zemax光学设计实例
62页1、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ZEMAX Development Corporation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
2、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,p/v1, p/v2, p/v3, 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,获得并考虑技术要求 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 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 使用程序对结果进行优化 评价设计结果 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2 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Button Gen ,按出dialog box,选按Aperture,挑选Aperture type,并输入数值。 可以从System内选按General ,按出dialog box 。 可从File 内选择按Prefer
3、ence(或Environment)出dialog box,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:,输入视场:,用ZEMAX进行光学系统设计,输入光学系统结构数据,输入波长,输入半径、厚度、玻璃,或从屏上已有的Lens data editor 改数据。 如屏上数据框内作double click 得有关dialog box,可对现状作出修改,例如: 修改Surface type, Aperture type,改此面为光阑,即“Make surface stop”; 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Marginal Ray Height, Pupil zone 0.7 为0。,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Surface type 和Glass Catalogs,在Users Guide 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
4、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。,Analysis,Fan,Optical Path,Ray aberration,几何像差与波像差:,或,RMS,各个视场的波像差均方值,光学性能分析(Analysis),Analysis,畸变和像散像面弯曲,Analysis,点列图,Analysis,或,Enc,能量集中度,Analysis,Encircled Energy,Diffraction,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Huygens Point Spread function, 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Par
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