zemax实例教程中文版.pdf

ZEM A X 实例教程 中文版 简介简介 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 课程课程 1 单透镜 单透镜 a singlet 你将要学到的 你将要学到的 开始开始 ZEMAX 输入波长和镜片数据 生成 输入波长和镜片数据 生成光线特性曲线光线特性曲线 ray fan 光程差曲线光程差曲线 OPD 和 和点列图点列图 Spot diagram 确定厚度求解方法和变 量 进行简单的优化 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 是使用得最多的 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 Wavelength Data 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 最后在第三行输入 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 在屏幕的最右边 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 General Data 对话框 单击 孔径值 Aper Value 一格 输入一个值 25 注意孔径类 型缺省时为 入瞳直径 Entrance Pupil Diameter 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 最后一个面 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 最有用 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 Ray Aberration 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 Y 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 X 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 Marginal Ray Height 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最佳的设计呢 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 Variable toggle 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 Merit Function 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 你最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波前差最小的追迹光线组成 但这并不够 因为除了使弥散斑尺 寸最小外 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 最佳化 Optimization 会显 示最佳化工具对话框 注意 自动更新 Auto Update 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 会按最佳 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 关闭最佳化对话框 最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 最佳化的设计结 果的最大的像差约为 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 Optical Path 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 。