ZEMAX实例学习1:单透镜(a singlet)

ZEMAX实例学习1:单透镜(a singlet)ZEMAX学习实例_zemax单lens聚焦优化函数

在这个实例专题中将所学习到的操作例子记录在此,仅供学习,若有侵权,请联系删除!
课程设计要求:
课程
1
:单透镜(a singlet
你将要学到的:开始
ZEMAX
,输入波长和镜片数据,生成光线特性曲线(
ray fan
),光程差曲线(OPD
),和点列图(
Spot diagram
),确定厚度求解方法和变量,进
行简单的优化。
假设需要设计一个 F/4 的镜片,焦距为 100mm,在轴上可见光谱范围内,用 BK7 玻璃。
操作流程:
1、运行
ZEMAX

ZEMAX
主屏幕会显示镜片数据编辑(
LDE)
。LDE 由多行和多列组成,类似于电子表格。半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最
多的,其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。 

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2、一般输入三个参数(波长、视场、入瞳直径或者F#等)。
开始,我们先为我们的系统输入波长。这不一定要先完成,我们只不过现在选中了这一步。在主屏幕菜单
条上,选择“系统(
System)”菜单下的“波长(Wavelengths)”。
屏幕中间会弹出一个“波长数据(Wavelength Data)”对话框。
ZEMAX
中有许多这样的对话框,用来输入
数据和提供你选择。用鼠标在第二和第三行的“使用(
Use)”上单击一下,将会增加两个波长使总数成为三。现在,
在第一个“波长”行中输入 486,这是氢(
Hydrogen)F 谱线的波长,单位为微米。
ZEMAX 全部使用微米作为波长的单位。
现在,在第二行的波长列中输入 587,最后在第三行输入 656。这就

ZEMAX
中所有有关输入数据的操作,转到适当的区域,然后键入数据。在屏幕的最右边,你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长,当前为 486 微米。在主波长指示器的第二行上单击,指示器下移到 587 的 位置。
主波长用来计算近轴参数,如焦距,放大率等等。
ZEMAX 一般使用um作为波长的单位
,“权重(
Weight)” 这一列用在优化上,以及计算波长权重数据如 RMS 点尺寸和 STREHL 率。现在让所有的权
为 1.0,单击
OK
保存所做的改变,然后退出波长数据对话框。
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现在我们需要为镜片定义一个孔径。这可以使
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在处理其他的事情上,知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个 F/4 镜头(F(光圈值)=f/D,f为焦距,D为镜片孔径),我们需要一个 25mm 的孔径(100mm 的焦距除 F/4)。设置这个孔径值,选择“系统”中
的“通常(
General)”菜单项,出现“通常数据(
General Data)”对话框,单击“孔径值(
Aper Value)”一格,
输入一个值:25。
注意孔径类型缺省时为“入瞳直径(Entrance Pupil Diameter)”,也可选择其他类型的孔径设置。
除此之外,还要加入一些重要的表面数据。
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模型光学系统使用一系列的表面,每一个面有一个曲率半径,
厚度(到下一个面的轴上距离),和玻璃。一些表面也可有其他的数据,我们以后将会讨论到。

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注意在 LDE 中显示的有三个面。物平面,在左边以 OBJ 表示;光阑面,以 STO 表示;还有像平面,以 IMA 表示。
对于我们的单透镜来
说,我们共需要四个面:物平面,前镜面(同时也是光阑面),后镜面,和像平面。要插入第四个面,只需移动光
标到像平面(最后一个面)的“无穷(
Infinity)”之上,按 INSERT 键。这将会在那一行插入一个新的面,并将像平面往下移。新的面被标为第 2 面。注意物体所在面为第 0 面,然后才是第 1(标上 STO 是因为它是光阑面),第 2

