程略去了很多，不能很好掌握。如果楼主以后能多分享一些这么详细的设计过程，我相信是对广大光学设计初学者的福音，是手机镜头就更好啦。[表情]  (2019-06-01 08:50)  ee7#PE]}  

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客气了，可以加下微信lens_design

很难看到这么全的设计优化流程，谢谢楼主！ ""AP-7  
请问下，楼主在设计的过程中有遇到激光器产生的干涉条纹的影响吗？

vn2991:很难看到这么全的设计优化流程，谢谢楼主！ f9+J}  
请问下，楼主在设计的过程中有遇到激光器产生的干涉条纹的影响吗？?(2019-06-11 09:40)? ejr9e@D^  

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这种情况多出现在设计过程中平行光路中有平片，另外有些是镀膜引入的，可以加下微信lens_design

thorn12345:赞，写的不错?(2019-06-03 09:45)? Po)!vL"   

H^VNw1.   
谢谢，可以关注公众号   静水流深光学 ab}Kt($  
都是原创帖子