Zemax光学设计实例

光学设计——光学设计实例中国科学院上海光学精密机械研究所2008年10月通过设计实例，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用。介绍光学设计软件ZEMAX的基本使用方法，设计实例通过ZEMAX来演示。意图光学设计软件ZEMAX简介单透镜双胶合透镜非球面单透镜显微镜物镜双高斯照相物镜公差计算（具体的应用实例——视情况而定）主要内容美国ZEMAXDevelopmentCorporation研发ZEMAX是一套综合性的光学设计软件，集成了光学系统所有的概念、设计、优化、分析、公差分析和文件管理功能。ZEMAX所有的这些功能都有一个直观的接口，它们具有功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。ZEMAX有两种不同的版本：ZEMAX-SE和ZEMAX-EE，有些功能只在EE版本中才具有。ZEMAX可以模拟序列性（Sequential）和非序列性（non-sequential）系统，分别针对成像系统和非成像系统。ZEMAX简介光学设计过程计算机的出现，极大地促进了光学设计进程；大多数光学设计程序的本质如下：每个变量发生少量改变或增减；计算每个变量对结果的影响；计算结果是一系列导数，əp/əv1,əp/əv2,əp/əv3,……,p:优化函数结果，v:变量；为了使残余结果的平方和最小，对每个变量联立方程求解；重复上述过程直至实现最优化。光学设计人员的任务1.获得并考虑技术要求2.选择具有代表性的切入点前期设计、专利、建立联系、原始推导3.建立变量和约束变量包括：曲率半径、厚度、空气隙、玻璃特性约束可能是相关结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量4.使用程序对结果进行优化5.评价设计结果6.重复步骤3和4直至满足设计要求如果结果不满足条件，通过添加或分离元件、变化玻璃种类等来修改设计，然后返回步骤4另一种方法是返回步骤27.进行公差分析，估计结果误差——透镜加工、机械结构与装校要求数据输入的一般过程输入孔径（有几种方式，如F#，NA，Aperture，…）•在屏上找到ButtonGen，按出dialogbox，选按Aperture，挑选Aperturetype，并输入数值。•可以从System内选按General，按出dialogbox。•可从File内选择按Preference(或Environment）出dialogbox，将常用项目的Button选放在屏上，如Gen，便于直接选用。将上述过程表示为：SystemGenAperture输入视场：SystemFie用ZEMAX进行光学系统设计输入光学系统结构数据输入波长SystemWav输入半径、厚度、玻璃EditorLensdata或从屏上已有的Lensdataeditor改数据。如屏上数据框内作doubleclick得有关dialogbox，可对现状作出修改，例如：•修改Surfacetype,Aperturetype，改此面为光阑，即“Makesurfacestop”;•修改Radius，由fix改为Variable(优化过程中作为变量)，或由Solve给出；•修改最后一面到像面的Thickness由fix改为MarginalRayHeight,Pupilzone0.7为0。GenGlasscatalogs用ZEMAX进行光学系统设计所选玻璃表是在内选定，可同时挑多个表•对于Surfacetype和GlassCatalogs，在User’sGuide内都有一章叙述。当已输入足够的结构数据后，程序就可以计算出像差并分析成像质量，这基本上是项目下的各种功能。＊系统结构和光路图：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内是否存在显著错误，使光路与预期完全不符，等。AnalysisFanOpticalPathRayaberration或即按ButtonLayL3dEle几何像差与波像差：AnalysisLayoutor3DLayoutElementdrawing2DLayout（零件图）或RMS各个视场的波像差均方值AnalysisRMSRMSvsField或即按ButtonRayOpd光学性能分析(Analysis)Analysis畸变和像散像面弯曲或FcdAnalysisMiscellaneousFieldCurv/DistSeidel像差系数或SeiAnalysisCalculationsSeidelcoefficients或PsfPSFAnalysisPSFFFTPointSpreadFunction或MtfMTFAnalysisMTFModulationTransferFunctionAnalysis点列图AnalysisSpotDiagramsStandard或SptAnalysis或Enc能量集中度AnalysisEncircledEnergyDiffraction此程序所选用积分程序不好，使要求取样网格点（Sampling）较多，计算时间很长，使大像差系统的衍射积分不易算好。所以这里没有算能量集中度及HuygensPointSpreadfunction,为能容易完成这类计算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一个波长，否则必须加大Sampling点数，增长时间。计算Seidel像差的作用和目的是了解像差是在什么地方产生出来的，这对于将来校正或优化常会有帮助。由于此程序不能直接计算和优化望远镜系统（如伽利略望远镜，不宜将物镜目镜分开设计），程序中在Surface内建立一个ParaxialSurface，即一个理想光学系统，把平行光束聚焦于一点，可以规定为一个任意的焦距值，从而计算望远系统的像差。EncAnalysis按Button，按出dialogbox，预定优化次数，即可进行优化，但之前须规定MeritFunction（优化目标函数）及变量。