搜索
光學系統設計（Zemax初學手冊）蔡長青ISUAL計畫團隊國立成功大學物理系（第一版，1999年7月29日）內容綱目:前言習作一：單鏡片(Singlet)習作二：雙鏡片習作三：牛頓望遠鏡習作四：Schmidt-Cassegrain和asphericcorrector習作五：multi-configurationlaserbeamexpander習作六：foldmirrors和coordinatebreaks習作七：使用ExtraDateEditor,OptimizationwithBinarySurfaces前言整個中華衛星二號「紅色精靈」科學酬載計畫，其量測儀器基本上是個光學儀器。所以光學系統的分析乃至於設計與測試是整個酬載發展重要一環。這份初學手冊提供初學者使用軟體作光學系統設計練習，整個需要Zemax光學系統設計軟體。它基本上是Zemax使用手冊中tutorial的中文翻譯，由蔡長青同學完成，並在ZemaxE.E.7.0上測試過。由於蔡長青同學不在參與「紅色精靈」計畫，所以改由黃曉龍同學接手進行校稿與獨立檢驗，整個內容已在ZemaxE.E.8.0版上測試過。我們希望藉此初學手冊（共有七個習作）與後續更多的習作與文件，使團隊成員對光學系統設計有進一步的掌握。（陳志隆註）(回內容綱目)習作一：單鏡片(Singlet)你將學到：啟用Zemax，如何鍵入wavelength，lensdata，產生rayfan，OPD，spotdiagrams，定義thicknesssolve以及variables，執行簡單光學設計最佳化。設想你要設計一個F/4單鏡片在光軸上使用，其focallength為100mm，在可見光譜下，用BK7鏡片來作。首先叫出ZEMAX的lensdataeditor(LDE)，什麼是LDE呢？它是你要的工作場所，譬如你決定要用何種鏡片，幾個鏡片，鏡片的radius，thickness，大小，位置……等。然後選取你要的光，在主選單system下，圈出wavelengths，依喜好鍵入你要的波長，同時可選用不同的波長等。現在在第一列鍵入0.486，以microns為單位，此為氫原子的F-line光譜。在第二、三列鍵入0.587及0.656，然後在primarywavelength上點在0.486的位置，primarywavelength主要是用來計算光學系統在近軸光學近似(paraxialoptics，即first-orderoptics)下的幾個主要參數，如focallength，magnification，pupilsizes等。再來我們要決定透鏡的孔徑有多大。既然指定要F/4的透鏡，所謂的F/#是什麼呢？F/#就是光由無限遠入射所形成的effectivefocallengthF跟paraxialentrancepupil的直徑的比值。所以現在我們需要的aperture就是100/4=25(mm)。於是從systemmenu上選generaldata，在apervalue上鍵入25，而aperturetype被default為EntrancePupildiameter。也就是說，entrancepupil的大小就是aperture的大小。回到LDE，可以看到3個不同的surface，依序為OBJ，STO及IMA。OBJ就是發光物，即光源，STO即aperturestop的意思，STO不一定就是光照過來所遇到的第一個透鏡，你在設計一組光學系統時，STO可選在任一透鏡上，通常第一面鏡就是STO，若不是如此，則可在STO這一欄上按滑鼠，可前後加入你要的鏡片，於是STO就不是落在第一個透鏡上了。而IMA就是imagineplane，即成像平面。回到我們的singlet，我們需要4個面(surface)，於是在STO欄上，選取insertcifter，就在STO後面再插入一個鏡片，編號為2，通常OBJ為0，STO為1，而IMA為3。再來如何輸入鏡片的材質為BK7。在STO列中的glass欄上，直接打上BK7即可。又孔徑的大小為25mm，則第一面鏡合理的thickness為4，也是直接鍵入。再來決定第1及第2面鏡的曲率半徑，在此分別選為100及-100，凡是圓心在鏡面之右邊為正值，反之為負值。而再令第2面鏡的thickness為100。現在你的輸入資料已大致完畢。你怎麼檢驗你的設計是否達到要求呢？選analysis中的fans，其中的RayAberration，將會把transverse的rayaberration對pupilcoordinate作圖。其中rayaberration是以chiefray為參考點計算的。縱軸為EY的，即是在Y方個的aberration，稱作tangential或者YZplane。同理X方向的aberration稱為XZplane或sagittal。Zemax主要的目的，就是幫我們矯正defocus，用solves就可以解決這些問題。solves是一些函數，它的輸入變數為curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相關的parameters等。parameters是用來描述或補足輸入變數solves的型式。如curvature的型式有chiefrayangle，pickup，Marginalraynormal，chiefraynormal，Aplanatic，Elementpower，concentricwithsurface等。而描述chiefrayanglesolves的parameter即為angle，而補足pickupsolves的parameters為surface，scalefactor兩項，所以parameters本身不是solves，要調整的變數才是solves的對象。在surface2欄中的thickness項上點兩下，把solvetype從fixed變成MarginalRayheight，然後OK。