概要

本文解釋了:

?如何設(shè)置一個(gè)雙通系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)元件傾斜/偏心的公差分析。

?如何在公差數(shù)據(jù)編輯器設(shè)置自定義操作數(shù)（TU**），以便在雙通結(jié)構(gòu)中精確模擬透鏡傾斜和偏心。

?如何驗(yàn)證雙通系統(tǒng)已被充分建模并反映實(shí)際系統(tǒng)。

文中示例文件可通過以下鏈接下載：

介紹

由于序列模式的光線追跡方式是從一個(gè)表面到下一個(gè)特定表面依次進(jìn)行的，對(duì)雙通系統(tǒng)建模要求光學(xué)系統(tǒng)被建模兩次（一個(gè)通道一次）。確保返回光束恰好對(duì)應(yīng)到光學(xué)元件中的關(guān)鍵所在是使用（例如位置求解和拾取求解）不同的求解類型。應(yīng)此在建立系統(tǒng)時(shí)應(yīng)十分注意，以確保正確建模，特別是在公差分析方面。

在雙通系統(tǒng)中，公差數(shù)據(jù)擾動(dòng)不是完全獨(dú)立的。換句話說，如果光線在單次通過路徑中其中一元件以某一量?jī)A斜，那么在返回路徑中元件也應(yīng)該具有相同的物理傾斜，否則，在公差分析中，Zemax OpticStudio的光線追跡結(jié)果將與現(xiàn)實(shí)情況不符。

要對(duì)系統(tǒng)建模并進(jìn)行公差分析，需對(duì)坐標(biāo)間斷面的位置、拾取求解類型及必要的自定義公差進(jìn)行仔細(xì)定義。本教程旨在從雙通系統(tǒng)的單透鏡開始，涵蓋這一過程的基本操作。

雙通設(shè)計(jì)

首先，打開本文附帶的Zemax OpticStudio鏡頭文件:

Double Pass Tolerance Test File.ZMX

這個(gè)文件由Edmund光學(xué)的一個(gè)單透鏡(32981)組成。透鏡用于有限共軛，透鏡后表面頂點(diǎn)至像面的距離50mm。

在IMA面之前插入一個(gè)表面，并將其玻璃類型轉(zhuǎn)換為MIRROR。選擇1和2兩個(gè)表面并將它們復(fù)制，然后再在IMA面之前粘貼。

為返回光路中的鏡頭半徑及玻璃材料添加拾取求解。此外，在厚度一欄中使用位置求解，使光路返回時(shí)光線經(jīng)過的透鏡與光路去時(shí)經(jīng)過的透鏡相重疊，并確保IMA平面與OBJ點(diǎn)重合。

半徑拾取的設(shè)置

需要注意的是，盡管在表面序號(hào)上表面4在表面5之前，但實(shí)際上表面4代表了返回光路經(jīng)過的透鏡后表面。這也是半徑拾取中，表面4拾取了表面2的曲率半徑的原因。表面5代表了返回光路光線經(jīng)過的透鏡前表面，因此表面5拾取了表面1的曲率半徑?？梢栽谧⑨寵谥刑砑幼⑨寔韰^(qū)分所代表的表面。

厚度欄中的位置求解設(shè)置

表面3,4,5的厚度欄中位置求解設(shè)置如下：

玻璃材料拾取設(shè)置

對(duì)求解類型設(shè)置完成后，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器如下圖所示：

如果系統(tǒng)的設(shè)置正確，兩個(gè)透鏡已被設(shè)置為完全重疊，3D布局圖將如下圖所示只出現(xiàn)單個(gè)透鏡：

公差分析設(shè)置

為了進(jìn)行公差分析，我們將考慮透鏡偏心和傾斜的影響。一般內(nèi)置的元件公差操作數(shù)如TEDX,TEDY,TETX,TETY，可以自動(dòng)對(duì)元件進(jìn)行擾動(dòng)。但是對(duì)于雙通系統(tǒng)，元件擾動(dòng)的公差分析需要在LDE（鏡頭數(shù)據(jù)編輯器）中進(jìn)行一些改動(dòng)。這是因?yàn)閆emax OpticStudio不會(huì)知道第二個(gè)通路中的透鏡應(yīng)當(dāng)與第一通路中的透鏡是同一物理元件。作為描述傾斜/偏心的坐標(biāo)間斷需要手動(dòng)輸入到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中，要進(jìn)行公差擾動(dòng)的坐標(biāo)間斷參數(shù)可通過自定義公差操作數(shù)：TUDX,TUDY,TDTX,TUTY,TUTZ來控制。對(duì)這些操作數(shù)的討論及使用本文稍后會(huì)做介紹。

