Zemax操作

首先在运行系统中开启ZEMAX，默认的编辑视窗为透镜资料编辑器(LensDataEditor,LDE)，在LDE可键入大多数的透镜参数，这些设罝的参数包括：表面类型(Surf：Type)如标准球面、非球面、衍射光栅…等曲率半径(RadiusofCurvature)表面厚度(Thickness)：与下一个表面之间的距离材料类型(Glass)如玻璃、空气、塑胶…等：与下一个表面之间的材料表面半高(Semi-Diameter)：决定透镜表面的尺寸大小以单透镜为例：1、设置系统孔径（System-General）注：F/#指的是光由无限远入射所形成的有效焦距F与近轴光线所对应的入瞳直径#的比值。在说明问题前，首先要了解一些光学术语：A=D/f’，A表示物镜的相对孔径，D表示入瞳直径一般就是指物镜直径，f’表示物镜焦距，另外在照相机里面为了方便常常将A的倒数即f’/D作为相机上的标示值，称为光圈F（注意此处F为光圈数，区别上面所说的有效焦距F）。现在来说明F/4的意思，即我们知道有效焦距为F，入瞳为4mm（光学里面一般以毫米为单位），假如设计时给出焦距为100mm，那么我们立即可以得到光圈数为100/4=25mm。包括输入入瞳，选择好透镜单位等2、设置视场角（System-Filed）ZEMAX默认的视场角是即为近轴视场角，其中「Weight」这个选项可以用来设罝各视场角之权值，并可运用于优化。3、设置波长（Wav）4、键入透镜资料建立单透镜这个例子需要建立4个表面。Theobjectsurface（OBJ）：设罝光线的起始点Thefrontsurfaceofthelens(STO)：光线进入Lens的位置。在这例子里，这表面的位置也决定了光阑(Stop)的位置Thebacksurfaceofthelens(2)：光线从Lens出来并进入空气中的位置。Theimagesurface(IMA)：光线追迹最后停止的位置，不可以在IMA这个之后设罝任何的表面。这个位置上并非存真实的表面，而是一个哑的表面。（注：游标移到「IMA」并按下按键盘上的Insert键，即可产生「2」这个面）5、设置透镜参数1、输入材料，首先设罝Lens的材料为假定为「BK7」，将游标移到第1面的Glass栏，键入BK7并按Enter。2、输入厚度，Lens的厚度由第1面的Thickness栏来设罝，这个栏是指表面的中心点沿着光轴到下一个面的距离。3、输入曲率半径，正值表示曲率中心点在表面的右边，负值表示曲率中心点在表面的左边4、「IMA」的位置就是设在Lens的焦距上，所以距离Lens大约100mm左右，直接在第2面「2」的「Thickness」栏键入100，即表示在Lens后面100mm的位置就是下一表面的位置，也就是「IMA」面的位置。6、评估系统性能在ZEMAX中有很多分析功能可评估系统的质量好坏，其中一个最常用的分析工具是光线扇形图(Rayfanplot)。可以点击「Ray」这个按钮或透过菜单Analysis-Fans-RayAberration来开启这个功能。在点击之后会出现一个视窗，显示各光线与主光线(ChiefRay)的光线象差(Rayaberrations)，左边的图是显示Y或正切方向的光线象差，右边的图是显示X或弧矢方向的光线象差。这个分析图表是以0.588microns为主波长，其线型在原点附近斜率不为零，表示产生离焦现象(Defocus)。7、使用解为了定标离焦(Defocus)，透过调整第2面「2」到IMA面的距离（焦距＝100mm）来解决这个问题。Solves是一个特别的功能，主要是针对特定ZEMAX的参数进行动态调整，以符合某些特别的情况先要点击第2面的Thickness后，单击鼠标右键，将会出Solve的设罝视窗。在「SolveType」里选择MarginalRayHeight，然后敲点「OK」即可发现LDE视窗第2面的「Thickness」由100改变为96，并且会出现「M」的记号。在次点击「Ray」这个选钮显示光线扇形图(Rayfansplot)，可发现像差线条已由原本的斜线变为S的形状，而这表示此Lens有球差(Sphericalaberration)。此时在观察扇形图，已有所改善8、设置优化我们希望使用优化来修正这个例子的质量。除基本设计的形式之外，优化需要两个附加项：设罝允许变动的参数，让ZEMAX可自由地在允许的范围内调整这个参数，以设计出更好系统。在数学上的观点上，需要设罝优化函数(Meritfunction)的描述，意即评估系统优劣的指标。这个例子内有3个参数适合被改变而来进行优化，包括两个表面的曲率半径以及透镜到「IMA」面的距离。只要将游标移至第1面「STO」及第2面「２」的「Radius」栏及第2面的「Thickness」栏点击并按Ctrl+Z或按鼠标右键选，在「SolveType」选Variable这个选项。如此各个选项之后将出现「V」的字样。