這項調整會把在透鏡邊緣的光在光軸上的height為0，即paraxialfocus。再次updaterayfan，你可發現defocus已經不見了。但這是最佳化設計嗎？再次調整surface1的radius項從fixed變成variable，依次把surface2的radius，及放棄原先的surface2中thickness的MarginalRayheight也變成variable。再來我們定義一個Meritfunction，什麼是Meritfunction呢？Meritfunction就是把你理想的光學要求規格定為一個標準(如此例中focallength為100mm)，然後Zemax會連續調整你輸入solves中的各種variable,把計算得的值與你訂的標準相減就是Meritfunction值，所以Meritfunction值愈小愈好，挑出最小值時即完成variable設定，理想的Meritfunction值為0。現在談談如何設Meritfunction，Zemax已經default一個內建的meritfunction，它的功能是把RMSwavefronterror減至最低，所以先在editors中選Meritfunction，進入其中的Tools，再按DefaultMeritFunction鍵，再按ok，即我們選用defaultMeritfunction，這還不夠，我們還要規定給meritfunction一個focallength為100的限制，因為若不給此限制則Zemax會發現focallength為時，wavefrontaberration的效果會最好，當然就違反我們的設計要求。所以在Meritfunctioneditor第1列中往後插入一列，即顯示出第2列，代表surface2，在此列中的type項上鍵入EFFL(effectivefocallength)，同列中的target項鍵入100，weight項中定為1。跳出Meritfunctioneditor，在Tools中選optimization項，按Automatic鍵，完畢後跳出來，此時你已完成設計最佳化。重新檢驗rayfan，這時maximumaberration已降至200microns。其他檢驗opticalperformance還可以用SpotDiagrams及OPD等。從Analysis中選spotdiagram中的standard，則該spot大約為400microns上下左右交錯，與Airydiffractiondisk比較而言，後者大約為6microns交錯。而OPD為opticalpathdifference(跟chiefray作比較)，亦從Analysis中挑選，從Fans中的OpticalPath，發現其中的aberration大約為20waves，大都focus，並且spherical，spherochromatism及axialcolor。Zemax另外提供一個決定firstorderchromaticabberation的工具，即thechromaticfocalshiftplot，這是把各種光波的backfocallength跟在paraxial上用primarywavelength計算出firstorder的focallength之間的差異對輸出光波的wavelength作圖，圖中可指出各光波在paraxialfocus上的variation。從Analysis中Miscellaneous項的ChromaticFocalShift即可叫出。(回內容綱目)●習作二：雙鏡片你將學到：畫出layouts和fieldcurvatureplots,定義edgethicknesssolves,fieldangles等。一個雙鏡片是由兩片玻璃組成，通常黏在一起，所以他們有相同的curvature。藉著不同玻璃的dispersion性質，thechromaticaberration可以矯正到firstorder所以剩下的chromaticaberration主要的貢獻為secondorder，於是我們可以期待在看chromaticfocalshiftplot圖時，應該呈現出paraboliccurve的曲線而非一條直線，此乃secondordereffect的結果（當然其中variation的scale跟firstorder比起來必然小很多，應該下降一個order）。跟習作一一樣，我們仍然要設計一個在光軸上成像，focallength為100mm的光學系統，只不過這次我們用兩塊玻璃來設計。選用BK7和SF1兩種鏡片，wavelength和aperture如同習作一所設，既然是doublet，你只要在習作一的LDE上再加入一面鏡片即可。所以叫出習作一的LDE，在STO後再插入一個鏡片，標示為2，或者你也可以在STO前在插入一面鏡片標示為1，然後在該鏡片上的surfacetype上用滑鼠按一下，然後選擇MakeSurfaceStop，則此地一面鏡就變成STO的位置。在第一、第二面鏡片上的Glass項目鍵入BK7即SF1，因為在BK7和SF1之間並沒有空隙，所以此doublet為相黏的二鏡片，如果有空隙則需5面鏡因為在BK7和SF1間需插入另一鏡片，其glasstype為air。現在把STO旱地二面鏡的thickness都fixed為3，僅第3面鏡的thickness為100且設為variable，既然要最佳化，還是要設meritfunction，注意此時EFFL需設在第三面鏡上，因為第3面鏡是光線在成像前穿過的最後一面鏡，又EFFL是以光學系統上的最後一塊鏡片上的principleplane的位置起算。其他的meritfunction設定就一切照舊。既然我們只是依習作一上的設計規範，只不過再加一面SF1鏡片而已，所以其他的meritfunction設定就一切照舊。現在執行optimization，程序如同習作一，在optimi