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激光擴束系統公差分析
ZEMAX與光學設計案例：激光擴束系統詳細設計與公差分析(二)
作者：墨子川上
10倍擴束系統在上篇已經設計好了，接下來就是進行系統的公差分析了，也要感謝下群主，查閱了不少資料，都沒群主這邊教授的系統，馬屁立題是為先！下面兩個圖就是上篇設計的光學系統，簡單放兩個圖在這。注：由于這個設計有一段時間了，在寫帖子的時候有些忘記了，混淆了，大家多多指正！
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? ? ? 簡單講一下這兩個圖吧，點列圖其實簡單的說就是所有的都在衍射極限之內，但是細看光斑，可以看出，0視場的光斑并沒有完全是一個點，對于光柵圖，可以看出是殘留高級球差，而0.5和1視場的光斑，可以看出主要是彗差，并且也有一些高級球差存在。上篇中其實是縮小了前后組間隔，犧牲了一些像質量，但是仍在艾里斑內。
1、公差分析概論
公差分析的目的就是鏡片加工過程中的誤差，系統組裝帶來的誤差，還有一些材料與模型中的差別等對系統的影響。其實通俗的理解就是理論設計為A，實際產品是B，那么K=B/A這個因子就是公差。我們要控制K，使得設計的理論模型A能滿足輸出要求B。這個K其實由很多東西組成，就是上面說的三方面誤差。
那么系統的A、B到底是什么呢？可以有很多，點列半徑，波前差，傳遞函數等等。這里就用波前差作為這個標準。如下所示，是設計的波前圖，RMS是0.0006波長。實際要求的B只需要達到0.02波長即可。
2、公差設定
ZEMAX有很好的GUI界面可以進行設定，可以看出主要劃分了四個部分，對于公差參數主要三部分，也就是需要我們關注設置的，表面公差，元件公差，折射率公差，它們正好對應上面分析的加工誤差，裝配誤差，材料誤差三方面。
打開公差設定的時候，系統給了一個默認的公差設定，是作為公差分析的一個好的開端。那么一一描述下。
表面公差中，有曲率半徑，厚度，偏心傾斜，表面粗糙度誤差，這里需要注意的并不多，主要講一點把，就是S+A不規則度和Zernike不規則度，這里的單位是光圈，其實也就是波長，在公差數據編輯器中，有的版本轉化為了mm，當然有的依舊是波長。這里需要注意點。至于兩者只用選擇其一，S是球差Spherical，A是像散Astigmatism，就是說S+A不規則度就是利用球差和像散來描述表面加工面型誤差的，而另外一種是利用Zernike多項式來描述的，這個數學知識要求比較多，挺實用的，不懂可以問群主，我不是很懂。
元件公差中，主要是元件的偏心與傾斜，需要說明的一點就是并不是每個元件都需要設置這個，因為元件的傾斜于偏心總是需要有一個參考標準，所以定義其中的一個元件就可以。
折射率公差，主要就是材料的折射率和阿貝數，這個其實是材料加工商決定的，可以和他們聯系與商討，我們基本上不需要去設定更改。
選項設置中的起始行和評價函數中的是一個意思，測試波長不用管，和實際系統的波長無關。最后需要注意的就是使用后焦補償，這個一般是有焦系統而言的，我們這個系統就不用勾選了。
那么這里的設定如下所示，按照這個走一輪公差分析。
3、公差編輯器
?? 以前一直都是上一步點擊確認后，就直接計算公差去了，沒有想到這個里面還得修改，修改的還挺多的，不得不再次摸摸群主的屁股。
?? 確認之后，默認生成了51個操作數，下圖由于截圖原因不能截全。默認的不是正確的，ZEMAX還沒有智能到這一步。這里說兩點吧，一時也不一定想全。第一就是上面說的元件偏心的事情，把前組作為參考，那么這里就把前組元件偏心傾斜的操作數進行刪除。另外，就是補償器的事情，這里其實可以把間隔作為補償器，但是實際上有兩個間隔，一般我是根據鏡子裝配關系來選的。當時結構是先裝后組兩個大透鏡，再裝前組透鏡，選擇了前后組間隔作為補償器。
4、公差計算
?? 公差計算里面有四個選項卡，設計里面利用靈敏度分析，評價里面選擇RMS波前，蒙特卡洛選擇100次，進行計算就可以了，這一步沒多少需要注意的，當然有些特定的系統會有一些勾選項的設置。
?? 確定之后，一分鐘不到就會計算得出結果，此時會生成一個分析的TXT表格，統計了公差分析的結果。這個數據txt，我們可以倒過來看。
?? 可以看出，100次蒙特卡羅計算，90%的RMS波前是0.21個波長，10%是0.047，這都不能滿足我們的系統要求0.02波長，所以我們就需要往前面看分析得到的計算過程中的敏感項，對它的公差進行縮小。
這里就對所有公差中對于RMS波前影響最大的前十進行了排列，下一步就可以把它們縮小了。最后我們對這幾個面的表面傾斜控制了±0.02mm，計算得到的結果如下圖所示，良品率接近90%。
最后，建議學習ZEMAX還是盡量系統一些！
感謝墨子川上寫的兩期帖子，希望有興趣的可以投稿！另外可以考慮購買我們工作室的講義！
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