软件在光学设计

三．ZEMAX的用户界面ZEMAX是Windows平台上的视窗式用户界面，视窗的操作习惯与Windows平台相同，快捷键风格也与Windows相同3.1ZEMAX的视窗类型ZEMAX主要有五种视窗：•主视窗(ThemainWindow)主视窗是执行ZEMAX任务的控制中心，它包含了菜单栏、工具栏、标题栏等•编辑视窗(EditorWindow)ZEMAX中具有六种不同的编辑器：镜头数据编辑器(LensDataEditor)、评价函数编辑器(MeritFunctionEditor)、多重结构编辑器(Multi-configurationEditor)、公差数据编辑器(ToleranceDataEditor)、用于补充光学面数据的附加数据编辑器(ExtraDataEditor)、无序元件编辑器(Non-SequentialComponentsEditor)•图形视窗(GraphicWindows)主要有设计草图(Layout)、光线扇形图(Rayfans)、调制传递函数图(MTFPlots)、点列图(SpotDiagrams)等。•文本视窗(TextWindows)文本视窗用于显示文字资料，如详细数据、象差数据等•对话框(Diglogs)对话框是一种固定大小的跳出视窗(即不能用鼠标拖动变大或变小)。主要用于定义或更新视场(Fields)、波长（Wavelengths）、孔径（Apertures）、面型（Surfacetypes）等3.2主视窗的操作主视窗是ZEMAX打开后的弹出窗口，顶部有标题栏、菜单栏、快捷按钮，底部状态栏中有当前镜头的焦距（EFFL）、F数（WFNO）、入瞳直径（ENPD）、总长（TOTR）。标题栏菜单栏工具栏信息区主视窗中快捷按钮和状态栏内容可以由用户重新定义。菜单栏有：•文件（File）：用于镜头文件的打开(Open)、新建(New)、存储(Save)、重命名(Saveas)等，其中UseSessionFiles(使用场景文件)在打开一个新文件时，新的窗口会在其原始位置打开；Preferences允许用户设置窗口中文字大小，快捷键，状态栏内容等等；•编辑器（Editors）：是ZEMAX中所有编辑器打开或唤醒的汇总。通过该菜单可打开或唤醒Lensdataeditor、Meritfunctioneditor等。•系统（System）：用于更新或定义光学系统的光学特性数据，如相对孔径、视场与工作波长范围等等•分析（Analysis）：是ZEMAX中重要菜单之一，是象质评价与分析的主要工具。•工具（Tools）：也是ZEMAX的重要菜单之一，用于镜头的优化、玻璃库的管理、公差分析、样板测试等等•报告（Report）：用于形成镜头设计结果的报告•宏编程（Micros）：用于执行已编译的宏程序。宏程序可以提取光线追迹数据、象质指标等，也可以定义新的优化设计用操作符等，执行时，宏程序作用的对象，是当前的镜头系统•外部程序接口(Extensions)：在ZEMAX环境中，使用该接口，可以执行外部扩展名为*.EXE的执行程序，用于与ZEMAX交换数据，或ZPL宏不能完成的功能。外部程序可以用C语言等编程工具完成。•视窗(Windows)与帮助(Help)四.光学系统建立举例4.1设计要求拟设计光学系统具有：0150,220,5Dfmmf视场角物距为无限远4.2分析：•设计要求给出了系统焦距(50mm)，视场角，相对孔径，无其它特殊要求•初始结构确定：(1)用单透镜结构，并设光阑面与透镜第一面重合，因此系统需要四个面(物面、透镜前后面、像面)。(2)设透镜为双凸透镜，且两个曲率半径大小相等，则曲率半径可由：算出。代入设计要求，选透镜材料为BK7()，则半径为51.68，取透镜厚度为6mm，则初始结构在ZEMAX中的数据为：2(1)FRnf1.5168,64.1673ddn•其它光学特性参数的输入方法1.General输入相对孔径General功能可以由“System→General…”选取，也可以由桌面上“Gen”快捷键来打开，打开后的General对话框如下图所示。General对话框中，具有Aperture、GlassCatalog、Misc.等等选项。相对孔径的定义在Aperture中完成。下面对一些常用选项作一些说明。Aperture中：Aperturetype用于定义相对孔径，即轴上物点光束大小。定义的种类有：（1）EntrancePupilDiameter（入瞳直径）当物体位于无限远时，可以选择它来定义相对孔径（2）ImageSpaceF/#（像方F数）物体无论位于无限远，还是有限远，都可以用像方F数定义相对孔径，定义为：f/#=EFL/EPD=EFL/(2y)（3）ParaxialWorkingF/#（近轴工作数）定义为f/#=1/(2tanU’)FUU’y只有当物在无限远时，像方F数才与近轴F数相等另外，在系统中还有一个WorkingF/#(工作数)，定义为f/#=1/(2sinU’)，从定义可看出三个“数”之间的差别。（4）ObjectSpaceNA（物方数值孔径）当物位于有限远时，可用之定义相对孔径，其含义为NA=nSin(θ)，n为物方介质折射率，θ为高斯边缘光线孔径角。（5）Floatbystopsize（由光阑大小决定）这是定义轴上物点光束孔径的另一种方法，即由LDE中STOP面的“Smi-diameter”大小来决定，此时LDE中STOP的半宽右边显示“U”，表示StopSurface的孔径被固定。（6）ObjectConeAngle（物方锥角）当物体位于有限远时，可用轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔，其值为物空间边缘光线的半角，单位度，可大于90度U•General对话框中其他功能(1)ApodizationType(定义光瞳上光强分布)选项：Uniform表示光瞳被均匀照明；Gaussian表示光瞳上光振幅扰动为高斯型，即：；Cosincubed表示光瞳上光分布为余弦型(2)GlassCatalogs(玻璃库)ZEMAX提供了德国Schott、日本Hoya、美国Corning等玻璃生产厂商的玻璃库，还有红外、塑料材料（PMMA）、双折射材料等内建玻璃库。