概要

本文解釋了:

?如何設(shè)置一個雙通系統(tǒng)，以實現(xiàn)對元件傾斜/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。

?如何驗證雙通系統(tǒng)已被充分建模并反映實際系統(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表面到下一個特定表面依次進行的，對雙通系統(tǒng)建模要求光學(xué)系統(tǒng)被建模兩次（一個通道一次）。確保返回光束恰好對應(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)擾動不是完全獨立的。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傾斜，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)實情況不符。

要對系統(tǒng)建模并進行公差分析，需對坐標(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

首先，打開本文附帶的Zemax OpticStudio鏡頭文件:

Double Pass Tolerance Test File.ZMX

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

在IMA面之前插入一個表面，并將其玻璃類型轉(zhuǎn)換為MIRROR。選擇1和2兩個表面并將它們復(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，使光路返回時光線經(jīng)過的透鏡與光路去時經(jīng)過的透鏡相重疊，并確保IMA平面與OBJ點重合。

半徑拾取的設(shè)置

需要注意的是，盡管在表面序號上表面4在表面5之前，但實際上表面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。可以在注釋欄中添加注釋來區(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)單個透鏡：

公差分析設(shè)置

為了進行公差分析，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，可以自動對元件進行擾動。但是對于雙通系統(tǒng)，元件擾動的公差分析需要在LDE（鏡頭數(shù)據(jù)編輯器）中進行一些改動。這是因為Zemax OpticStudio不會知道第二個通路中的透鏡應(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)間斷需要手動輸入到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中，要進行公差擾動的坐標(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。對這些操作數(shù)的討論及使用本文稍后會做介紹。

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)將獨立控制每一元件。因此在進行靈敏度分析中，可能對第一通路進行了擾動，但這一擾動并不會添加到返回光路中。這樣，光路追跡到返回路徑時通過的是未經(jīng)傾斜的透鏡。

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

因此，出現(xiàn)的每一個透鏡前后都需要設(shè)置坐標(biāo)間斷。透鏡的前表面頂點將被設(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，軸點在同樣的位置被初始化。

為設(shè)置雙通系統(tǒng)進行公差分析，我們必須首先插入和設(shè)置坐標(biāo)間斷。可以手動進行設(shè)置，也可以使用傾斜/偏心工具進行設(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，請查閱技術(shù)文章：Zemax OpticStudio 如何讓光學(xué)元件繞空間任意一點傾斜。

?同時選擇表面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，傾斜值將會暫時保持為0。

這時，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（下一面將會是坐標(biāo)間斷）的位置與第一個坐標(biāo)間斷位置正好相同（從表面：1，長度：0）。

?在表面屬性對話框的繪圖選項中進行勾選不繪制此面。

?選中第8和第9個面，然后使用傾斜/偏心工具進行如下設(shè)置：

?對第一個坐標(biāo)間斷（表面8）的參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)為拾取表面1。

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

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

進行到這一步時，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？一個快速的測試方法是通過改變第一個坐標(biāo)間斷中的參數(shù)對透鏡進行傾斜/偏心同時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)單個物理透鏡。如果不是這樣，返回光路與去時光路不能正確對應(yīng)，需要再次檢查設(shè)置。

請注意，除了布局圖之外，也可通過分類數(shù)據(jù)報告（分析>報告）中的全局頂點選項確認(rèn)兩個通路中透鏡前后表面的頂點位置是否相同。

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不會自動插入特定傾斜/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)間斷表面上進行擾動。因此如上面已經(jīng)進行的操作，設(shè)計者必須手動將需要的坐標(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中簡單插入幾行TU**操作數(shù)。由于已經(jīng)驗證了系統(tǒng)中的一系列坐標(biāo)間斷表面已被正確設(shè)置，我們只對第一個坐標(biāo)間斷中的參數(shù)進行擾動，所有的拾取以及位置求解設(shè)置將對系統(tǒng)的其余部分進行調(diào)整。因此，對每一個操作數(shù)，改變Surf欄中的參數(shù)為1，即第一個坐標(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單，并且將關(guān)注點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)。接下來將進行以RMS光斑尺寸作為評價標(biāo)準(zhǔn)的公差分析，同時保存Monte Carlo分析文件以確認(rèn)添加隨機公差后的透鏡位置與我們所設(shè)想的一樣。

運行公差分析（公差>公差分析），設(shè)置如下所示：

點擊“確定”。

之后，Zemax OpticStudio將發(fā)出一條警告信息：

發(fā)出該錯誤信息是警告用戶Zemax OpticStudio檢測到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中使用了一個或多個求解。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，在某個面的半徑欄中使用F數(shù)求解，那么當(dāng)進行公差分析時這一欄將被作為補償器使用，針對每一次擾動都將調(diào)整表面曲率半徑以滿足該F數(shù)約束條件。

有時像拾取以及位置求解都是有用的，并且實際上對某些系統(tǒng)來說這類求解也是必要的。設(shè)計者應(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。

我們可以忽略這個錯誤信息，因為我們所設(shè)置的求解類型對于雙通系統(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：

總結(jié)

當(dāng)在Zemax OpticStudio序列模式中模擬雙通系統(tǒng)時，在第二次光線通過時需要使用一些求解類型來模擬相同的物理鏡頭。此外對于公差，必須手動設(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所執(zhí)行的任何傾斜都能被光線第二次穿過時的元件所拾取，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)。

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