那么為何這么做？在Zemax OpticStudio沒有辦法知道每一通路中的透鏡是同一物理透鏡的前提下，內(nèi)置元件傾斜/偏心操作數(shù)將獨(dú)立控制每一元件。因此在進(jìn)行靈敏度分析中，可能對(duì)第一通路進(jìn)行了擾動(dòng)，但這一擾動(dòng)并不會(huì)添加到返回光路中。這樣，光路追跡到返回路徑時(shí)通過的是未經(jīng)傾斜的透鏡。

在Monte Carlo分析中，每一透鏡元件都會(huì)進(jìn)行不同量的傾斜擾動(dòng)，甚至有些傾斜值的符號(hào)也是相反的。這樣的Monte Carlo分析結(jié)果中匯報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)的值是不可信的，不能表征元件的真實(shí)物理擾動(dòng)。

因此，出現(xiàn)的每一個(gè)透鏡前后都需要設(shè)置坐標(biāo)間斷。透鏡的前表面頂點(diǎn)將被設(shè)置為旋轉(zhuǎn)軸，因而任何傾斜都將在這一位置恢復(fù)。在第二通路中，軸點(diǎn)在同樣的位置被初始化。

為設(shè)置雙通系統(tǒng)進(jìn)行公差分析，我們必須首先插入和設(shè)置坐標(biāo)間斷?？梢允謩?dòng)進(jìn)行設(shè)置，也可以使用傾斜/偏心工具進(jìn)行設(shè)置。想要了解更多關(guān)于元件傾斜/偏心的設(shè)置，或者了解坐標(biāo)間斷工作流程的完整討論，請(qǐng)查閱技術(shù)文章：Zemax OpticStudio 如何讓光學(xué)元件繞空間任意一點(diǎn)傾斜。

?同時(shí)選擇表面1與表面2，并選擇傾斜/偏心工具。由于剛開始使用這一工具設(shè)置坐標(biāo)間斷，傾斜值將會(huì)暫時(shí)保持為0。

這時(shí)，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器應(yīng)當(dāng)如下圖所示：

3D布局圖與之前一樣：

設(shè)置返回光路

第一通路的坐標(biāo)間斷已經(jīng)被定義，現(xiàn)在需要對(duì)返回光路的透鏡引入坐標(biāo)間斷來模擬傾斜/偏心。

原理是相同的，但在返回路徑中，必須對(duì)透鏡保持同樣的傾斜量，因此需要定義一些額外的拾取求解。返回光路的模擬通過以下設(shè)置進(jìn)行：

?在鏡面之后添加虛擬面。在虛擬面（表面7）的厚度欄上添加位置求解來定位下一面（下一面將會(huì)是坐標(biāo)間斷）的位置與第一個(gè)坐標(biāo)間斷位置正好相同（從表面：1，長(zhǎng)度：0）。

?在表面屬性對(duì)話框的繪圖選項(xiàng)中進(jìn)行勾選不繪制此面。

?選中第8和第9個(gè)面，然后使用傾斜/偏心工具進(jìn)行如下設(shè)置：

?對(duì)第一個(gè)坐標(biāo)間斷（表面8）的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)為拾取表面1。

?對(duì)坐標(biāo)間斷表面8厚度欄添加位置求解，使下一表面的頂點(diǎn)與透鏡后表面的物理位置重合。

?刪除表面12（虛擬面）并且對(duì)表面11的厚度欄添加位置求解，使IMA面與OBJ面重合。

進(jìn)行到這一步時(shí)，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器如下圖所示。其中的拾取求解和位置求解是模擬雙通系統(tǒng)的必要設(shè)置！

盡管我們添加了許多表面，但布局圖仍舊與初始的布局圖相同。

如何得知在系統(tǒng)建立過程中是否出錯(cuò)？一個(gè)快速的測(cè)試方法是通過改變第一個(gè)坐標(biāo)間斷中的參數(shù)對(duì)透鏡進(jìn)行傾斜/偏心同時(shí)定性的檢查布局圖的變化。

首先確保將OBJ面設(shè)置為全局坐標(biāo)參考：

接下來調(diào)整第一個(gè)坐標(biāo)間斷中的一些參數(shù)，無論輸入什么樣的參數(shù)組合，在3D布局圖中理應(yīng)始終呈現(xiàn)單個(gè)物理透鏡。如果不是這樣，返回光路與去時(shí)光路不能正確對(duì)應(yīng)，需要再次檢查設(shè)置。

請(qǐng)注意，除了布局圖之外，也可通過分類數(shù)據(jù)報(bào)告（分析>報(bào)告）中的全局頂點(diǎn)選項(xiàng)確認(rèn)兩個(gè)通路中透鏡前后表面的頂點(diǎn)位置是否相同。

