第二章 ZEMAX软件（译）

章牛险 · 发表于 2023-3-17 15:11:33

建议和专栏的“ZEMAX软件使用入门”配合一起阅读，能更好的理解。
Introduction to lens design with ZEMAX 的第二章翻译
作者:Joseph M.Geary
第二章 ZEMAX软件
2.1 ZEMAX软件简介
本课程主要使用焦点软件公司的ZEMAX光学设计软件。该软件界面友好，性能强大，性价比高，目前使用非常普遍。其它的光学设计软件还有Code V、Synopsis和Oslo等。无论如何，作为学生至少需要熟练使用一种光学设计软件。本章对ZEMAX进行初步介绍和基本操作，更深入的功能可以参考ZEMAX软件的手册。
2.2 数据输入
在开始镜头设计和分析之前，需要将镜头的初始结构参数输入到软件中。镜头的基本参数包括：透镜参数、孔径参数、视场和波长等。下面以一个双凸透镜作为例子进行数据输入。
2.2.1 在镜头数据编辑器中输入镜头参数
如图2.1所示，软件主界面的最上端是一行工具栏，包含文件（File）、编辑器(Editor)、系统(System)等。在其下面一行，有一行按钮快捷键，包含有更新(Upd)、普通参数(Gen)、视场(Fie)和波长(Wav)等等。在按钮快捷键下面则是镜头数据编辑器(Lens Data Editor ,LDE)。
在LDE中，表面类型(Surface Type)在第一行的最左边，其下面的行最左端分别为物面(OBJ)、光阑面(STO)和像面(IMA)。移动鼠标点击STO表格，然后按下插入键，则在STO表面上一行增加一个表面，为表面1。然后移动鼠标到IMA面并同样操作2次，插入2个表面，为表面3和表面4.s
表面类型的右边列，分别是注释、半径、厚度、玻璃、半口径和二次项系统。在半径列，移动鼠标到表面3，输入100；再移动到下一表面4输入-100.
在厚度列，移动鼠标到表面1，输入25；接着移动鼠标到表面3，输入10；下移鼠标到表面4，鼠标双击，出现一个副菜单，在解类型行，点击下拉箭头，出现不同的解类型可供选择。选择边缘光线高度，并在高度和光瞳上选择0，点击OK确定退出副菜单。此时旁边小表格内会出现字母M，表明此表格会根据物在无穷远时的近轴光线自动求解计算的后焦距位置。

第二章 ZEMAX软件（译）-1.jpg

图2.1 ZEMAX光学软件初始界面
鼠标转到玻璃列，选择表面3并插入BK7玻璃。
鼠标转到半直径列，选择表面3并输入值25，下移到表面4并输入值25。输入完成后，两个表格后面的小表格内会出现字母U，表明这两个表格是用户定义的值。半直径栏只是定义了透镜的实际尺寸，并没有定义系统的孔径，系统孔径需要在Gen对话框中定义。
到此完成镜头数据编辑器内的数据输入工作。
2.2.2 对话框
鼠标点击Gen按钮，出现一个普通参数对话框，可以定义系统孔径尺寸、选择玻璃库、选择长度单位等。在空间类型点击下拉箭头，出现可选择的不同孔径类型，根据入瞳口径，在下面的孔径值中输入40，定义系统孔径。注意系统默认的单位是毫米，我们保持此设定不变。
如果我们不在LDE中定义透镜尺寸，所有表面的孔径尺寸会自动根据定义的孔径数值计算得到。玻璃库默认是肖特玻璃库，同样保留此默认设置。

