怎样在ZEMAX序列模式里进行公差分析

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1、怎样在ZEMAX序列模式里进行公差分析摘要这篇文章是对镜头进行公差分析的概览。对于公差分析的新手而言，它也是应该阅读的第一篇文章。作者MarkNicholson译者YOng导语公差分析是考虑制造缺陷和对准误差对镜头性能影响的过程。这篇文章是公差分析过程的概览，并且试图成为新手理解公差分析过程的第一篇文章。其他的KnowledgeBase文章将给出更多针对特定情形的建议和指导。假设我们的任务是设计一款需要量产的激光扩束镜。1/e2全宽是2.5mm的氩离子激光需要扩束3倍，并且2倍光束全宽处的RMS波前误差不能超过1/20(假设测得激光光斑全宽为5mm)。

2、文章末尾可以下载的ZEMAX样例文件使用了两个平-凸透镜，系统标称性能远远超出了生产要求，注意到最大标尺是0.01波长，所以PVOPD误差小于1/200。RMS波前误差(通过建立波前误差绩效函数得到)只有2.15×10-3波长，可能小于你从可视化的OPD图中看到的。注意到系统孔径定义设置为“高斯切趾”，入瞳直径是5mm，并且切趾因子是2，所以入瞳边缘的光束强度已经降到了峰值强度的1/e4=1.8%。这就是为什么系统的规格要求很关键了！因为高斯光照明时入瞳边球差的变化比均匀照明时球差变化小，因此1/e2直径5mm激光束照明时系统的RMSOPD是-2×10

3、-3波长，而被均匀光照明时，相同系统的RMSOPD是3×10-3波长。我们现在将要考虑制造公差对系统性能的影响。制造公差公差分析是关于考虑制造误差的过程，这样用于最终生产的(asbuilt)设计才满足想要达到的规格要求。为了成功地进行公差分析，你应该知道透镜生产中的制造和测试方法，那样你的设计才能与现实的生产流程匹配。制造和测试透镜的方法很多，ZEMAX给你提供了各种方法模拟它们。此时，我们假设透镜由传统的手动抛磨工艺制造，同时进一步假设：制造公差可以通过Editors→ToleranceData及Tools→DefaultTolerances添加。默

4、认公差(DefaultTolerances)对话框允许你添加全部的系统公差，如果需要，你可以手动的修改它们。表面公差(SurfaceTolerances)是指光学面本身的公差，如曲率半径，不规则度等。元件公差(ElementTolerances)是指元件在光学系统中位置公差。运行公差分析的默认公差设置如下：使用He-Ne激光，通过观察光学表面与测试样板的干涉光圈可以得到曲率半径的公差。这是标准的制造测试方法。假设我们选择以光圈数测量曲率公差，并且允许测量表面与样板的最大曲率半径误差为1个光圈。因为以He-Ne激光作为测量波长，设置测试波长(testwa

5、velength)为0.6328。注意到这个波长不是系统的工作波长(氩离子激光是0.5145μm)，而只是表面测试的波长。默认的中心厚度(centerthickness)公差是0.2mm。我们同样需要考虑透镜的安装公差，文章稍后将会讨论这些。ZEMAX也允许你添加表面偏心及倾斜(surfacedecentrationandtilt)公差。这里需要特别小心。非球面应该设置独立的偏心和倾斜公差。比如，一块抛物面反射镜应当单独的设置偏心与倾斜，因为它只有一个旋转对称轴。因为非球面有有限个对称轴，因此偏心和倾斜的情况变得简单一些。在透镜制造时通常会测量透镜的楔

6、形误差。通过真空吸盘固定透镜，既可以(a)从中心透射激光束，观察远处墙上光束图案随着镜头旋转的变化；也可以(b)用千分尺测量透镜边缘厚度随着透镜旋转的变化情况。然后最小化透镜中心或者边缘厚度的差异。在这种情况下，我假设制造商测试时测量透镜的边缘厚度差异。同时，假设x，y方向最大的倾斜为0.2mm，那么最大的径向倾斜为sqrt(0.22+0.22)=0.28mm。表面不规则度可以由球差和像散的和(通过和测试样板干涉，并由眼球观察得到)或者泽尼克系数(通过干涉仪测量得到)定义。此时，我假设使用眼球方法，并设置初始的表面不规则度对1/5。元件公差测量各个元件

7、与系统机械中心轴的偏离状态。折射率公差描述实际使用的玻璃折射率与目录中折射率的偏差。因为这个设计只涉及一个波长，因此我们不需要Abbe公差，只需要简单地分析折射率公差而已。ZEMAX也可以建立一个后焦补偿器。当镜头是无焦系统时就没有必要，那么不要勾选它。当点击按键，一套默认公差就会产生。在下一部分，我们将讨论机械装配和补偿。机械装配与补偿两个透镜都是平凸透镜，所以合理的假设是平的表面为每个透镜的装配面，这个面靠在镜头安装支撑上。我们同样假设透镜之间200mm的距离在装配和使用时可以调节。这样就允许扩束镜可以用于不同的波长。这个假设十分重要。考虑透镜由表

8、面2和表面3构成。因为表面3是平的，它将会紧靠镜头安装支撑。因此，不管表面2的TIRX和TIR