ZEMAX从设计到精通分析.docx

1、ZEMAX从设计到精通分析Zemax课程实例讲解1您将学会: 开始使用Zemax, 怎么进入波长, 透镜数据, 生产光芒风扇, OPD, 斑点图, 定义厚度以及可变物解决, 执行简单的光学设计优化。设想您必须设计F/4 唯一透镜使用在光学轴, 它焦点长度是100mm, 在可看见的光谱之下, 做与BK7 透镜。第一呼喊ZEMAX 透镜数据编辑(LDE), 什么是LDE? 它是您想要的操作的站点, 例如您决定了必须使用什么透镜, 几透镜, 透镜半径, 厚度, 大小, 位置. 等等。然后选择您想要的光, 选择根据名单系统在主人, iriss 在波长之外, 根据喜欢波长哪些进入您要, 可以同时选择另外

2、波浪长度等等。现在进入0 。在第一列486, 作为微米作为单位, 这是氢原子F 线光谱。在第二, 三列输入0 。587 和0 。656, 然后在主要在波长在0 。486 个位置, 主要波长主要是用途为计算 paraxial 光学(即优先处理的光学) 几主要各种各样的元, 象焦点长度, 放大, 学生大小等等。再来我们必须决定开口有在大的透镜方式。因为分配想要F/4 透镜, 什么所谓的F 是/#? F/# 是轻有效形成由无限远的发生焦距F 以paraxial 入口学生直径比率。所以我们现在需要开口是100/4=25 (毫米) 。于是从系统在菜单选择一般数据, 输入25 在aper 价值, 但开口键

3、入是Eatrance 学生直径。换句话说, 入口学生大小是开口大小。回归到LDE, 也许看对3 不同表面, 在有条有理是OBJ, STO 并且IMA 。OBJ 是发光物, 即photosource, STO 是开口中止意思, STO 不一定是的第一透镜照明来见面, 您当设计小组光学系统, STO 也许选举在任一个透镜, 通常第一个镜子是STO, 如果不是为如此, 愿然后按老鼠在STO 这篱芭, 也许加入您想要的透镜, STO 于是不是秋天在第一透镜。但IMA 是想象飞机, 即成像飞机。回归到我们的汗衫, 我们需要4 透镜, 于是在STO 篱芭, 选择插入物 Cifter, 再插入透镜后面STO

4、, 号码是2, 通常OBJ 是0, STO 是1, 但IMA 是3 。多么再来输入透镜物质质量是BK7 。在STO 在列中心玻璃篱芭, 然后直接地得到BK7 。并且开口大小是25mm, 那么首先反映合理的厚度是4, 并且是直接地进入。再被决定的1 和第2 条镜子半径曲度, 各自地选举在这中是100 并且-100, 每是一个圈子的中心在镜子表面右边为当, 否则是消极价值。但再做第2 个镜子厚度是100 。您的输入材料近似地现在完成了。怎么您审查您的设计是否符合要求? 选择在分析风扇里, 光芒变型, 将是能横向光芒变型对学生同等映射。光芒变型是作为首要光芒作为参考点计算。弹道高度轴是EY, 是在Y

5、 犬齿柯变型, 叫作为正切或YZ 飞机。同样原则x 方向变型叫做XZ 飞机或泸顶骨矢状合缝。Zemax 主要目标, 是帮助我们矫正defocus, 也许解决这些问题有解决。解决是一些作用, 它的输入可变物ydo 是曲度, 厚度, 玻璃, 半径, conics, 并且交互作用参量等等。参量是用途为描述或组成输入可变物ydo 解决样式。如果曲度样式有院长发出光线角度, 整理, 少量的光芒正常, 首要光芒法线, 齐明, 元素力量, 同心以表面等等。但描述院长光芒角度解决参量是角度, 但组成整理解决参量是表面, 标度 Fator 二个项目, 因此参量不是解决, 必须调整可变物是解决对象。项目选择二在表