 和第 3 面(标作 IMA)。

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现在我们将要输入所要使用的玻璃。移动光标到第一面的“玻璃(
Glass)”列,即在左边被标作 STO 的面。输
入“BK7”并敲回车键。
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有一个非常广泛的玻璃目录可用。所有我们需要做的仅仅是决定使用“
BK7”,ZEMAX 会去查找我们所定的玻璃并计算每一个波长的系数。
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由于我们需要的孔径是 25mm,合理的镜片厚度是 4mm。移动光标到第 1 面(我们刚才输入了 BK7 的地方)的厚度列并输入“4”。注意缺省的单位是毫米。其他的单位(分米,英寸,和米)也可以。
现在,我们需要为镜片输入每一
面的曲率半径值。让我们设想一下,
前面和后面的半径分别是 100 和
-100,在第 1(
STO)和 2 面中分别输
入这些值。符号约定为:如果曲率中
心在镜片的右边为正,在左边为负。
这些符号(
+100,-100)会产生一个
等凸的镜片。我们还需要在镜片焦点 处设置像平面的位置,所以要输入一 个 100 的值,作为第 2 面的厚度。
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根据上述操作模拟出来的结果。
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我们怎样才能知道这个镜片是否
好呢?也许在镜片设计中,最有用的
判断工具是光线特性曲线图。要产生
一幅光线特性曲线图,先选择“分析

Analysis)”菜单,然后选择“图
(Fan)”菜单,再选择“光线像差(Ray Aberration)”。你将会看到光线特性 曲线图在一个小窗口显示出来(如果看到任何出错信息,退回并确认是否所有你所输入的数据与所描述的是一致 的)。
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光线特性曲线图如图所示。图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差(指的是以主光线为基准)。 左边的图形中以“EY”代替εY。这是 Y 方向的像差,有时也叫做子午的,或 YZ 面的。右图以“EX”代替εX,有 时也叫做弧矢的,或 XZ 面的。此光学特性曲线表示出了一个明显的设计错误,光线特性曲线通过原点的倾斜表示有离焦现象存在。

为了纠正离焦,我们用在镜片的后面的 Solve 来进行。SOLVES(参考
“SOLVES”这一章)动态地调整特定的
镜片数据。为了将像平面设置在近轴焦
点上,在第 2 面的厚度上双击,弹出
SOLVE 对话框,它只简单地显示“固定

Fixed)”。在下拉框上单击,将 SOLVE
类型改变为“边缘光高(
Marginal Ray
Height)”,然后单击 OK。
用这样的求 解办法将会调整厚度使像面上的边缘
光线高度为 0 ,即是近轴焦点。
注意第 2 面的厚度会自动地调整到约96mm。
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现在,我们需要更新光线特性曲线图看其变化。从光线特性曲线窗口菜单,单击“更新(Update)”(在窗口任何地方 双击也可更新),其光线特性曲线图如图所示。现在,离焦已消失,主要的像差是球差。注意图中比例的改变。 ZEMAX实例学习1:单透镜(a singlet)

