Ansys Zemax | 确保自由曲面设计的可制造性
本文专门介绍使用单点金刚石车床加工自由曲面的主要可制造性参数,解释了可制造性参数如何与仪器参数相关联,并展示了如何在 OpticStudio 中检查和控制这些可制造性参数。此外,还解释了如何处理其考察区域外的自由曲面的行为。例如,使用塑料自由曲面透镜(Alvarez透镜元件)等。 (m')dSZ qg*xdefQ% 表面参数控制 g}BS:#$ 3'7X[{uBr 镜头加工中需要进行控制的表面参数将取决于加工方法和设备。加工塑料光学元件最流行和最广泛使用的方法之一是使用 三轴金刚石车床(图 1)进行直接切割,或者更常见的是利用切割模具来加工透镜。 Zlv`yC*r 5X9*K [attachment=119165] H.O&seY [attachment=119166] *N](Xtbj
图1. 三轴金刚石切割机(左) 金刚石切割刀具(右) TUQe.oAi 倾斜角度 ~`0=-Qkd @Dd ( 让我们看一下仪器的局限性(图 2)。刀具的侧面倾角限制了沿任何径向横截面的最大可能斜切角。由于这样的径向横截面与子午面重合,因此相应的斜率在 OpticStudio 中称为“子午斜率”。相对而言,旋转对称表面子午斜率对于自由曲面而言,沿不同的径向截面具有不同的分布。 c=Zurqj 7+$P6[* 另一个参数是 “弧矢斜率” 角度。当我们在三轴金刚石车床上加工自由曲面时,刀具在工件的每一圈都沿 Z 轴来回移动,以加工非旋转对称形状的透镜。在这种情况下,刀具的后角限制了表面沿镜头上每个圆圈变化的速度,这称为弧矢斜率。更准确地说,刀具在表面上产生螺旋轨迹,但螺旋的步长非常小,在大多数情况下,可以将刀具轨迹视为一系列圆圈。对于旋转对称镜片,弧矢斜率刚好为零。 Q.fD3g R?:(~ X\ [attachment=119167] x139Ckn
图 2. 子午和弧矢斜率,黄线表示沿哪个方向测量斜率 &
5'cN 有时,从加工的角度来看,将工件放置在平台的旋转轴之外而不是沿轴放置是合理的,这样刀具在工件上的轨迹看起来几乎是直线。在这种情况下,我们应该控制所谓的 “X斜率” 和 “Y斜率”(图3)。 <}%gZ:Z6g cdg&) [attachment=119168] Qs 'dwc
图3. X 和 Y 斜率,黄线表示沿哪个方向测量斜率 WmblY2 让我们看看如何在 Zemax OpticStudio 中控制这些参数。例如,我们采用一个平面对称的自由曲面镜头,即所谓的 Alvarez 透镜。进入 OpticStudio 分析 -> 表面 -> 表面斜率,可以检查整个表面的斜率分布。此分析功能可以将表面的子午、弧矢、X 和 Y 斜率显示为 2D 颜色、等高线图或 3D 曲面图。 j^Ln\N]^ $
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图 4. 示例 Alvarez 透镜第一表面的子午和弧矢斜率 pQ`S%]k.< [attachment=119171] zKf0 :X [attachment=119172] (V`ddP-
图5. 示例 Alvarez 透镜第一表面的 X 和 Y 斜率 y*lAmO 假设我们有以下来自制造商的刀具图纸(图 6)。对于我们在此基础上的光学元件设计,重要的是要了解刀具后角和侧面角。 ]/Cu,mX &Z+.FTo [attachment=119173] qITd.<
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图6. 刀具图纸 hNF, sA 间隙角 = 7 ± 0.5 度。 n%{oFTLCo 侧面角可以计算为: Gx(%AB~9$ 侧面角 = (90 – Included_angle/2) = 65 ± 0.5 度。 2K2*UC`f B\>3[_n 在光学设计过程中,我们应该相应地限制表面的斜率,这样才可以使用提供的刀具来加工镜头。 a*o k*r s)9sbJ 在轴向切削的情况下,表面的最大子午倾斜角必须小于刀具后刀面角,例如小于 64.5 度(我们在这里考虑± 0.5 度公差)。最大弧矢倾斜角必须小于刀具间隙角,例如小于 6.5 度。 XE;aJ'kt #/WjKr n 在离轴切削的情况下,表面的最大 X 倾斜角必须小于刀具侧面角,例如小于 64.5 度,最大 Y 斜角必须小于刀具间隙角,例如小于 6.5 度。 V&d?4i4/Q 02po; OpticStudio 具有 DSLP 操作数,可以添加在评价函数编辑器中,以便在优化期间控制表面的倾斜角度。DSLP 操作数具有各种参数和不同的输出,您可以在 OpticStudio 用户手册中找到更多信息。下图(图 7)显示了如何获得子午、弧矢、X 和 Y 斜率的最大值。 A$]#f q94*2@KV [attachment=119174] -n6T^vf
图7. 使用 DSLP 操作数获取表面斜率的最大值 31mlnDif 斜率计算为一个点的梯度,或者说它是通过找到矢高变化与(任意)两个不同点之间坐标变化的比率来计算的。如果我们想以度为单位获得相应的倾斜角,我们应该计算斜率的反正切值。 .U,>Qn4/ 7zu3o 对于我们的 Alvarez 透镜的第一个表面我们有: [Ib17#74 最大子午斜率 = 12.539 度 < 刀侧面角 XKbTjR 最大弧矢斜率 = 6.056 度 < 刀具后角 1<wolTf 最大 X 斜率 = 11.229 度 < 刀侧面角 m8&XW2S 最大 Y 斜率 = 8.468 度 > 刀具后角 o q cu< |