準直擴束的案例
Zemax案例 | 基于Zemax大型階梯軸直徑測量光學系統的設計突破
在實際生產中，測量設備面臨多重技術挑戰：
傳統接觸式測量易造成工件表面損傷，且測量誤差受壓力、溫度等環境因素影響顯著；超聲波測量、偏振成像測量等非接觸方法存在抗干擾能力弱、精度不足等問題；光學成像系統因透鏡裝配偏心、光軸不重合，導致準直性下降，測量誤差難以控制；現有光學系統或結構復雜、或視場過小（如部分系統物方線視場僅60mm），無法適配大型階梯軸測量需求。
隨著高端裝備制造對精度要求的不斷提升，行業迫切需要一款兼具大視場、高精度、高穩定性的光學成像測量系統。
基于Zemax的對稱式雙遠心光路設計
團隊提出的對稱式雙遠心光路-雙CCD測量方法，以平面反射鏡誤差補償為核心創新點，通過Zemax軟件完成光路設計、參數優化與性能仿真，構建了滿足大型階梯軸測量需求的光學系統。
（一）設計原理：雙遠心光路的精度保障
雙遠心光路將物方遠心與像方遠心光路融合，孔徑光闌置于物方和像方共同焦點位置，使物像方主光線均平行于光軸。這一設計從根本上消除了物距、像距變化引起的測量誤差，確保放大倍率恒定[2]，為高精度測量奠定基礎。
針對大型階梯軸尺寸超過CCD光敏面的問題，系統采用對稱式雙CCD布局，如圖1所示：光源經準直擴束系統形成平行光，投射至被測軸表面形成陰影，兩個CCD傳感器分別采集軸的兩側邊緣數據，通過放大濾波、A/D轉換及算法計算，得到實際直徑尺寸。其核心計算公式為：
其中，D0為標準件直徑， 和 為被測軸邊緣像寬，β為系統放大倍率。
圖1 改進前測量系統原理圖
（二）關鍵創新：平面反射鏡的誤差補償作用
為解決光軸不重合、鏡片安裝偏斜等問題，團隊在準直擴束系統與成像系統之間增設平面反射鏡，如圖2所示。
展開 基于zemax的折疊光路的激光擴束系統設計
激光擴束系統是激光干涉儀、激光測距儀、激光雷達等諸多儀器設備的重要組成部分，其光學系統多采用通過倒置的望遠系統，來實現對激光的擴束，其主要作用是壓縮激光束的空間發散角，使擴束后的激光束口徑滿足其他系統的要求。
激光器發出的光束直徑很細小，通常只有零點幾到幾毫米，激光束的這些特性在某些方面是很有用的。然而在一些應用領域中需要的確是寬光束，如激光全息、光信息處理、激光照明、激光測距等。例如在激光干涉儀的應用中，它要照射比激光束口徑大得多的被測物體，然后通過光束的干涉來實現測量。又如在激光的全息應用中，它要照射比激光束口徑大得多的全息記錄介質，以實現信息的記錄和重現。因此需要使用激光擴束系統來實現激光束的準直擴束。
本文設計的是一種帶折疊光路的激光擴束系統，可以有效節省系統空間。
設計要求：EPD=10mm、f2/f1=10、波長1064nm、輸入輸出均為準直光、系統總長<450mm、使用兩個平面鏡折疊光路、波前差、。
設計步驟
1、 系統參數設定
孔徑類型選擇入瞳直徑，孔徑值輸入10，；波長選擇ND：YAG，或者直接輸入1.064，其它保持系統默認。
2、 建立系統結構
在鏡頭數據編輯器中輸入如下初始結構數值。
設置變量優化初始結構。
查看布局圖和標準點列圖。
添加反射鏡，第一塊反射鏡X傾斜-90°，第二塊反射鏡X傾斜90°。
設置雙膠合透鏡，使光路平行出射。
進一步優化結構參數，此時針對平行光優化評價函數要選擇波前。
查看3D布局圖和波前圖。
3、 控制系統總長
打開評價函數編輯器，插入空行，并改為OPLT來控制總長，設置如下。
最后再根據需求修改鏡片尺寸等參數。
如果有相關需要,歡迎通過公眾號"320科技工作室"和我們聯絡
展開 Ansys ZEMAX標準成像+照明光學設計課程邀請函（2023年6月12-17日）
3、光學系統設計實例，包括經典成像系統和無焦準直擴束系統的設計，從初始結構設計到最終系統分析、優化全過程。從簡單的單透鏡、雙膠合設計到復雜的多重結構，變焦鏡頭、掃描鏡頭設計。
4、Zemax的優化技巧探討，設定評價函數及評估系統性能的方法，優化操作函數的選擇，玻璃材料的優化方法。
5、衍射光學理論，衍射極限系統分析，MTF傳遞函數定義及作為評價標準時對優化操作的要求。結合雙高斯照相鏡頭實例進行MTF優化設計，像模擬功能實現對成像的實時模擬。
6、新功能復合表面功能介紹，在序列模式中通過疊加多個表面的Sag分布來定義整體的面型，也打破了TEZI，TEXI，TIRR等操作數之前版本中只針對特定表面公差分析的局限。
7、非旋轉對稱系統、反射鏡系統在Zemax中的模擬。使用坐標斷點精確模擬系統偏心旋轉的方法。結合掃描系統和離軸三反系統實例精細講解分析。
8、多重組態介紹及多重組態系統案例分析，變焦系統、變倍系統案例分析，消熱差分析。
9、光學系統公差分析，模擬實際加工及裝配中產生的誤差，預測系統的可制造性能以及能否達到設計要求的標準。公差分析和操作詳細步驟，蒙特卡羅結果分析及闡釋。
