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Tolerance的Criterion怎麼計算的,如何確認計算細節?

摘要:這篇文章介紹一些簡單的方法,用來確認Zemax OpticStudio如何計算這些公差Criterion。當使用者不太確定某個Criterion是怎麼來的時候,這些技巧會非常有用。 簡介Zemax OpticStudio在公差分析方面有完整的功能,過程也有清楚的數學說明,但與公差分析的目標相比 (最終要知道良率或敏感度),其執行過程卻有龐大的細節。這篇文章將整理幾個常用的確認細節的方法,不同的情境有不同的方法,我們共有以下主題:1.    當我們說 “計算Criterion” 時,Zemax OpticStudio做了什麼2.    簡介Criterion種類3.    說明Diff. MTF Avg./Tan./Sag.的計算方式4.    使用 “SAVE” 公差指令紀錄Sensitivity計算過程5.    利用Monte Carlo存檔瞭解公差擾動如何被執行6.    如何表列所有Monte Carlo檔案的亂數參數在繼續往下閱讀之前,建議閱讀者可以先閱讀此知識庫中相關的基礎公差分析文章,例如下面幾篇文章:How to perform a sequential tolerance analysis How to analyze your tolerance results 當我們說 “計算Criterion” 時,Zemax OpticStudio做了什麼以下的敘述主要關乎Criterion的計算,不管我們是做Sensitivity分析或是Monte Carlo分析,都適用。Criterion首先我們要花一點時間說明Criterion本身,才說明優化等其他動作。在公差分析時,我們所做的事情,就是重複擾動指定參數 (例如元件偏心、傾斜),並計算在該條件下的 “Criterion” 是多少,並與原始設計或格相比分析。這個Criterion可以是易懂的物理參數,例如某個視場 (Field)、某個波長下的Spot Radius或Tangential MTF。也可以是多個相似的參數用某種方式平均,例如Tangential MTF與Sagittal MTF的平均,或是多個視場下的MTF平均 (通常是RMS)。甚至Criterion可以是經由複雜計算而來,不具實際物理意義。OpticStudio中有許多內建的Criterion,也提供完整的自訂功能讓使用者設計自訂

序列模式模擬Laser Diode (雷射二極體) 光源

前言雷射二極體 (Laser Diode,以下簡稱LD) 由於體積小、同調性、單色等優點,十年來逐漸被應用在各種軍事或商業產品中。無論哪種LD,其結構中一定都包含一個主動層,雷射光便是從主動層中通過激發與共振的過程後出光。雖然主動層也有材料、折射率等各種考量,但對於光學工程師來說,我們僅關心其出光的型態如何在OpticStudio中模擬。跟一般雷射不同的是,LD的光束通常發散角度很大。對於一些主動層開口在側面的類型來說,光束甚至不是圓形,而是橢圓的型態,且X與Y方向上焦點位置不同,即所謂像散 (Astigmatism)  的特性。雷射的出光形狀以及強度等結構,會跟主動層的設計有很大關係,雖然從波導理論的角度來看,我們知道矩形的主動層並不會產生完美的高斯光束,但一般LD其光型結構跟高斯光束通常很接近 (能量較弱兩側略為可能不同),因此常見的方法是用高斯光束來模擬LD,這也是本文要使用的方式。以下我們將說明在已知X與Y方向散角下,如何以光線方式模擬高斯強度分布、橢圓光束、以及像散 (Astigmatism) 等特性。注意1:此文章將說明如何在序列模式中用 “光線” 描述雷射光束。由於雷射為高同調性光源,光束在傳播上干涉、繞射的效應強,而光線模型對於繞射效應的模擬是有限的,非所有狀況適用。當繞射效應的影響很重要時,應該採用物理光學傳播 (POP) 來模擬該系統。以下是幾種常見,可能光線模型不適用,須小心對待的狀況。1. 傳播距離長。雷射在瑞利距 (Rayleigh Range) 前後的行為可能有很大差異,無法用光線精確預測。2. 光束在系統中有被明顯遮蔽。同調光源在被遮蔽時,在孔徑邊緣會有強烈的繞射,而讓光線後續傳播中,產生與光線預測不同的結果。3. 尋找最小光斑位置。光線預測的最小光斑位置與繞射傳播預測的位置可能會有不同。聚焦時的光點大小預測可能也會不同。注意2:此方法假設光束為單一模態,也就是高斯模態,超過一個模態以上,須改用物理光學傳播模擬。 不考慮Astigmatism的模擬方法沒有Astigmatism特性時,我們假設雷射二極體是點光源,帶有高斯的強度分布,以及指定散角的橢圓分布。現在讓我們先開新檔案,然後把物距改為100,因為現在雷射是從物面出發的點光源。讓我們先做一些簡單計算假設我們的二極體雷射在兩個方向上散角如下:X方向的FWHM為25°Y方向的FWHM為