使用TU**操作數(shù)

與TEDX,TEDY等操作數(shù)相比，TUDX,TUDY,TRTX,TUTY,TUTZ這5個(gè)公差操作數(shù)更適用于一般的用戶自定義傾斜和偏心，最主要的區(qū)別是Zemax OpticStudio不會(huì)自動(dòng)插入特定傾斜/偏心公差分析所需的坐標(biāo)間斷面。這些用戶定義的公差也只在坐標(biāo)間斷表面上進(jìn)行擾動(dòng)。因此如上面已經(jīng)進(jìn)行的操作，設(shè)計(jì)者必須手動(dòng)將需要的坐標(biāo)間斷表面插入到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中。

同其他公差操作數(shù)類似，TU**操作數(shù)也需要在公差數(shù)據(jù)編輯器（TDE）中輸入相應(yīng)的類型來完成對(duì)操作數(shù)的插入。為了展示用戶自定義公差分析，在這里只在TED中簡(jiǎn)單插入幾行TU**操作數(shù)。由于已經(jīng)驗(yàn)證了系統(tǒng)中的一系列坐標(biāo)間斷表面已被正確設(shè)置，我們只對(duì)第一個(gè)坐標(biāo)間斷中的參數(shù)進(jìn)行擾動(dòng)，所有的拾取以及位置求解設(shè)置將對(duì)系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行調(diào)整。因此，對(duì)每一個(gè)操作數(shù)，改變Surf欄中的參數(shù)為1，即第一個(gè)坐標(biāo)間斷表面，此外，分別改變操作數(shù)的最小公差和最大公差為-0.2和0.2。

為使當(dāng)前的示例展示盡量簡(jiǎn)單，并且將關(guān)注點(diǎn)放在用戶自定義公差操作數(shù)的使用上，在TDE中沒有定義額外的公差操作數(shù)。接下來將進(jìn)行以RMS光斑尺寸作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的公差分析，同時(shí)保存Monte Carlo分析文件以確認(rèn)添加隨機(jī)公差后的透鏡位置與我們所設(shè)想的一樣。

運(yùn)行公差分析（公差>公差分析），設(shè)置如下所示：

點(diǎn)擊“確定”。

之后，Zemax OpticStudio將發(fā)出一條警告信息：

發(fā)出該錯(cuò)誤信息是警告用戶Zemax OpticStudio檢測(cè)到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中使用了一個(gè)或多個(gè)求解。通常使用太多求解，如曲率半徑求解或者光線高度求解，都不適用于公差分析。例如，在某個(gè)面的半徑欄中使用F數(shù)求解，那么當(dāng)進(jìn)行公差分析時(shí)這一欄將被作為補(bǔ)償器使用，針對(duì)每一次擾動(dòng)都將調(diào)整表面曲率半徑以滿足該F數(shù)約束條件。

有時(shí)像拾取以及位置求解都是有用的，并且實(shí)際上對(duì)某些系統(tǒng)來說這類求解也是必要的。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)始終仔細(xì)檢查所使用的求解類型，并確認(rèn)特定求解類型下的設(shè)置結(jié)果。

我們可以忽略這個(gè)錯(cuò)誤信息，因?yàn)槲覀兯O(shè)置的求解類型對(duì)于雙通系統(tǒng)的精確公差分析是必要的。

下面來回顧一下保存的蒙特卡羅文件，并觀察Zemax OpticStudio為鏡頭傾斜和偏心所設(shè)置的值。無論選擇何種值組合，雙通鏡頭都應(yīng)不產(chǎn)生變動(dòng)：

總結(jié)

當(dāng)在Zemax OpticStudio序列模式中模擬雙通系統(tǒng)時(shí)，在第二次光線通過時(shí)需要使用一些求解類型來模擬相同的物理鏡頭。此外對(duì)于公差，必須手動(dòng)設(shè)置用來描述傾斜與偏心的坐標(biāo)間斷面，并且不能再使用TE**操作數(shù)。為了確保第一次光線通過時(shí)所執(zhí)行的任何傾斜都能被光線第二次穿過時(shí)的元件所拾取，必須使用用戶定義的操作數(shù)(TUDX, TUDY, TUTX, TUTY, TUTZ)來替換內(nèi)建元件傾斜/偏心公差操作數(shù)。

在對(duì)這類系統(tǒng)進(jìn)行公差分析前后，都需要驗(yàn)證Zemax OpticStudio建立的系統(tǒng)是否代表了真實(shí)情況。畢竟我們不希望看到光線第二次穿過透鏡時(shí)的偏心和傾斜與第一次不同，或者進(jìn)行的公差分析后的結(jié)果不能準(zhǔn)確地模擬擾動(dòng)！