zemax手把手教程
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ZEMAX手把手教程
课程1:单透镜(a singlet)
你将要学到的:开始ZEMAX,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。
假设你需要设计一个F/4的镜片,焦距为100mm,在轴上可见光谱范围内,用BK7玻璃,你该怎样开始呢?
首先,运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑(LDE)。你可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸,以适合你自己的喜好。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。
L DE中的一小格会以“反白”方式高亮显示,即它会以与其他格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。如果没有一个格子是高亮的,则在任何一格上用鼠标点击,使之高亮。这个反白条在本教程中指的就是光标。你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE,使光标移动到你想要停留的地方,或者你也可以只使用光标键。LDE的操作是简单的,只要稍加练习,你就可以掌握。
开始,我们先为我们的系统输入波长。这不一定要先完成,我们只不过现在选中了这一步。在主屏幕菜单条上,选择“系统(System)”菜单下的“波长(Wavelengths)”。
屏幕中间会弹出一个“波长数据(Wavelength Data)”对话框。ZEMAX中有许多这样的对话框,用来输入数据和提供你选择。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486,这是氢(Hydrogen)F谱线的波长,单位为微米。
Z EMAX全部使用微米作为波长的单位。现在,在第二行的波长列中输入587,最后在第三行输入656。这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作,转到适当的区域,然后键入数据。在屏幕的最右边,你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长,当前为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,放大率等等。
ZEMAX一般使用微米作为波长的单位
“权重(Weight)”这一列用在优化上,以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL 率。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。
现在我们需要为镜片定义一个孔径。这可以使ZEMAX在处理其他的事情上,知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个F/4镜头,我们需要一个25mm的孔径(100mm的焦距除F/4)。设置这个孔径值,选择“系统”中的“通常(General)”菜单项,出现“通常数据(General Data)”对话框,单击“孔径值(Aper Value)”一格,输入一个值:25。注意孔径类型缺省时为“入瞳直径(Entrance Pupil Diameter)”,也可选择其他类型的孔径设置。除此之外,还要加入一些重要的表面数据。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,我们以后将会讨论到。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。对于我们的单透镜来说,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(我们刚才输入了BK7的地方)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。
现在,我们需要为镜
片输入每一面的曲率半
径值。让我们设想一下,
前面和后面的半径分别
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。
图E1-1
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)”。你将会看到光线特性曲线图在一个小窗口显示出来(如果看到任何出错信息,退回并确认是否所有你所输入的数据与所描述的是一致的)。光线特性曲线图如图E1-1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(参考“SOLVES”这一章)
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
图E1-2
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图E1-2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。
这是不是所能得到的最佳的设计呢?我们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,它门是: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 toggle”;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,它的值会复盖(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”。出现一个与LDE类似的电子表格。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”。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。