› 首页 ›资讯 › 查看内容

ZEMAX光学设计实例（1）---单透镜（a singlet）

2021-12-20 10:19| 发布者：Davis| 查看：3914| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：这篇文章介绍了使用ZEMAX进行单透镜光学设计的流程，包括输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线、光程差曲线和点列图，以及进行简单的优化。使用BK7玻璃，在可见光谱范围内设计了一个焦距为100mm的F/4镜头。通过光线特性曲线图等工具对镜片的像质进行评价。

导论：

设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，使用BK7玻璃。（此实例来自ZEMAX Manual）

熟悉ZEMAX的操作界面，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（ray fan），光程差曲线（OPD），和点列图（Spot diagram），确定厚度求解方法和变量，进行简单的优化。

设计流程：

（1）运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑（Lens Data Editor, LDE）。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。

（2）为我们的系统输入波长。在主屏幕菜单条上，选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”，或者选择快捷按键“Wav”。

屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。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0.486，单位为微米，在第二行的波长列中输入0.587，最后在第三行输入0.656。

因为选择的光谱范围是可见光，可以直接点击选择F，d，C（Visible）。

注意：ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。

在Wavelength Data对话框的最右边，有一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长，当前选择为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。

“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（RMS spot size）和斯特列尔比（Strehl Ratio）。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。

（3）现在为镜片定义一个孔径。这可以使ZEMAX知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个焦距100mm的F/4镜头，我们需要一个25mm的孔径（100mm焦距除以4）。

设置这个孔径值，选择“系统（System）”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aperture Value）”一格，输入一个值：25。注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（EntrancePupil Diameter）”，也可选择其他类型的孔径设置。

（4）现在定义视场。在主屏幕菜单条上，选择“系统（System）”菜单下的“视场（Field Data）”，或者选择快捷按键“Fie”。因为在轴上，只选择第一行的X-Field和Y-Field都为0。

（5）输入各个表面数据。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。

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。

对于一个单透镜来说，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。

然后为镜片输入每一面的曲率半径值。让我们设想一下，透镜前面和后面的曲率半径分别是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。

（6）像质评价：

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）”。光线特性曲线图如下图所示。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εY。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εX，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下图所示。现在，离焦已消失，主要的像差是球差。注意图中比例的改变。

（7）优化：

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，它们是：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”；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，它的值会覆盖（overrides）先前用求解定出的值。

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”（或者按F6）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（Default Merit Function）”。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。