这是不是所能得到的最佳的设计呢?我们下面就要用优化来完成本设计的工作。首先,我们将告诉
ZEMAX
,哪个参量在设计中是自由的(这些被称为变量),然后我们将告诉它设计的要求(这些被称为目标(Targets)或操作
数(Operands))。有三个变量可以供我们利用,它们是:镜片的前、后曲率,和第二面的厚度,这些变量可以用离
焦来补偿球差。将光标移到第1面的半径这一列,然后按Ctrl-Z(如果你喜欢用菜单界面,单击“半径”,然后选择
SOLVES,再从LDE菜单中选变量“Variable toggle”;你也可以在“半径”上双击,得到一个下拉的选择列,其中
包括了变量状态)。注意,出现“V”表示一个可变的参量。按Ctrl-Z与菜单的功能相同。再在第2面半径以及第2面
的厚度上设置变化的标志。第2面的厚度变化时,它的值会复盖(
overrides)先前用求解定出的值。
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现在我们需要为镜片定义一个“评价函数(
Merit Function)”。评价函数从数学理念上指出什么样的镜片是好
的。
评价函数就象是高尔夫球赛的得分,分数越低越好。一个理想的镜头(对于一个指定的应用)它的评价函数的值应为0。
为了定义评价函数,从主菜单中选择“编辑(Editors)”菜单下的“评价函数”(,或者快捷键F6)。出现一个与LDE类似的电子表格。从这个新的窗口的菜单条上,选择“工具(Tools)”菜单下的“缺省评价函数”。再在出现的对话框中,点击 Reset,然后OK。
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你最终将会明白这些操作的功能,但现在你只需接受缺省值。ZEMAX很擅长于决定一个和合理的缺
省评价函数。 
ZEMAX
已经为你构建了一个缺省的评价函数,它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追迹光线组成。但这并不
够,因为除了使弥散斑尺寸最小外,我们还需要使镜头的焦距为100mm。如不限定镜头的焦距,
ZEMAX
会很快地发现,
设定焦距无穷大(镜片相当于一个窗玻璃)会得到很好的波前像差。
在第一行中的任何一处单击鼠标,使光标移动到评价函数编辑的第一行,按下INSERT键插入新的一行。现在,
在“TYPE”列下,输入“EFFL”然后按回车。此操作数控制有效焦距。移动光标到“Target”列,输入“100”然
后按回车。其“权重(
Weight)”输入一个值:1。这样我们就完成了评价函数的定义,你可以在窗口的左上角双击,
将评价函数编辑器从屏幕中移走,评价函数不会丢失,ZEMAX会自动将它保存。
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现在从主菜单条中选择“工具”菜单下的“最佳化(
Optimization)”,会
显示最佳化工具对话框。注意“自动更
新(
Auto Update)”复选框。如果这个
选项被选中,屏幕上当前所显示的窗口(如光学特性曲线图)会按最佳化过程
中镜头的改变而被自动更新。在该复选
框中单击选择自动更新,然后单击“自
动(
Automatic)”,
ZEMAX
会很快地减少
评价函数。单击“退出(
Exit)”关闭
最佳化对话框。
最佳化的结果是使镜片弯曲。结果
所得出的镜片曲率使得焦距大致为
100mm,并且使这个简单的系统具有了
一个尽可能小的RMS波前差。
ZEMAX也许 不会很确切地将焦距优化100mm,因为EFFL限制是一个被看作与其他的像差一样的“权重”目标。
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我们现在可以用光线特性曲线图 来研究计算结果。最佳化的设计结果 的最大的像差约为200微米,如图所示。
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衡量光学性能的另一个方法的是
产生一个点列图。为了得到点列图,
选择“分析”菜单下的“点列图”选
项,然后选其中的“标准(Standard)”。
点列图将会显示在另一个窗口中。此
点列图的弥散大小是400微米。 作为
比较,艾利(Airy)衍射斑的大小粗略地约为 6微米。
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另一个有用的判断工具是OPD图。这是以光瞳坐标为函数的光程差(以 主光线为基准)分布图,它的光瞳坐 标与光学特性曲线图中相同。为了看 OPD图,选择“分析”菜单下的“图”, 再选择“光程(Optical Path)”。你可以参考图中的OPD图。这个系统中有大约20个波长的波像差,大部分为 焦面上的,球差,色球差和轴上色差。ZEMAX实例学习1:单透镜(a singlet)

你大概会意识到,
当波像差约等于或小于四分之一波长时, 镜片要考虑“衍射极限”
(可参
考有关此概念的更为详细的讨论)。显然,我们的单透镜并没
有达到衍射极限。
为了提高此光学系统(或任何光学系统)的性能,设计者必须判断哪一种像差限制了其性能,以及什么操作可以用来改正。
从光线图中,
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可较明显地看出,色差 (
Chromatic aberration)是其
主要像差。(另一方面,它可能
不明显,可再看其他的一些能够提供有关光线图的建议的好
书。)
ZEMAX
为一阶色差的大小提
供了另外一种简便的工具:多色光焦点漂移图。这种图形把焦距作为一种波长的函数,它指出了近轴焦点的变化。
为了得到多色光焦点漂移图,选择“分析”菜单中的“多方面(
Miscella-neous)”,然后再选“多色光焦点漂移 (Chromatic Focal Shift)。
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可以参考图。注意纵坐标表示波长范围,覆盖了所定义的波长段,焦距的最大变化范围约为1540微米。对
于单透镜镜片来说,其曲线的单调变化类型是很典型的。
为了修正一阶多色差,要求有另外一种玻璃材料。这导出了我们的下一个例子,即双透镜的设计。如果你想保
存此镜片以用来作为以后的评估,选择“文件(File)”菜单下的“另存为(Save as)”选项,
ZEMAX
会提醒你输入
一个文件名。任何一个以这种方式保存的镜头都可以通过选择“文件”菜单下的“打开(Open)”选项来调用。要
退出
ZEMAX
,请选择“文件”菜单下的“退出(
Exit)”。

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