ZEMAX照明設計課程
☆本課程為Zemax照明學習課程，針對工業及特殊照明產品的設計優化而設定的，涵蓋了室內外照明燈具、工業照明等方面的建模設計和分析優化，主要內容包括：
1、光源的精確建立、復雜物體的各種構建方式、探測器的建立和分析。
2、分光案例分析，散射模型分析，膜層的光學屬性設定，投影系統中X棱鏡的模擬。
3、馬克斯托夫望遠鏡的雜散光分析案例，成像鏡頭鬼影分析等高級光路分析。
4、拋物面反光杯的計算及光研技術團隊編寫的鱗甲反光杯ZPL實例剖析。
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ZEMAX 高級實戰課程
☆本課程回顧并延伸了標準課程的設計思想，進一步加大了設計實例的深入研究，涵蓋了更加復雜成像的設計和分析，包括如何根據需求設定不同的求解類型，如何選用局部和全局優化，利用Image Simulation功能進行實際像分析。
展開 
用于光子集成電路的集成微透鏡和光柵耦合器
添加微透鏡為從光柵中提取的光束留出了一些空間 ，以便于其擴束并朝向光纖準直。擴束和準直依賴于光和大于波長尺度的特征結構進行宏觀相互作用。這可以通過 OpticStudio 中的物理光學傳播 （POP） 進行完全模擬。POP 使用標量衍射理論在宏觀系統中傳播標量場。
對于 300μm 硅層頂部帶有400μm曲率半徑的微透鏡的光柵耦合器，ZBF 平面旋轉 5 度并耦合到 13μm 束腰的光纖中，這表示光纖具有擴展的纖芯。然后，可以通過 Universal Plot 工具對 coordinate breaks執行掃描來評估 fiber alignment對耦合效率的影響。
Zemax 提供耦合效率。為了更好地可視化，從Universal Plot結果中提取數據，歸一化并轉換為dB( 10xlog10(Coupling Efficiency) )。
上圖顯示，如果沒有微透鏡，當光纖偏離最佳位置時，耦合效率下降得更快。使用 3dB 損耗作為參考來估計帶寬，我們看到在使用微透鏡時，對準容差會放寬，這是意料之中的，因為光束在被微透鏡準直之前會擴束。
系統損耗計算 - “OUT” 方向
對于out方向，損耗在 POP 分析窗口的耦合結果上得到。耦合數是總的系統損耗與輸出場（微透鏡之后）和光纖模式（在 POP 分析窗口的光纖數據選項卡中選擇）之間的重疊積分的乘積。因此，對于這個例子：0.593864 × 0.66287 = 0.39365 ~ 40%。
第 3 步：使用 Zemax 進行宏觀設計（“IN”方向）
打開文件 Microlens_IN.zprj。在 POP 的 Display 選項卡上，應勾選"Save Output Beam To"。
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添加微透鏡為從光柵中提取的光束留出了一些空間 ，以便于其擴束并朝向光纖準直。擴束和準直依賴于光和大于波長尺度的特征結構進行宏觀相互作用。這可以通過 OpticStudio 中的物理光學傳播 （POP） 進行完全模擬。POP 使用標量衍射理論在宏觀系統中傳播標量場。
對于 300μm 硅層頂部帶有400μm曲率半徑的微透鏡的光柵耦合器，ZBF 平面旋轉 5 度并耦合到 13μm 束腰的光纖中，這表示光纖具有擴展的纖芯。然后，可以通過 Universal Plot 工具對 coordinate breaks執行掃描來評估 fiber alignment對耦合效率的影響。
Zemax 提供耦合效率。為了更好地可視化，從Universal Plot結果中提取數據，歸一化并轉換為dB( 10xlog10(Coupling Efficiency) )。
上圖顯示，如果沒有微透鏡，當光纖偏離最佳位置時，耦合效率下降得更快。使用 3dB 損耗作為參考來估計帶寬，我們看到在使用微透鏡時，對準容差會放寬，這是意料之中的，因為光束在被微透鏡準直之前會擴束。
系統損耗計算 - “OUT” 方向
對于out方向，損耗在 POP 分析窗口的耦合結果上得到。耦合數是總的系統損耗與輸出場（微透鏡之后）和光纖模式（在 POP 分析窗口的光纖數據選項卡中選擇）之間的重疊積分的乘積。因此，對于這個例子：0.593864 × 0.66287 = 0.39365 ~ 40%。
第 3 步：使用 Zemax 進行宏觀設計（“IN”方向）
打開文件 Microlens_IN.zprj。
在 POP 的 Display 選項卡上，應勾選"Save Output Beam To"。
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