第二章 ZEMAX软件（译）-2.jpg

图2.2 双凸透镜的描述文件
鼠标选择Fie按钮，打开视场设置菜单。0视场为默认设置，点击最左边的选择按钮，激活视场2和视场3.在Y视场列，视场2行，输入7.07，在视场3输入10。这样我们设置了0度、7.07度和10度三个视场。ok键退出。
鼠标选择Wav按钮，打开波长设置菜单。默认有一个波长，不过不是我们需要的。在波长第一行输入0.486(F)，启用另外两个波长，分别输入0.587(d)和0.656(C)，完成3个典型波长的输入。也可以在波长菜单的下方选择波长的下拉箭头，选择对应波长并点击选择按钮确认完成波长输入。
刚开始操作时会有一点不习惯，慢慢使用后会逐渐熟悉并习惯。镜头数据编辑器的数据参见图2.2所示。图2.2是镜头描述文件的硬拷贝，可以在Pre按钮点击后出现的菜单中，选择Settings打开子菜单，从中选择surface data得到镜头数据。当然也可以根据需要选择其它的数据。
2.3 显示
通过Lay按钮可以查看系统的具体形状，如图2.3所示。可以通过点击Layout界面的Settings查看并设置系统显示的缩放因子。我们在此将其缩放因子设置为1，即根据实际尺寸显示系统尺寸。同样，在Settings中还可以设置光线显示的数目、设置显示的视场和波长。可以通过在Settings中的多种尝试设置探索不同选项的具体意义，增加理解。
本系统中物在无穷远，所以从3个视场中过来是的平行光。此处我们通过设置，可以看到透镜前表面25mm长度内的平行光，主要是用于观察，值可以根据需要变动。系统的光阑和入瞳位置重合，直径为40mm，小于透镜直径的50mm值，满足使用要求。此处在此强调，在半直径列设置的值知识用来显示并约束透镜尺寸的，对系统参数并无影响。像面位置是根据近轴解算出来的近轴焦面位置，具体如表面4的厚度栏所示为95.068mm。（注：实际操作过程中，如果出现求解出的值和此处的有差异，并且检查参数和要求的一致，原因则很可能出在玻璃数据的差异上。）

第二章 ZEMAX软件（译）-3.jpg

图2.3双凸透镜的光路示意图

第二章 ZEMAX软件（译）-4.jpg

图2.4透镜光学系统的一阶特性参数

第二章 ZEMAX软件（译）-5.jpg

图2.5 ZEMAX软件的分析选项列表

第二章 ZEMAX软件（译）-6.jpg

图2.6 光学系统的几种分析图示图
2.4 一阶特性
此时，我们有几个系统参数还没有明确值，比如系统的有效焦距（effective focal length ，EFL）、系统的F数等。为得到这些值，以及其它的一阶参数值，可以通过点击Sys按钮查看。点击Sys会给出如图2.4所示的列表，给出系统的所有系统参数信息。从图2.4可以看出，系统的EFL为98.42mm，系统总长为130.07mm（从系统的第一个表面到像面）。
注意列表给出了3中F数，其中第一种为像空间的F数，公式定义为焦距/入瞳口径，值为2.46。其它2中在2.8节给出论述。
2.5 分析
在软件主界面，Analysis菜单提供计算、显示和画图等功能，基本上覆盖设计分析的方方面面，具体如图2.5所示。
比如，如果想查看光线追迹的信息，可以点击Calculations，将会弹出一个菜单框，在其中选择Ray Trace，就可以查看边缘光线的近轴和实际光线追迹信息。光线参数可以在Settings中设置，可以通过视场位置和入瞳位置来选择光线，其中视场位置和入瞳位置都是以归一化坐标给出。对于常用的分析功能，除可以在Analysis中选择，也可以在常用按钮栏中选择，比如Ray、Opd、Spt和Mtf。作为实例，图2.6给出了光线图、点列图以及场曲和畸变图。
2.6 保留设计过程文件
实际设计过程中，为了减小像差，我们往往会尝试很多种方法去优化设计镜头文件。这样很容易非常容易失去设计中间过程的文件。但是，设计过程中每一步的文件都非常重要。设计过程的文件信息不仅要包括变量选取、评价函数构成等，也包括每一步设计过程中的文件名称。
本课程中，镜头文件的名称规则如下：

前4个字符定义系统类型；
第5个字符是1~9中的一个数字，代表的是相同类型镜头文件的分开设计或相同设计问题的不同优化方法；
第6个字符一般总是字母o，代表的是优化过程；
接下来的字符是数字，代表的是优化过程中的一个特定步骤；
最后一个字符是b或者a，代表的是优化前（before optimization）或优化后（after optimization）。