关于变量，将结构数据框作doubleclick，得有关dialogbox，就可以将此结构数据作为变量（variable）或改为Fixed不变。关于MeritFunction，最简单的做法是用程序内的DefaultMeritFunction，通过下列方法，即可调用适当的DefaultMeritFunction：OptEditorsMeritfunctionToolsDefaultMeritFunction按出dialogbox，后按LoadResetOk即可，实际上此dialogbox中还有许多选项可改，这也是改变优化过程的方法之一。光学系统结构优化可以按实际情况作其他选择，改变优化过程。还可以自行构造自己认为更好的MeritFunction或修改当前的MeritFunction,这就要在框内输入适当的“Operand”，在Optimization这一章内规定了一批Operand，所用符号如：•First-order：焦距EFFL，像高PIMH，…•Aberrations：初级球差SPHA，垂轴像差TRAC，…另外还有各种边界条件Operand。也可以将MTF值或Encircledenergy作为MeritFunction，原则上这与实际使用目标有更直接联系，应更好。但是实际上由于必须用更多时间去算，作为优化的开始是不可取的。Oper#光学系统结构优化初始结构变量优化目标函数程序（算法）结果整个优化过程可以表示为以下框图，即优化结果是由初始结构、变量及优化目标函数所决定，（已确定了算法程序）三者不变时，结果是唯一的。对此结果不满意时，就须作人工干预，人工改变结构初值，变量或改变优化函数。光学系统结构优化下面，通过一些具体的例子来看优化的做法和问题优化实例（1）f’=100,1:10,±30°取EntrancePupilDiameter=10，Fielddata:Y-field=0°,30°，用同一Meritfunction，可以得校正彗差和子午弯曲的两种解（光阑位置作为变量），当入瞳直径由10减到5时，所得解与Kinslake书中的Landscapelens解一致，即：单透镜②采用Defaultmeritfunction，加一行EFFL=100，Weight=1。也并不是用任意的初始结构都能得实用的解，例如取r1=－60，r2=∞，玻璃为BK7，此时所得“局部极小解”，焦距、像差都与预期差很远。初始结构取r1=r2=∞就已可得到好的解：r1=61.2，r2=－350（d=5)，这是处于球差极小位置，彗差近于零的解，光阑最佳位置在透镜前数毫米。透镜到像面的距离(Backfocallength)可以作为优化变量，也可以取Solve，Marginalrayheight=0而计算出；也可以由Tools，QuickFocus定。f’=100、D/f’=1:4、2W=±3，平行光入射，取EntrancePupilDiameter=25，Fielddate:Y-field=0°、3，=0.55um1005.215.17.35147kdrB856.87.165.1137kdrB①优化实例（1）两种结构的比较：这二个解的透镜弯曲方向相反（都朝向光阑），前者略优，但要程序将后者自动变为前者，则几乎是不可能的，必须人工强烈修改（倾向）才行。这三组解都可以从像差理论算出来，但优化的结果则略好于初级像差理论的解，这里都没有把透镜厚度作为变量。优化程序可以使焦距与预定相符，在大像差系统中，为使像差变小，程序倾向于使焦距变长，不能完全保证预定焦距。为保证焦距相符，还可以采用“Solves”定半径从而使焦距与预期一致，在Radius的dialogbox中取Solvetype为Elementpower即透镜焦距倒数1/f（可在保持单透镜焦距的条件下弯曲透镜），也可以用MarginalRayangle使本组的组合焦距保持不变，“Solve”这个工具，时常有利于设计方便，如Edgethickness有利于优化过程中保持透镜厚度合理。优化实例（2）3取取各种玻璃组合（可以查“光学设计手册”）如：都可以用程序得到对0°校正良好的能（取波长为F，d，c），但3°视场一般有较大彗差，不能校正。将光阑位置作为变量时，一般仍然如此。（初始半径可取（60，-60，∞）。将MeritFunction中视场0°的Operand完全除去，即仅考虑3°视场的像差，可以得到校正子午彗差的解（理论上看3°视场的像质与球差、彗差都有关，而0°仅与球差有关，原则上可以随3°视场的校正而同时校正），此时再回复原来二个视场的MeritFunction，此解所保持最优，如所附。这里玻璃组合为BK7/SF5，本可取Glass,Model,Vary，将玻璃作为变数优化，但得不到真正好的解，不如一一改玻璃，反而容易得到优化的解。035:1100f.,,,,/4101527SFSFSFSFSFB双胶合物镜优化实例（2）：优化结果f’=60，1：1，±1°用非球面可以准确校正球差，透镜弯曲可校正彗差，形成大孔径小视场光学系统。简单采用DefaultmeritFunction做优化，一般得不到结果，为此先通过初级像差计算得到适当的校正S2的半径初值为出发点，另外MeritFunction中取带（Ring)改为15-20，自动优化可以得到好的结果（文件Asph6）。实际上，非球面高次项并非必须，如文件Asph3，只取6次项和8次项，残余像差也小些，这个结果是采用下列逐步接近的过程作出，①校正S1，S2决定半径和Conic系数，仍用Defaultmeritfunction(Ring=3)但将孔径取很小值；②半径和Conic系数固定不变，孔径增大，用6次方系数校正；③孔径增至1：1，优化6次、8次系数，所得结果存在高级彗差，再改初值（半径和Conic）产生反向初级彗差与之平衡，再重复上述过程。非球面单透镜优化实例（3）sei优化实例（3）：优化结果优化实例（3）优化实例（3）优化实例（3）光学设计——光学设计实例中国科学院上海光学精密机械研究所2008