9、建立绩效函数优化函数(Meritfunction)被定义于优化函数编辑器(MeritfunctionEditor,MFE)。单击键盘的F6或点击菜单的Editors-MeritFunction即可开启编辑视窗(MFE)。从MFE点击Tools-DefaultMeritFunction会出现一个DefaultMeritFunction的视窗，点击「Reset」后再点击「OK」。后面我们还会说明这个视窗的相关设罝，现在先以默认条件进行优化。10、增加限制条件接着修正绩效函数(Meritfunction)，包括系统焦距的需求。将游标移在MFE的第一列并单击按键盘的Insert来产生新的一列，在此列的Type栏上键入EFFL后按Enter。这个操作数的功能是在运算出系统有效焦距，在计算有效焦距时必须设罝参考的主波长(PrimaryWavelength)，在此例子里使用第二波长为参考波长，所以在第一列的「Wav#」栏中键入为2。接着在「Target」栏里键入100并按Enter，「Weight」设为1再按Enter，最后将此视窗关闭，虽然关闭编辑视窗但设罝已储存，并不会遗失。11、运行优化点击「Opt」或Tools-Optimization，便会出现Optimization的视窗。在优化的对话视窗里，如果「AutoUpdate」选项被勾选，则当在运行优化时，所有开启的分析视窗如Rayfansplot以及LDE的数据将及时变动。在此请点击「Automatic」这个按钮来进行优化。12、光线扇形图这个优化的动作是调整Lens的曲率半径使透镜焦距接近100mm，并调整透镜与成像面的距离，以消除离焦(Defocus)。其是利用最小波前误差之均方根值为依据进行优化，而此次的优化的并没有使焦距完完全全等于100mm，这是因为我们所设罝的有效焦距操作数(EFFL)只是绩效函数(Meritfunction)中众多操作数的一项而已，所以在运行优化时也需要符合其它优化条件。其实在许多的设计之中，可以透过LDE里Solve功能来使调整焦距以符合设计需求，而不需使用MFE的操作数。经过优化后的光线扇形图(Rayfansplot)，其最大像差(MaximumAberration)约为300microns。13、二维设计图点击Analysis-Layout或点「Lay」这个选项便可以显示2D设计图(Layout)。此2D设计图的视窗上点击Settings-NumberofRays-7-OK即可显示14、弥散斑在ZEMAX众多的分析工具里，除了常使用光线扇形图来分析设计系统的光学性能之外，另外也有一个分析功能－弥散斑(SpotDiagrams)也是一个相当常用的分析图表。弥散斑(SpotDiagrams)可以显示出平行光束通过光学系统后聚焦于成像面上的斑点。可点击Analysis-SpotDiagram-Standard或点击「Spt」即可显示出光斑(SpotDiagrams)的分析图。如下图所示，可由图表判断其Stop的图表大约有400microns的半径大小，而AiryDisk有5.7mircons。也可以由此图看出整个系统的像差，由于不同的波长其之焦距点也不一样，所以其成像会产生模糊现象。15、光程差扇形图另一个常用的分析工具是OPDFans，这个图是显示光程差(OpticalPathDifference)，此图与光线扇形图一样采用主光线(Chiefray)为参考光，显示光离开光瞳(ExitPupil)后的光程差，而光线扇形图(RayFansPlot)一样也是显示光程差但其是显示光在IMA面上的光程差。可点Analysis-Fans-OpticalPath或点「Opd」即可显示光程差扇形图(OPDFansPlot)。16、进一步分析这个设计够好了吗?当波前像差(WavefrontAberration)小于1/4的波长时，则需考虑到透镜的衍射极限(DiffractionLimited)（有关这类的讨论可在使用手册(User'sGuide)里找到详细的说明）。在此例子还不需要考虑到衍射极限。为了改善系统的光学性能，设计者都必须了解光学系统中那一些像差限制了系统的光学性能，以及要进行什么修正才可以有效的处理像差问题。在这一次的设计中，优化后仍然有轴向色差(AxialColorAberration)及球差(SphericalAberration)。如果在光线扇型图(RayFanPlot)中发现原点部分的曲线斜率不为零（即系统含有离焦），这是因为优化的过程ZEMAX透过近轴焦点(ParaxialFocus)的移动来补偿球差，以达到最小的球差(SphericalAberration)。就色差(ChromaticAberration)而言，焦距的变动是随波长而异，可以在ChromaticFocalShiftPlot看出来。点击Analysis-Miscellaneous-ChromaticFocalShift，而分析图是显示出波长与焦距位移的关系图。如下图所示所以虽然此例子已作了最佳化，但仍然有像差存在，仍有设计及进步的空间。