ZEMAX光学设计——单透镜设计

凡尘莲花1 · 发表于 2023-2-27 17:41:13

序列模式与非序列模式

序列模式使用几何光线追迹，是对规则的可预见的光线进行追迹；即光线必须按照事先规定的表面顺序，即光线不可以跳过任何一个面或者反向。

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序列模式结构

非序列模式模拟的就是真实物理光源的发光情况，光线随机生成并传播，适用于照明系统；

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非序列模式结构

其次，序列模式下使用Surface表面建模，非序列模式采用实际物体建模，需要定义光源采用光线。
2. 单透镜系统参数
一．设计参数

入瞳直径EPD： 20mm
相对孔径F/#: 10
全视场角FFOV： 10°
波长Wavelength: 587nm
玻璃Matcrial: BK7
Best RMS Spot Radius

二．设计步骤

初始参数设置

(1) 设置入瞳直径

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入瞳直径设置

(2) 设置视场Fie
全视场为10°，视场角（3视场）5°，其0.7倍为2视场3.5°

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视场设置

视场是什么？视场就是成像系统所能观察到的区域范围，也就是像面所能看到的物面范围（物面有多少范围参与成像）每一个视场对应一个物点，这个物点发出的锥形光束充满整个光瞳，可以简单理解成这个锥形光束的中心光线与光轴的夹角就是视场角。
(3) 设置波长Wav

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波长设置

以上，基本参数设置完成
2. 单透镜初始结构
一个单透镜由两个表面组成，因为只有一个透镜，则光阑面STO就是透镜的前表面，透镜后面的设置，则我们需要在像面IMA前插入一个面（如下图中的2面）。透镜材料的设置需要在前表面（STO）中的Glass上设置（如题BK7），而且我们知道相对孔径F的公式：
\[F = \frac{{f&#39;}}{D}\]
已知，F=10，D=20，则f’自然就是200，然后我们可以根据工程光学的基本知识，通过厚透镜的焦距计算公式确定单透镜的前/后表面曲率和厚度。在这里，计算机辅助的优势就出现了，我们只需要设置目标参数，并对某些值做求解类型，zemax将会自动计算得出透镜参数
(1) 插入表面并设置Glass
还需设置半口径Semi-Diameter

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lens data

(2) 设置求解类型
为了简单，我们可以先设计个平凸透镜，即STOP面平，而2面凸，并在此面上设置求解类型F/#，即这个面的曲率半径必须符合F/#=10（即焦距200）。

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设置求解类型

在2面处右键鼠标，

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设置后

计算的2面曲率为-101.943mm，不同版本可能有差异

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参数

最下方可见焦距EFFL，相对孔径WFNO，入瞳直径EPND，系统总长TOTR
(3) 设置边缘光线高度求解类型
在2面厚度处设置，

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设置边缘像高求解类型

设置后可以发现2面的厚度变为200，即像面正好在透镜像焦平面处。

可以查看2D图与光扇图：

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2D Layout

Ray Fan

3. 单透镜的变量与优化目标
以上步骤后，单透镜的初始结构已经设置完成，但是光学系统不仅仅要满足最基本的孔径，焦距，视场等要求，还需要在满足这些要求的情况下拥有最佳的成像质量。因此，我们需要将lens data上的一些参数设置为变量（即告诉zemax这些参数在优化时是可以改变的），将某个参数后的类型更改为“V”（变量）即可。
(1) 将单透镜的前表面曲率半径和透镜厚度设置为变量

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设置变量

(2) 优化单透镜
在上一步中我们将两个参数设置变量，让软件自行找到这些变量的最优解，但是实际设计与加工中肯定有一定的参数限制要求，并且软件还需要知道什么时候才算优化结束，就需要设置一些要求，这时候就需要评价函数Merit Function。
根据设计要求的最后一条，我们需要优化到最小光斑。

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评价函数设置

优化函数optimization function中的图像质量image quality中我们可以选择光斑spot。
光瞳积分pupil integration中的两种方法，其一是高斯环形积分Gaussian Quadrature，此法多采用在系统为旋转对称结构且没有渐晕的设计中，其二矩形阵列Rectangular array就应用在存在渐晕的系统中。
边界条件boundary values规定了镜片厚度于空气间隔的取值范围。
在这里我们仅仅更改了图像质量image quality为spot，然后Apply后局部优化local optimization。

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初步优化后

可以发现，透镜变得很长，实际加工和应用中肯定不能去做那么大的柱镜。因此，我们需要限定透镜的最大尺寸，可以在边界条件boundary values中进行修改。

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优化限定

设置后，再次进行局部优化：

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优化后

Spot Diagram

由上边的光斑图，三个市场的RMS光斑半径分布为16μm，51μm和90μm，可以发现1视场时的光斑还是挺小的，但是视场变大后光斑快速变大，这应该是由场曲（大视场光斑椭圆）的存在引起的。究其原因，我们在初始结构设计时，系统使用了边缘光线高度求解类型，这就限制了像面位置只能在近轴焦平面处，极大的限制了光斑的优化。

因此，我们将2面（透镜后表面）的厚度设置为变量，再次优化。

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再次优化后的spot Diagram

优化后可以发现光斑的尺寸有了明显提高。
由上边的光斑图我们可以发现，影响单透镜成像质量的相差主要是两种：像散和场曲。如何减小这两种像差呢？我们知道像散和场曲都是视场的函数，因此我们可以通过光阑的位置来提高成像质量。
在我们的初始结构中，透镜前表面就是唯一的光阑，不可更改，因此我们可以在透镜前表面插入一个光阑，如图在原STOP面前插入新表面并设置为光阑STOP，并将厚度设置为变量

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