光学系统设计zemax初级教程.docx

光学系统设计（Zemax初学手册）内容纲目:前言习作一： 单镜片(Singlet)习作二：双镜片习作三：牛顿望远镜习作四：Schmid t-Cassegrain 和 aspheric correc tor习作五：multi-configuration laser beam expander习作六：fold mirrors 和 coordinate breaks习作七：使用 Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces前言整个中华卫星二号「红色精灵」科学酬载计划，其量测仪器基本上是个光学仪器所以 光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环这份初学手册提供初学者使用软件作光学系统设计练习，整个需要 Zemax 光学系统设计 软件它基本上是Zemax使用手册中tut orial的中文翻译，由蔡长青同学完成，并在Zemax E. E. 7.0上测试过由于蔡长青同学不在参与「红色精灵」计划，所以改由黄晓龙同学接 手进行校稿与独立检验，整个内容已在 Zemax E. E. 8.0 版上测试过我们希望藉此初学手 册（共有七个习作）与后续更多的习作与文件，使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握 （陈志隆注）（回内容纲目）习作一：单镜片(Singlet)你将学到：启用 Zemax,如何键入 wavelength, lens data,产生 ray fan, OPD, spot diagrams，定义thick ness solve以及variables,执行简单光学设计最佳化。

设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focal length为100mm,在可见光谱下， 用 BK7 镜片来作首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE),什么是LDE呢？它是你要的工作场所，譬 如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius, thickness，大小，位置 等然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths,依喜好键入你要的波长， 同时可选用不同的波长等现在在第一列键入0.486,以micro ns为单位，此为氢原子的F-li ne 光谱在第二、三列键入0.587及0.656,然后在primary wavele ngth上点在0.486的位置， primary wavele ngth主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial op tics，即 firs t-order optics)下的几个主要参数，女口 focal length, mag ni fica tion, pupil sizes 等再来我们要决定透镜的孔径有多大既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？ F/# 就是光由无限远入射所形成的effec tive focal le ngth F跟paraxial ent ra nee pupil的直 径的比值。

所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)于是从system menu上选 gen eral dat a, 在 aper value 上键入 25, 而 aper ture type 被 defau It 为 Entrance Pupil diame ter也就是说，entran ce pupil的大小就是aper ture的大小回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ, STO及IMAOBJ就是发光物，即 光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设 计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO,若不是如此，则可在 STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了而IMA 就是imagi nepla ne,即成像平面回到我们的sin gle t,我们需要4个面(surface)，于是 在STO栏上，选取insertcifter，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2,通常OBJ为0, STO 为 1 ，而 IMA 为 3再来如何输入镜片的材质为BK7。

在STO列中的glass栏上，直接打上BK7即可又孔 径的大小为25mm，则第一面镜合理的thickness为4,也是直接键入再来决定第1及第2 面镜的曲率半径，在此分别选为 100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负值 而再令第 2 面镜的 thickness 为 100现在你的输入数据已大致完毕你怎么检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的 fans,其中的 Ray Aberra tio n,将会把 tra nsverse 的 ray aberra tion 对 pupil coordi nate 作图其中ray aberration是以chief ray为参考点计算的纵轴为EY的，即是在Y方个 的 aberra tio n,称作 tan ge nt ial 或者 YZ pla ne同理 X 方向的 aberra tion 称为 XZ pla ne 或 sagittal Zemax主要的目的，就是帮我们矫正defocus,用solves就可以解决这些问题solves 是一些函数，它的输入变量为 curvatures， thickness， glasses， semi-diameters， conics， 以及相关的 parameters 等。

parameters 是用来描述或补足输入变量 solves 的型式如 curvature 的型式有 chief ray angle， pickup， Marginal ray normal， chief raynormal ， Aplanatic， Elementpower， concentricwithsurface 等而描述 chiefrayanglesolves 白勺 parameter 即为 angle，而补足 pick up solves白勺 parameters 为 surface， scale factor 两项，所以parameters本身不是solves，要调整的变量才是solves的对象在 surface2 栏中的 thickness 项上点两下，把 solvetype 从 fixed 变成 MarginalRay height，然后OK这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0，即paraxial focus 再次update ray fan,你可发现defocus已经不见了但这是最佳化设计吗？再次调整surface 1的radius项从fixed变成variable，依次把surface 2的radius，及放弃原先的surface 2 中 thick ness 的 Margi nal Ray height 也变成 variable。

再来我们定义—个 Meri t function， 什么是 Merit function 呢？ Merit function 就是把你理想的光学要求规格定为一个标准（如 此例中focal le ngth为100mm），然后Zemax会连续调整你输入solves中的各种variable,把 计算得的值与你订的标准相减就是 Merit function 值，所以 Merit function 值愈小愈好， 挑出最小值时即完成 variable 设定，理想的 Merit function 值为 0现在谈谈如何设 Merit function， Zemax 已经 default —个内建的 merit function， 它的功能是把RMS wavefro nt error减至最低，所以先在edi tors中选Meri t fu net io n,进 入其中的Tools，再按Defaul t Merit Funct io n键，再按ok，即我们选用defaul t Merit funct ion，这还不够，我们还要规定给meri t funct ion —个 focal le ngth为100的限制， 因为若不给此限制则Zemax会发现focal length为00时，wavefront aberration的效果会 最好，当然就违反我们的设计要求。

所以在Merit function editor第1列中往后插入一列， 即显示出第2歹I」，代表surface 2,在此列中的type项上键入EFFL（effective focal length）， 同列中的 target 项键入 100， weight 项中定为 1跳出 Merit function editor，在 Tools 中选 optimization 项，按 Automatic 键，完毕后跳出来，此时你已完成设计最佳化重新检 验 ray fan，这时 maximum aberra tion 已降至 200 micro ns其它检验 optical performance 还可以用 Spot Diagrams 及 OPD 等从 Analysis 中选 spot diagram中的stan dard，则该spot大约为400 micro ns上下左右交错，与Airy diffraction disk 比较而言，后者大约为 6 microns 交错而 OPD 为 optical path differenee （跟 chief ray 作比较），亦从 Analysis 中挑选，从 Fans中的Optical Path，发现其中的aberration大约为20 waves，大都focus，并且 spherical ， spherochromatism 及 axial color。

Zemax 另外提供—个决定 first order chroma tic abbera tio n 的工具，即 the chroma tic focal shift plo t，这是把各种光波的 back focal length 跟在 paraxial 上用 primary wavelength 计算出 first order 的 focal length 之间的差异对输出光波的 wavelength 作图，图中可指出各光波在 paraxialfocus 上 的 varia tion从 An alysis 中 Miscella neous 项的 Chroma tic Focal Shift 即可叫出回内容纲目）•习作二：双镜片你将学到：画出 layouts 和 field curvature plots,定义 edge thickness solves, field angles 等一个双镜片是由两片玻璃组成，通常黏在一起，所以他们有相同的curvature借着不 同玻璃的 dispersion 性质， the chromatic aberration 可以矫正到 first order 所以剩下 的chroma tic aberra tion主要的贡献为seco nd order，于是我们可以期待在看chroma tic focal shift plot图时，应该呈现出parabolic curve的曲线而非一条直线，此乃seco nd order effect的结果（当然其中varia tion的scale跟first order比起来必然小很多，应该下降 一个 order）。

跟习作一一样，我们仍然要设计一个在光轴上成像， focallength 为 100mm 的光学系统， 只不过这次我们用两块玻璃来设计选用 BK7 和 SF1 两种镜片， wavelength 和 aperture 如同习作一所设，既然是 doubl。