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1计算机辅助光学设计Zemax7个小例子上海理工大学2009-32课程1：单透镜（asinglet）知识点：开始ZEMAX，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（rayfan），光程差曲线（OPD），和点列图（Spotdiagram），确定厚度求解方法和变量，进行简单的优化假设要设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃。首先，运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）,你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE，使光标移动到你想要停留的地方，或者你也可以只使用光标键。LDE的操作是简单的，只要稍加练习，你就可以掌握.开始，我们先为我们的系统输入波长,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（WavelengthData）”对话框,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。在第二行的波长列中输入587，最后在第三行输入656.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.对话框中的“权重（Weight）”选项，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。现在我们在定义镜片的孔径大小。由于我们需要一个F/4镜头，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（GeneralData）”对话框，单击“孔径值（AperValue）”一格，输入一个值：25。注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（EntrancePupil3Diameter）”，也可选择其他类型的孔径设置。然后我们回到LDE设置对话框。LDE（LensDataEditor）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（IMA）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”并敲回车键即可。然后移动光标到第1面（我们刚才输入了BK7的地方）的厚度列并输入“4”mm。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。现在基本数据我们基本输入完毕，我们怎样才能知道这个镜片是否好呢？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（RayAberration）”。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）。光线特性曲线图如图E1-1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缺陷，光线特性曲线显示有离焦现象存在。4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（MarginalRayHeight）”，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。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E1-2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。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））。有三5个变量可以供我们利用，它门是：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“Variabletoggle”；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，它的值会覆盖（overrides）先前用求解定出的值。现在我们需要为镜片定义一个“评价函数（MeritFunction）”。评价函数从数学理念上指出什么样的镜片是好的。评价函数的值越低越好。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”-“MeritFunction”。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。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。6图E1-3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（AutoUpdate）”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到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。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E1-3所示。7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。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（OpticalPath）”。你可以参考图E1-4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。8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。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（图E1-3）中，可较明显地看出，色差（Chromaticaberration）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：(focalshift)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“Miscella-neous”，然后再选ChromaticFocalShift）可以参考图E1-5。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。9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（Saveas）”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）”10课程2：双透镜（adoublet）知识点：产生结构视图和视场曲率图，定义边缘厚度解，定义视场角一个双透镜包括两片玻璃，通常（但不一定）是胶合的，因此它们有一个共同的曲率。通过使用两片具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被矫正。也就是说，我们需要得到抛物线形的多色光焦点漂移图（ChromaticFocalShift），而不是直线的。这反过来会产生较好的像质。现在，我们保持先前100mm焦距和在轴上的设计要求，我们下面将会加入视场角。如何选择这两片玻璃需要一些技巧，参考Smith的(ModernOpticalEngineering）里有关的例子。由于此例的目的是教你如何使用ZEMAX，而不是如何设计镜片，我们这里只建议选择BK7和SF1这两种玻璃。如果你已完成了刚才的例子，且单透镜镜片仍然被装载着，你不需要重新输入设计的波长。否则，请按照前面例子所述的方法输入波长和孔径。现在必须插入新的面，直到你的LDE窗口看上去象下面的表格。不是所有的列都会被显示出来。如果你需要移动光阑的位置以使第一面成为光阑面，可以通过双击你所要使之成为光阑面的那一行的表面类型列，然后选择“MakeSurfaceStop”按钮，因为在BK7和SF1这两种介质中没有空隙，这是一个胶合透镜。ZEMAX自己不会模拟胶合镜片，它只能简单地模拟使两片玻璃相接触。如果你在先前的例子中，仍然保留了评价函数，那么，你就不需要重新创建评价函数。否则，请重新创建一个评价函数，包括EFFL操作数，如前一个例子所描述的设置方法。11开始数据输入如上图所示。现在，从主菜单下选择“工具”-“最佳化”，单击“