6、面在2 篱芭厚度, 解决型转动少量的光芒高度从固定, 然后好。这调整装于罐中在透镜边缘光在光学轴高度是0, 即 paraxial 焦点。已经更新光芒风扇, 您可发现的defocus 消失更加。但这是优化设计? 调整表面更加 1 条半径项目转动可变物从固定, 反过来表面2 半径, 和给原始的表面 2 中心厚度少量的光芒高度并且转动可变物。再来我们定义优点作用, 什么是优点作用? 优点作用是决定您理想的光学请求规格标准(如此在例子焦点长度是100mm), 那么您输入的stepless 控制解决各可变物导致计算的价值订阅与您对取消的标准是优点作用价值, 值得因此作用价值更小是更好, 采摘最小的价值是

7、易变的完成假说, 理想的优点作用价值是0 。多么闲谈现在假设优点作用, 叫优点作用编辑在将来将插入列在第1 列, 即展示了第2 列, 将代表表面 2, 输入EFFL 在这种列中心类型项目(有效焦点长度), 在同样列目标项目输入100, 在重量项目决定作为1 。跳出优点作用编辑, 选择优化项目在工具里, 根据自动钥匙, 在结束跳出之后, 这时候您完成了设计优化。再检查光芒扇动, 最大变型现在下落了对200 微米。其他并且审查光学表现允许使用斑点图和OPD 等等。选择斑点从分析在图标准, 这个斑点大概然后是 400microns 关于保险设备, 与通风盘比较认为的衍射, 后者大概是6 微米保险设备

8、。但OPD 是光学道路区别(与首要光芒的牌子比较), 并且选择从分析, 从风扇光学道路, 被发现的变型大概是20 波浪, 主要焦点, 并且球状, spherochromatism 和轴向颜色。ZEMAX术语中英文对照近轴光线 （Paraxial Rays）;镜头数据(Lens Data);插入或删除面数据 (Inserting and deleting surfaces);输入面注释(Entering surface comments);输入半径数据(Entering radii data);输入厚度(Entering thickness data);输入玻璃数据(Entering glass

9、 data);输入半口径数据(Entering semi-diameter);输入二次曲面数据(Entering conic data);输入参数数据 (Entering parameter data);确定光栏面(Defining the stop surface);选择面型(Selecting surface types);各面通光口径的确定(Specifying surface apertures);用户自定义口径和挡光(User defined apertures and obscurations);到达表面和从表面射出的光线的隐藏(Hiding rays to and from su

10、rfaces);设置和撤销求解(Setting and removing solves);光圈类型 （Aperture Type);入瞳直径 （Entrance Pupil Diameter）;像空间F/# （Image Space F/#）;物空间数值孔径（Object Space Numerical Aperture）物空间边缘光线的数值孔径（nsinm）;通过光栏尺寸浮动（Float by Stop Size）;近轴工作F/#（Paraxial Working F/#）;物方锥形角 （Object Cone Angle）;光圈值 （Aperture Value);镜头单位 （Lens U

11、nits）;玻璃库 （Glass Catalogs）;光线定位 （Ray Aiming）;使用光线定位贮藏器 （Use Ray Aiming Cache）;加强型光线定位（慢）（Robust Ray Aiming （slow）;光瞳漂移：X，Y，Z （Pupil Shift：X，Y，and Z）;“视场光瞳偏移比例因子” （Scale pupil shift factors by field）;变迹法 （Apodization Type）;变迹因子 （Apodization Factor）;光程差参数 （Referece OPD）;近轴光线 （Paraxial Rays）;快速非球面追迹 （F

12、ast Asphere Trace）;检查梯度折射率元件的口径 （Check GRIN Apertures）;半口径余量% （Semi Diameter Margin in %）;半口径的快速计算法(Fast Semi-Diameters);全局坐标参考面 （Global Coordinate Reference Surface）;视场 （Fields）;偏振状态 （Polarization State）;外形图(Layout);二维外形图(2D Layout);3D外形图(3D Layout);立体模型(Solid Model);光线像差(Ray Aberration);光程(Optical

13、 Path);光瞳像差(Pupil Abberation);离焦(Through Focus);全视场(Full Field);矩阵(Matrix);球差（W040），彗差（W131），像散（W222），匹兹凡场曲（W220P），畸变（W311），轴向色离焦项（W020），轴向色倾斜（W111），弧矢场曲（W220S），平均场曲（W220M），子午场曲（W220T）;优化 (Optimization);全局优化(Global Search);锤形优化(Hammer Optimization);消除所有的变量(Remove All Variable);评价函数列表(Merit Function