2.Fields对话框中定义视场通过System→Fields…可以打开视场定义对话框，该对话框中首先给出了视场种类定义的四个选项：角度（视场角）、物高、近轴像高、实际像高；接着给出了最多为12的视场序号，即最多可定义12个视场，X-Field与Y-Field同时选用时，适用于非旋转对称光学系统，对于旋转对称系统，一般仅在Y-Field栏中输入数据，定义子午面内的视场。Weight用于定义各个视场的权重。对于大视场光学系统，要考虑渐晕现象，由渐晕系数描述。3.Wavelengths定义镜头工作波长2GAe通过System→Wavelengths打开波长对话框，可以定义最多24个波长，波长单位为微米。典型波长的数据已经存储在对话框中，可以用Select选用。其中“Primary”定义的是主波长，用来考虑镜头系统的单色像差。4.本例中的光学特性数据输入方法（1）定义像方工作数(ImageSpaceF/#)为5，选择System→General…→Aperture→ImageSpaceF/#，在AperValue中输入5；（2）定义半视场0、7.07、10°，选择System→Fields…→在对话框中，选用1、2、3视场序号，输入Y-Field分别为0、7.07、10°，不定义权重与渐晕因子等。对场点选择的原则：（3）定义波长。（4）定义物距。参数定义完后有效焦距并不等于50mm，这主要是由于透镜的厚度在ZEMAX中被考虑进去了，可以通过优化设计保证焦距达到要求。另外，焦点位置还没有确定，可用求解的方法确定，右击面2的Thickness→MarginalRayHeight→OK1210,,,....,111nfullfieldfullfieldfullfieldnnn在焦点位置，边缘光线的高度为0；对于近轴区域，光瞳高度对焦点位无影响，因此取0。取其它值时表示实际光线。五.基本像差分析及像质评价前面介绍了在ZEMAX中如何输入一个光学系统，但这只是一个初始结构，其性能如何，要通过ZEMAX的像质评价功能对其进行评价。像质评价功能贯穿于光学设计的中间过程与最终设计环节之中。下面我们选取主要的像质评价指标，说明这些指标的具体含义。•Fans光学中的Fans即光扇图，是与光学设计中的子午面和弧矢面的光线结构相对应的。由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内形成子午扇形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可统称为Fans。因此，Fans描述的是子午与弧矢两个截面内的像差曲线图。RayAberration描述几何像差的垂轴表示法曲线，它为Fields对话框中定义的每一个视场绘制出像面(XOY平面)上X分量像差(Xaberration)和Y分量像差(Yaberration)随光线孔径高之间的变化曲线。通常Xaberration用EX表示，Yaberration用EY表示，光线孔径高用PX、PY(归一化值)表示。其作图原理见下图。由Rayaberration图可以看出几何像差存在时的综合弥散情况，还可以看出其他独立几何像差的大小，如由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差，诸如球差、场曲、离焦的大小；由曲线边缘孔径(±1.0)处的Yaberration之和，能够反映彗差的大小；如果工作波长是一光谱段，则非主波长的曲线与EY轴的交点之差反映了垂轴色差的大小，随着视场的变化，可以看出垂轴色差的变化，等等。•SpotDiagrams（几何点列图）Rayaberration仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，点列图则能反映任一物点发出充满入瞳的光锥在像面上的交点弥散情况。点列图通常以主光线与像面交点为原点进行量化计算点列图的弥散情况，ZEMAX在此基础上还给出了以虚拟的“质心”、“平均”为原点的量化点列图。使用点列图评价像质，除了观看点列图形状外，通常还要使用两个指标，即RMSRadius与GEORadius，前者表示点列图中大多数点的分布范围，即集中的弥散半径，后者表示点列图弥散的实际几何半径。由点列图的图案及其大小也可以估算独立几何像差的大小。仅有离焦像差时的点列图及光扇图仅有球差像差时的点列图及光扇图彗差像散•MTFMTF是目前使用比较普遍的一种像质评价指标，称为调制传递函数。曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为lp/mm，纵轴表示对这些线对分辨的调制度。低频部分反映物体轮廓传递情形；中频部分反映光学物体层次传递情况；高频部分反映物体细节传递情况。对于目视系统：MTF0.05；对于摄录系统：MTF0.15用MTF评价像质时要注意：（1）对每一种镜头系统，要根据物面物征、探测器象素与响应情况，确定评价时的特征频率和对比度阈值；（2）查看MTF数值时，要看多色MTF在每一视场处的子午和弧矢传函曲线，还要查看每一波长下每一个视场处的子午和弧矢单色传函曲线；（3）MTF值跟波像差、点列图一样，只反映成像清晰度，不反映变形，所以要检查物像相似程度，还要看畸变曲线。例：35mm照相物镜的要求：EFL=75mm，F/3，决定合适的视场角，波长F,d,C内部光阑，初始结构玻璃用SK4和F2，玻璃最小边缘/中心厚度：3mm，玻璃最大中心厚度：15mm，空气间隙最小边缘/中心厚：0.5mm，最大空气间隙：100mm。要求：边缘视场MTF在30lp/mm达50%，在50lp/mm达20%。设计时我们以Samples\Shortcourse\sc_dblgauss1作为初始结构。在这个结构中，系统的入瞳已经满足要求，EPD=EFFL/F#=75mm/3=25mm，但其视场与波长与我们的要求不同，需要设定视场：35mm相机的胶片是一个矩形，长宽为36mmx24mm，对角线