zemax实例教程

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资源描述

简介这一章将要教你如何使用ZEMAX,这一章的每一节将会让你接触一个不同的设计问题。第一个设计例子是非常简单的,如果你是一个有经验的镜片设计师,你也许觉得它并不值得你去费心,但是,如果你花费一点点时间去接触它,你可以学到如何运行ZEMAX,然后你可以继续你自己特别感兴趣的设计。前几个例子中,提供了一些关于镜片设计理论的教程内容,用来帮助那些对专用术语不是很了解的人。但在总体上来说,这本手册,以及其中的这些特例,目的都不是要将一个新手培养成为一个专家。如果你跟不上这些例子,或者你不能理解程序演示时与计算有关的数学知识,可以参考任何一本“简介”这一章中所列出的好书。在开始课程之前,你必须先通过正当手段安装ZEMAX。课程1:单透镜(asinglet)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(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。假设你需要设计一个F/4的镜片,焦距为100mm,在轴上可见光谱范20围内,用BK7玻璃,你该怎样开始呢?首先,运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑(LDE)。你可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸,以适合你自己的喜好。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昀多的,其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。LDE中的一小格会以“反白”方式高亮显示,即它会以与其他格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。如果没有一个格子是高亮的,则在任何一格上用鼠标点击,使之高亮。这个反白条在本教程中指的就是光标。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。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(WavelengthData)”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,昀后在第三行输入656。这就是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。在屏幕的昀右边,你可以看到21一列主波长指示器。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一般使用微米作为波长的单位“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。现在我们需要为镜片定义一个孔径。这可以使ZEMAX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,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(EntrancePupilDiameter)”,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。ZEMAX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。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(昀后一个面)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22才是第1(标上STO是因为它是光阑面),第2和第3面(标作IMA)。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。ZEMAX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。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。我们怎样才能知道这个镜片是否好呢?也许在镜片设计中,昀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。23图E1-1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(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24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。图E1-2这是不是所能得到的昀佳的设计呢?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,它的值会复盖(overrides)先前用求解定出的值。25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”。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。你昀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波前差昀小的追迹光线组成。但这并不够,因为除了使弥散斑尺寸昀小外,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。现在从主菜单条中选择“工具”菜单下的“昀佳化(Optimization)”,会显示昀佳化工具对话框。注意“自动更新(AutoUpdate)”复选框。如果这个26选项被选中,屏幕上当前所显示的窗口(如光学特性曲线图)会按昀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)”关闭昀佳化对话框。昀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。昀佳化的设计结果的昀大的像差约为200微米,如图E1-3所示。图E1-3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。27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。图E1-4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(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:多色光焦点28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(ChromaticFocalShift)。图E1-5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,焦距的昀大变化范围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