14、Listing);公差(Tolerancing);公差列表(Tolerance Listing);公差汇总表(Tolerance Summary);镀膜列表(Coating Listing);变换半口径为环形口径(Convert Semi-Diameter to Circular Apertures);镜头缩放(Scale Lens);生成焦距(Make Focal);快速调焦(Quick Focus) ;添加折叠反射镜（Add Fold Mirror）;幻像发生器(Ghost Focus generator);系统复杂性测试(Performance Test);表面数据（Surface Da

15、ta）;系统数据（System Data）;规格数据（Prescription Data）;Boresight erro 视场差ZEMAX光学软件习作一：单镜片(Singlet)你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lens data，产生ray fan，OPD，spot diagrams，定义thickness solve以及variables，执行简单光学设计最佳化。设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7镜片来作。首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什麽是LDE呢？它是你要的工

16、作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置等。然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.486的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magn

17、ification，pupil sizes等。再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什麽呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，在aper value上键入25，而aperture type被default为Entrance Pupil diameter。也就是说，entrance pupil的大小就是aperture的大小。回到LDE，

18、可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按滑鼠，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面 (surface)，于是在STO栏上，选取insert cifter，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。再来如何

19、输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接打上BK7即可。又孔径的大小为25mm，则第一面镜合理的thickness为4，也是直接键入。再来决定第1及第2面镜的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负值。而再令第2面镜的thickness为100。现在你的输入资料已大致完毕。你怎麽检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，其中的Ray Aberration，将会把transverse的ray aberration对pupil coordinate作图。其中ray aberration是以chief ray为参考点计算的。纵轴

20、为EY的，即是在Y方个的aberration，称作tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration称为XZ plane或sagittal。Zemax主要的目的，就是帮我们矫正defocus，用solves就可以解决这些问题。solves是一些函数，它的输入变数为curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相关的parameters等。parameters是用来描述或补足输入变数solves的型式。如curvature的型式有chief ray angle，pick up，Marginal ray norma

21、l，chief ray normal，Aplanatic，Element power，concentric with surface等。而描述chief ray angle solves的parameter即为angle，而补足pick up solves的parameters为surface，scale factor两项，所以parameters本身不是solves，要调整的变数才是solves的对象。在surface 2栏中的thickness项上点两下，把solve type从fixed变成Marginal Ray height，然后OK。这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height

22、为0，即paraxial focus。再次update ray fan，你可发现defocus已经不见了。但这是最佳化设计吗？再次调整surface 1的radius项从fixed变成variable，依次把surface 2的radius，及放弃原先的surface 2中thickness的Marginal Ray height也变成variable。再来我们定义一个Merit function，什麽是Merit function呢？Merit function就是把你理想的光学要求规格定为一个标准(如此例中focal length为100mm)，然后Zemax会连续调整你输入solves中

23、的各种variable, 把计算得的值与你订的标准相减就是Merit function值，所以Merit function值愈小愈好，挑出最小值时即完成variable设定，理想的Merit function值为0。现在谈谈如何设Merit function，Zemax 已经default 一个内建的merit function，它的功能是把RMS wavefront error 减至最低，所以先在editors中选Merit function，进入其中的Tools，再按Default Merit Function 键，再按ok，即我们选用default Merit function ，这还不

24、够，我们还要规定给merit function 一个focal length 为100的限制，因为若不给此限制则Zemax会发现focal length为时，wavefront aberration的效果会最好，当然就违反我们的设计要求。所以在Merit function editor第1列中往后插入一列，即显示出第2列，代表surface 2，在此列中的type项上键入EFFL(effective focal length)，同列中的target项键入100，weight项中定为1。跳出Merit function editor，在Tools中选optimization项，按Automati

25、c键，完毕后跳出来，此时你已完成设计最佳化。重新检验ray fan，这时maximum aberration已降至200 microns。其他检验optical performance还可以用Spot Diagrams及OPD等。从Analysis中选spot diagram中的standard，则该spot大约为400 microns上下左右交错，与Airy diffraction disk比较而言，后者大约为6 microns交错。而OPD为optical path difference(跟chief ray作比较)，亦从Analysis中挑选，从Fans中的Optical Path，发现

