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Zemax光学设计实例（156）---ZEMAX中的初级像差描述

2022-4-12 16:17| 发布者：Davis| 查看：5417| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article explains the primary aberrations in Zemax optical design, including spherical aberration, coma, astigmatism, field curvature, and distortion. It provides practical examples and simulations to demonstrate how these aberrations affect image qua

引言：

实际的光学系统都是不完美的，光线经过光学系统各个表面的传输都会形成多种像差。光学设计的一个重要任务就是校正、优化与平衡这些像差，使成像质量达到技术要求。

常见的初级像差包括5种单色像差（球差、彗差、像散、场曲与畸变）和2种色差（轴向色差与倍率色差）。

1. ZEMAX中的球差描述

以一个简单的单透镜为例。

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“50.0”；

在视场设定对话框中设置1个视场，要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，设定0.55um一个波长，如下图：

LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

查看Ray Fan：

Ray Fan图中可以定量分析球差在不同孔径的大小，可以看出球差曲线具有旋转对称性；而且由于不存在离焦的情况，其在中央区域很平坦。

查看点列图：

可以看出，不同环带（孔径）的光线会聚于光轴的不同点。球差是和孔径相关的像差。

查看波前图：

从光程差上分析，球差的产生其实是波前相位的移动，即出瞳参考球面与实际球面波前的差异。当实际波前和参考波前分离时，光程差不再相等，这样物面同一束光经实际透镜和理想透镜后，相当于产生了牛顿干涉环。

查看Seidel Coefficients：

也可以在MFE中使用操作数查看球差值。

Surf若不指定某一个面(取值为0)，则计算所有面产生球差总和。

2. ZEMAX中的彗差描述

使用一个带Binary 2面型的单透镜来模拟彗差。

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“20.0”；

在视场设定对话框中设置1个视场，要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，设定0.55um一个波长，如下图：

LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

查看Ray Fan：

Ray Fan图显示彗差为主要像差，残余还有离焦和球差。

查看点列图：

可以看出，不同环带（孔径）的光线会聚于光轴的不同点。彗差是和孔径相关的像差。

查看波前图：

查看Seidel Coefficients：

也可以在MFE中使用操作数查看彗差值。

3. ZEMAX中的像散描述

使用ZEMAX自带的例子“Cooke 40 Degree Field”来描述像散。

LDE，如下图：

像散指轴外物点发出的锥形光束通过光学系统聚焦后，光斑在像面上子午方向与弧矢方向的不一致性，也就是，轴外视场光束通过光瞳后，在子午方向和弧矢方向光程不相等，从而造成两个方向光斑分离。

点列图，如下图：

从弥散斑的形状看出，轴外视场的弥散斑表现出明显的非旋转对称性，特别是第2个视场，这是像散的主要表现形式。

查看离焦的点列图：

从上图看出，在第2个视场，在子午面或者弧矢面的一个焦点处，弥散斑呈现为一条直线。

查看Ray Fan：

在Ray Fan中，第2个视场，Py与Px像差曲线不一致，说明存在较大的像散。

查看波前图：

由于子午面和弧矢面的光程差不同，这将形成类似于柱面的波前形状。

查看Seidel Coefficients：

也可以在MFE中使用操作数查看像散值。

4. ZEMAX中的场曲描述

以一个简单的单透镜为例。

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“25.0”；

在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，设定0.55um一个波长，如下图：

LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

从上图可以看出，3个视场的最佳焦点位于一个曲面上。

对于单透镜，这样的场曲是必然存在的，称其为匹兹万场曲，场曲的曲面弯曲半径大小近似为透镜焦距的2倍。

查看点列图：

场曲随视场变化，所以不能用单一视场或某一物点成像光斑来描述场曲。如果点列图中，不同视场的弥散斑大小像差很大，可以侧面说明有较大的场曲。

查看场曲：

查看Image Simulation：

从模拟后的图像可以看出，近轴焦平面，图像清晰，但边缘很模糊，这是场曲造成的。

查看Seidel Coefficients：

也可以在MFE中使用操作数查看场曲值。

5. ZEMAX中的畸变描述

使用ZEMAX自带的例子“Wide angle lens 100 degree field”来描述畸变。

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“9.144”；

在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，选定F,d,C，如下图：

LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

查看畸变：

从上图看出，这个广角光学系统的畸变大约为45%。

查看Grid Distortion：

使用网格畸变功能可以直观查看畸变形状大小，从上图看出，这个光学系统为明显的负畸变（桶形畸变）。

查看Image Simulation：

从模拟后的图像可以看出，畸变改变了像的形状，但没有影响像的清晰度。

可以在MFE中使用操作数查看最大畸变值。

6. ZEMAX中的色差描述

色差分两种：轴向色差和垂轴色差。

轴向色差也叫球色差或位置色差，指不同波长的光束通过透镜后焦点位于沿轴的不同位置，因为它的形成原因同球差相似，故也称其为球色差。由于多色光聚焦后沿轴形成多个焦点，无论把像面置于何处都无法看到清晰的光斑，看到的像点始终都是一个色斑或彩色晕圈。

垂轴色差也叫倍率色差，指轴外视场不同波长光束通过透镜聚焦后在像面上高度各不相同，也就是每个波长成像后的放大率不同，故称为倍率色差。多个波长的焦点在像面高度方向依次排列，最终看到的像面边缘将产生彩虹边缘带。

使用一个的单透镜来模拟色差。

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“20.0”；

在视场设定对话框中设置1个视场，要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，设定F.d.C三个波长，如下图：

LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

查看Ray Fan：

在Ray Fan中，查看轴上视场，轴上视场产生球色差，即在同一孔径区域不同波长在轴上的焦点不同，以最大光瞳区域光线为例（Py=1），它们在Ray Fan 图上的纵坐轴之差即为沿轴的焦点距离。

打开Longitudinal Aberration，查看轴向色差。

上图中，横坐标表示像面两边沿轴离焦距离，纵坐标为不同光瞳区域。

打开Lateral Color，查看垂轴色差大小。

上图中，在Settings没有勾选“All Wavelengths”，黑线表示的是设定的最长的波长在像面上主光线的位置减去最短的波长在像面上主光线位置所得的差值。

查看Seidel Coefficients：

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