图2.7 F数和像空间入射角U‘的关系
例如，TRIP2o4b代表的是一个第二次设计的三片式镜头，且是第4次优化前。同时建议大家在将一个设计问题都单独保存在一个文件夹中。例如，TRIP2o4b应该被保存在Triplet文件夹中。
命名规则也可以提供其它的重要和特别的功能。它方便我们在设计过程中保持清晰的设计思路。如果学生们都遵循相同命名规则的话，也方便教师对作业进行分类与评分。另外，建议跟随作业附加一个说明文档，文档中为描述每个优化过程中的相关操作和设置以及优化方法等。第3章将会给出一个附加文档的示例，建议后续的作业中都参照这种方式配备有说明文档。
2.7 ZEMAX玻璃库
一般我们在LDE中插入玻璃材料是，我们一般选用的是制造商提供的产品信息，比如说Schott, Ohara, or Corning。ZEMAX中有一个玻璃库目录，里面存放了以制造商名字命名的玻璃库。只有将某玻璃厂家目录添加到玻璃库适用目录中，ZEMAX软件才会在适用过程中自动读取其的数据。玻璃库中有一个专门的红外材料库和一个杂项材料库，以满足红外和其它非常规需求。
ZEMAX中的玻璃折射率不是以列表的形式存储给出的波长和折射率对应数据，而是以多项式函数的形式存贮玻璃材料的波长和折射率关系。表征折射率和波长关系的多项式前6项系数被保存用来计算折射率。点击Gla按钮，可以打开玻璃库菜单界面，可以看到这6项系数值，同时也给出了多项式的表达形式，以多项式名称的形式给出。这些系数是根据材料的实际测量值，通过对象拟合计算得到的系数，一般来讲每个多项式都有其适用的波长范围，适用的时候要多加注意。
ZEMAX玻璃库中仅有d光的折射率被单独给出。如果我们想查看系统使用波长的折射率率，需要通过Pre -> Settings -> Index Data -> OK查看。
2.8 其它
2.8.1 F数进一步讨论
我们知道在ZEMAX中有三种F数的定义。
第一种是像空间的F数，公式如下所示：

第二章 ZEMAX软件（译）-10.jpg

另外两种，我们考虑平行入射的光线入射到薄透镜上，如图2.7所示。F数和光线相较于焦点时的入射角有关系，这种我们成为近轴工作F数。如果物在无穷远，近轴工作F数就和像方F数一致。只有当物在有限远，则光线入射角U’就会得到一个不同的F数结果。

第二章 ZEMAX软件（译）-11.jpg

最后一种F数成为工作F数，定义如下所示：

第二章 ZEMAX软件（译）-12.jpg

工作F数用于实际像差系统中像空间光线入射角U&#39;偏移其对应的理想非像差情况较大是采用。
我们将在第四章进一步讨论近轴和实际光线。
注：一般情况下，工作F/#比像空间F/#有更大的参考价值，因为工作F/#是基于实际光线数据计算得到的。另外工作F/#是根据边缘光线计算得到的，某些情况光学系统像差太大会导致不能追迹边缘光线，此时软件自己会自动做一个小处理，导致计算精度会有下降。建议在前期像差较大的优化阶段关注像方F/#即可，待像质较好的情况下同时参考像方F/#和工作F/#.

第二章 ZEMAX软件（译）-13.jpg

图2.8 物方视场或光瞳面上输入参数的环带选择
2.8.2 光线选择
考虑如图2.8所示的单位圆，其面积约为3.1416个单位。则同心圆的半径值为何时可以使其面积为单位圆面积的一般？
计算如下：

第二章 ZEMAX软件（译）-14.jpg

从上面计算结果可以得到，0.7071半径将单位圆的面积一分为二且两面积大小相等。
基于此结果的应用有两种：
一是选择圆形物方视场的时候使用，一般选取归一化的0.707视场作为中间视场；
二是选择圆形入瞳口径的时候使用，一般选取归一化的0.707作为入瞳口径的中间值。
当我们使用默认的评价函数去设置优化约束限制过程中，会发现采用的是此结果。2.2.2节中，我们之所以选择0度、7.07度和10度，中间7.07度是不是随意选取的，是根据0.707的结果乘以最大视场得到的。

翻译：王庆丰
光学设计导论-知乎专栏
仅做学习交流使用，谢绝商业转载。
保留翻译后文章的所有权利。
如有侵权行为请联系作者删除。
转载请注明作者和出处。

东边是黄海 · 发表于 2023-3-17 15:11:59

光学设计在知乎是大冷门，支持大牛

第二章 ZEMAX软件（译）

相关帖子

快速回帖

关于楼主