26、其中的aberration大约为20 waves，大都focus，并且spherical，spherochromatism及axial color。 Zemax 另外提供一个决定first order chromatic abberation 的工具，即 the chromatic focal shift plot，这是把各种光波的back focal length跟在paraxial上用primary wavelength 计算出first order的focal length之间的差异对输出光波的wavelength 作图，图中可指出各光波在paraxial focus上的variatio

27、n。从Analysis中Miscellaneous项的Chromatic Focal Shift即可叫出。ZEMAX光学软件习作二：双镜片你将学到：画出layouts和field curvature plots,定义edge thickness solves, field angles等。一个双镜片是由两片玻璃组成，通常黏在一起，所以他们有相同的curvature。藉着不同玻璃的dispersion性质，the chromatic aberration可以矫正到first order所以剩下的chromatic aberration主要的贡献为second order，于是我们可以期待在看ch

28、romatic focal shift plot图时，应该呈现出parabolic curve的曲线而非一条直线，此乃second order effect的结果（当然其中variation的scale跟first order比起来必然小很多，应该下降一个order）。跟习作一一样，我们仍然要设计一个在光轴上成像，focal length为100mm的光学系统，只不过这次我们用两块玻璃来设计。选用BK7和SF1两种镜片，wavelength和aperture如同习作一所设，既然是doublet，你只要在习作一的LDE上再加入一面镜片即可。所以叫出习作一的LDE，在STO后再插入一个镜片，标示为

29、2，或者你也可以在STO前在插入一面镜片标示为1，然后在该镜片上的surface type上用滑鼠按一下，然后选择Make Surface Stop，则此地一面镜就变成STO的位置。在第一、第二面镜片上的Glass项目键入BK7即SF1，因为在BK7和SF1之间并没有空隙，所以此doublet为相黏的二镜片，如果有空隙则需5面镜因为在BK7和SF1间需插入另一镜片，其glass type为air。现在把STO旱地二面镜的thickness都fixed为3，仅第3面镜的thickness为100且设为variable，既然要最佳化，还是要设merit function，注意此时EFFL需设在第三

30、面镜上，因为第3面镜是光线在成像前穿过的最后一面镜，又EFFL是以光学系统上的最后一块镜片上的principle plane的位置起算。其他的merit function设定就一切照旧。既然我们只是依习作一上的设计规范，只不过再加一面SF1镜片而已，所以其他的merit function设定就一切照旧。现在执行optimization，程序如同习作一，在optimization结束后，你再叫出Chromatic Focal Shift来看看，是否发现first order的chromatic aberration已经被reduced，剩下的是second order chromatic abe

31、rration在主宰，所以图形呈现出来的是一个parabolic curve，而且现在shift的大小为74 microns，先前习作一为1540 microns。再看其他的performance效果，叫出Ray aberration，此时maximum transverse ray aberration已由习作一的200 microns降至20 microns。而且3个不同波长通过原点的斜率大约一致，这告诉我们对每个wavelength的relative defocus为很小。再者，此斜率不为0(比较习作一Fig E1-2)，这告诉我们什麽讯息呢？如果斜率为0，则在pupil coordin

32、ate原点附近作一些变动则并不产生aberration代表defocus并不严重，而aberration产生的主要因素为spherical aberration。故相对于习作一(比较他们座标的scale及通过原点的斜率)，现在spherical aberration已较不严重(因为aberration scale已降很多)，而允许一点点的defocus出现，而出现在rayfan curve的S形状，是典型的spherical balanced by defocus的情况。现在我们已确定得到较好的performance，但实际上的光学系统长的什麽样子呢？选择Analysis，Layout，2D Layout，除了光学系统的摆设外，你还会看到3条分别通过entrance pupil的top，center，bottom在空间被trace出来，他们的波长是一样的，就是你定的primary wavelength(在此为surface 1)。这是Zemax default的结果。 但是现在还有一个问题，我们凭直觉定出STO的thickne