斜切光纖的模擬

此文章包含以下內容:* 前言* 範例1:Ball coupling* 範例2:Conic interconnect前言在計算光纖耦合時,我們事實上無法計算光在單模光纖內的傳播,只能計算雷射經過系統後,有多少能量可以順利進入到單模光纖並在內部穩定前進而 (理想上) 不耗損能量,也就是耦合的效率。無法計算光在單模光纖內部行為的原因是單模光纖的尺度接近耦合光的波長,屬於波導而不是單純的光導管,此時光線或自由空間的純量傳播 (POP) 計算都不正確。也因此在計算耦合效率時,我們需要先知道:符合什麼條件的光才能順利進入波導傳播。對於口徑較大的多模光纖來說,這個條件是每一條光線的入射角度必須在指定NA之內。但對於單模光纖,這個條件則是整個光束 (beam) 在單模光纖端口的複數振幅分布,也就是模態,必須符合一定分佈。當入射光到達此光纖入口切平面時,複數振幅分布中不符合該模態的部分會在光纖中傳播時消逝,而無法到達另一端。以未斜切的單模光纖來說,這個可傳播模態即是高斯分布。但在實務上,常常我們會考慮讓光纖端面斜切,這有許多好處,例如反射光不會回到雷射造成系統不穩。當光纖有斜切的時候,可接受的入射模態就會改變。嚴格意義上來說,必須使用專門的軟體求解,例如OptiWave。當這類軟體計算出一個特定複數振幅分布後,即可以輸入OpticStudio模擬並優化耦合透鏡。這是最理想的狀況。在 “如何匯入波導模態資料到 Zemax 中 (How to Get Real Waveguide Mode Data Into Zemax)” 這篇知識庫文章提供了在 OptiWave 軟體中計算出有斜切跟沒有斜切的SMF-28光纖模態,並示範怎麼匯入OpticStudio進行耦合效率計算。而當我們沒有任何方式可以取得斜切光纖的模態時,則需要一些近似計算。光纖端面有斜切時,對入射的光線來說會有稜鏡的效果,也就是光束進入光纖時會被折射,不再是正向進入光纖,造成耦合效率下降。理論上,只要我們能調整整個光纖的角度,讓光束折射後,正好是正向進入光纖,就可以重新提高耦合效率。以下我們將舉例說明如何用一個Tilted面以及像面的搭配來模擬斜切的稜鏡效應,並且說明如何加入光纖的旋轉來補償效率的下降。範例1:Ball coupling以下讓我們開啟範例檔:\Documents\Zemax\Samples\Sequentia

模擬同調長度(Coherence Length)的另一種方式

在OpticStudio中,我們有下面的同調長度模擬功能。這個功能的基本原理是依據相應頻譜,亂數擾動每一條光線的波長來達到考慮頻譜的目的。但在這篇文章說,我們要要紹另一種方法。這個方法假設不同波長的光線無法互相干涉。由於光波的頻率非常高,高過幾乎所有sensor能偵測的極限,這個假設基本上可以說是正確的。基於這個假設,我們可以得到一個結論,就是對於一個有多波長的光源,其干涉結果的計算其實就單純是每個波長各自把干涉圖案算出來後,直接把照度用對應權重相加。下面有對於不同波長為什麼不同互相干涉,用比較數學的形式去解釋。 目前沒有工具可以分別計算個別波長的干涉圖形並相加,因此我們要利用MATLAB透過ZOS-API來自動化這一過程。各位可以打開附件的麥克森干涉儀的檔案如下。注意光源的Coherence Length是設為0,這邊我們不使用內建功能,設為0代表關閉。首先在允許OpticStudio被連結下面螢光筆圈起來的地方需要使用者自己設定。detnum代表你要觀察繞射圖形的Detector Rectangle的物件編號。 wavenum是光源的參數Wavenumber,建議是明確指定對應的波長編號,而不要用預設0。   n_smooth的使用方式跟Detector Viewer中的同名參數一樣。   wave_FWHM是高斯分布的半高全寬,我們這裡假設光源頻譜是高斯分布。一般來說這對於LED或LD都是大致正確的。 wave_center是高斯分布的中心波長。注意因為高斯分布其實是在頻率空間,所以在波長空間中劃出來看起來會像是有點歪的樣子。 spect_samp是你想要取樣頻譜的點數量。取越多越準確,但是越慢。 以下是模擬結果。 Enjoy!

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