ZEMAX與光學設計案例:雷射擴束系統詳細設計與公差分析(一)

初入光學設計時間不久，也是靜水流深光學第3期提高班學員，平時也經常交流，最近應靜水流深光學工作室的Still_Water邀請寫一篇稿子，也不好意思拒絕。雖然能力有限，但是還是整理了下平時工作中的一個簡單設計，分兩帖，一帖設計，一帖公差分析。來和大家分享一下，多有不足，還請各位朋友交流指導。

  該設計是整機系統中的一部分，接到的任務是對一個準直的雷射進行10倍擴束，老闆也不是很清楚指標，但是和雷射部的人員溝通下來，雷射器出射的是口徑2mm的高斯光，雷射器內部有一部分整形準直。後面再進行10倍擴束的目的主要是壓縮視場角度，雷射器出射的雷射發散角度是3.5mrad（大概在0.2°），發散角度太大，需要壓縮到0.5mrad以內。

     對於這樣的解釋也就基本上了解了，對於我光學設計的輸入就明確了，口徑2mm，視場0.2°，另外波長是532nm，設計時候壓縮到0.35mrad，十倍擴束壓縮發散角，為加工和機械裝配留餘量。

 

（1）系統參數設置

ZEMAX設計三部曲，孔徑，視場，波段，靜水流深課程中都有詳細接收，抱歉，平時經常請教他們，在這裡拍個馬屁，做個廣告。

孔徑設置中，直接設置入瞳直徑為2mm，至於切趾類型（可能分布類型更好理解），高斯雷射可以選擇設置均勻的，也可以選擇高斯，做下來區別不是很大。另外，由於這個設計師無焦系統，所以需要選擇無焦像空間。當然有人喜歡在最後一個面加入Paraxial近軸面轉化為有焦系統，不做評述。

視場設置，點擊視場，這設置就比較簡單的了，點，點，點就OK了。這裡和老師們上課講的有點區別，就是視場設置歸一化正常是0，0.707，1。新版本軟體中則是0，0.5，1。不知道有什麼區別，大佬有知道的可以和我說下，謝謝！

    波段設置，也和視場一樣，沒技術含量了。

（2）系統參數構建與設計

擴束系統其實很簡單，構型就是伽利略望遠鏡，在ZEMAX中直接用兩個平板來搭建一個初始結構，然後進行優化分析。

這是二維圖，然後添加一些操作數，進行優化邊界控制。首先，由於入瞳口徑是2mm，十倍擴束後，出瞳大小是20mm，用操作數EXPD來控制出瞳為20mm；其次，利用MNCA來控制住兩個平板的間隔不要小於0，因為這個值是前後兩個透鏡焦距之差（高斯光學下），所以需要設置變量。設置好後，變量就是兩個透鏡前後兩個面和透鏡間隔，然後進行優化。優化操作數如下所示：

   點擊自動優化之後，幾秒鐘就得到了一個結果，如下所示，雖然看著結果點列圖完全在艾裡斑以內了，已經是衍射極限了，但是可以看出明顯有些問題，就是太長，也就沒有直接把這個結構給老闆看了，不然估計得挨批了。可以看出兩個鏡子的間隔是180mm左右，第一個透鏡才2mm。

（3）減小系統長度

減小系統長度在ZEMAX中優化其實比較簡單，就是加入優化操作數控制一下就可以了。其實從理論是去分析下，優化更有針對性。由於是10倍擴束系統，那麼後組透鏡的焦距也是前組的10倍，那麼其實控制前組焦距在合理範圍內也就可以了。直接使用TTOR操作數應該也可以，但是需要考慮第一個面和第五個面，這兩個不用計算進去，沒有這個操作數。聯繫了加工廠商，得知透鏡把F數控制在5以內，那樣好比對樣板。但是不要太小，大於1.5左右就可以了。

這樣計算了下，前組透鏡的焦距控制在10mm以內，組焦距越大，筒長也就越長，就選擇控制在10mm以內，優化操作數如下所示。

優化之後得到了如下的系統參數，感覺要求差不多，但是諮詢各個大佬之後，需要了解之後得知兩點：第一，需要了解整體設備的功用，再分析系統，了解下來，一句話就是輸入時高斯光，輸出也是高斯光，只是發散角壓縮，反應到光學系統就是傳遞函數要接近1，點要在艾裡斑以內，目前軸外彗差大，光斑肯定變了，不能滿足要求；第二，整體設備體積緊湊，希望進一步壓縮體積。

（4）繼續壓縮筒長，優化像質

前透鏡是負的，主要是發散作用，產生較大的正球差，後組透鏡是正的，產生正球差彌補前面的。之所以像質不佳，其實就是後組彌補的球差不夠，那麼將後組透鏡分離，變為兩個透鏡進行彌補，並且再優化。此時需要控制的就是後組兩個透鏡間隔，如下操作數所示。

在分析圖裡面，也可看出上面分析的沒有問題，看大佬都喜歡看賽德爾係數，自我感覺經驗不足，多看這個圖。

另外，控制系統長度，和前面對長度分析的一致，這裡直接用操作數控制前後組透鏡的間隔，讓ZEMAX去計算，系統長度明顯降下來，但是像質會變差一點，但是都在艾裡斑以內，具體操作數如下圖所示。

（5）套樣板

      這個就比較簡單了，聯繫你的加工廠商，要來樣板文件找接近的，然後修改，修改一個局部優化一次，最後用間隔來優化補償即可。當然可以直接導入ZEMAX，讓它去完成，這裡就不說了。

最後感謝下這個平臺，學習了不少！

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