ZEMAX入门教学.doc

课程设计安排 本课程设计着眼于应用光学的基本理论知识、光学设计基本理论和方法，侧重于典型系统具体设计的思路和过程，加强学生对光学设计的切身领会和理解，将理论与实际融合、统一，以提高学生综合分析及解决问题能力的培养 结合<>、<<工程光学课程设计>>和课件《光学设计软件应用课件》中的内容熟悉zemax软件和光学设计内容：特别要掌握zemax软件中以下菜单的内容：1 输入透镜参数对话框：lens data editor, 2 system菜单下的输入光学系统数据： general, field wavelength3. 光学性能分析(Analysis)中Lay out，Fan，RMS，MTF Seidel 像差系数各菜单4 Merit Function Editor：优化函数构建和作用 在学习过以上内容的基础上，在ZEMAX软件上设计以下镜头设计(通过设计镜头熟悉zemax和光学设计理论知识,设计时需要不断去重新学习课本和课件知识，切记软件只是帮助你设计镜头，而不是代替你设计镜头）： ZEMAX入门教学例子1 单透镜 (Singlet)…………………………………………..3例子2 座标变换(Coordinate Breaks)…………………………..18例子3 牛顿式望远镜(Newtonian Telescope)…………………….26例子4消色差单透镜(Achromatic Singlet)……………………….40例子5变焦透镜(Zoom Lens)……………………………………47 1-1 单透镜这个例子是学习如何在ZEMAX里键入资料，包括设罝系统孔径(System Aperture)、透镜单位(Lens Units)、以及波长范围(Wavelength Range)，并且进行优化。

你也将使用到光线扇形图(Ray Fan Plots)、弥散斑(Spot Diagrams)以及其它的分析工具来评估系统性能这例子是一个焦距100 mm、F/4的单透镜镜头，材料为BK7，并且使用轴上(On-Axis)的可见光进行分析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(Lens Data Editor, LDE)，在LDE可键入大多数的透镜参数，这些设罝的参数包括：l 表面类型(Surf：Type)如标准球面、非球面、衍射光栅…等l 曲率半径(Radius of Curvature)l 表面厚度(Thickness)：与下一个表面之间的距离l 材料类型(Glass)如玻璃、空气、塑胶…等：与下一个表面之间的材料l 表面半高(Semi-Diameter)：决定透镜表面的尺寸大小上面几项是较常使用的参数，而在LDE后面的参数将搭配特殊的表面类型有不同的参数涵义1-2 设罝系统孔径首先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的「GEN」按钮里（System->General）点击「GEN」或透过菜单的System->General来开启General的对话框。

S点击孔径标签(Aperture Tab)（默认即为孔径页）因为我们要建立一个焦距100 mm、F/4的单透镜所以需要直径为25 mm的入瞳(Entrance Pupil)，因此设罝：l Aperture Type：Entrance Pupil Diameterl Aperture Value：25 mm点击单位标签(Units Tab)，并确认透镜单位为Millimeters单击「确认」来离开对话框1-3 设罝视场角点击按钮列中的「Fie」或透过菜单的System->Filed来开启场对话框，如下图所示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1-4 设罝波长可点击按钮列中的「Wav」来设罝波长，如下图所示：在波长编辑视窗里我们可以设罝不同的波长与其Weight，ZEMAX也有内建一些常使用波长，可透过「Select->」这个选项来选择在此例子可以透过挑选「F, d, C (Visible)」 这个选项来设罝波长0.486、0.587、0.656　(Microns)，单击「OK」即可 1-5 键入透镜资料现在我们要键入Lens的参数。

在ZEMAX是透过设罝依序排列的表面来建立出光学系统在此建立单透镜这个例子需要建立4个表面l The object surface（OBJ）：设罝光线的起始点l The front surface of the lens(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l The back surface of the lens(2)：光线从Lens出来并进入空气中的位置l The image surface(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，而是一个哑的表面默认的LDE视窗中只有3表面（3列），为了符合此例子需要增加一个表面将游标移到「IMA」并按下按键盘上的Insert键，即可产生「2」这个面「OBJ」是第0面，「STO」是第1面，「2」是第2面、「IMA」是第3面1-6 设罝透镜参数首先设罝Lens的材料为「BK7」，将游标移到第1面的Glass栏，键入BK7并按Enter而此时ZEMAX便会去查寻数据库里BK7的光学属性，来决定其各个波长下之折射率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表面的距离。

孔径25mm厚度4mm的Lens是合理的，直接在「Thickness」栏内键入数值即可接下来键入Lens的曲率半径，本例子使用一个左右曲率对称的Lens，先将第1面的曲率半径设罝为100 mm，第2面的曲率半径设罝为-100 mm在第1面及第2面的「Radius」栏键入数据，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「IMA」的位置就是设在Lens的焦距上，所以距离Lens大约100 mm左右，直接在第2面「2」的「Thickness」栏键入100，即表示在Lens后面100 mm的位置就是下一表面的位置，也就是「IMA」面的位置LDE的设罝如下所示：1-7 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(Ray fan plot)可以点击「Ray」这个按钮或透过菜单Analysis->Fans->Ray Aberration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(Chief Ray)的光线象差(Ray aberrations)，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0.588 microns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)1-8 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「Solve Type」里选择Marginal Ray Height，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(Ray fans plot)，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(Spherical aberration)在ZEMAX的Online Help中有一个章有列出有关Solve的解释及讨论1-9 设罝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：l 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。

l 在数学上的观点上，需要设罝优化函数(Merit function)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「Solve Type」选Variable这个选项如此各个选项之后将出现「V」的字样1-10 建立绩效函数优化函数(Merit function)被定义于优化函数编辑器(Merit function Editor, MFE)单击键盘的F6或点击菜单的Editors->Merit Function即可开启编辑视窗(MFE)从MFE 点击Tools->Default Merit Function会出现一个Default Merit Function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1-11 增加限制条件接着修正绩效函数(Merit function)，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(Primary Wavelength)，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1-12 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「Auto Update」选项被勾选，则当在运行优化时，所有开启的分析视窗如Ray fans plot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1-13 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100 mm，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100 mm，这是因为我们所设罝的有效焦距操作数(EFFL)只是绩效函数(Merit function)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的操作数下图所示是经过优化后的光线扇形图(Ray fans plot)，其最大像差(Maximum Aberration)约为300 microns1-14 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。