ZEMAX单透镜设计例子详细多图Word文档格式.docx
《ZEMAX单透镜设计例子详细多图Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ZEMAX单透镜设计例子详细多图Word文档格式.docx（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
决定透镜表面的尺寸大小
上面几项是较常使用的参数，而在LDE后面的参数将搭配特殊的表面类型有不同的参数涵义。
1-2设罝系统孔径
首先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的「GEN」按钮里（System->
General）。
点击「GEN」或透过菜单的System->
General来开启General的对话框。
点击孔径标签（ApertureTab）（默认即为孔径页）。
因为我们要建立一个焦距100mm、F/4的单透镜。
所以需要直径为25mm的入瞳（EntrancePupil），因此设罝：
∙ApertureType：
EntrancePupilDiameter
∙ApertureValue：
25mm
点击单位标签（UnitsTab），并确认透镜单位为Millimeters。
单击「确认」来离开对话框。
1-3设罝视场角
点击按钮列中的「Fie」或透过菜单的System->
Filed来开启场对话框，如下图所示。
ZEMAX默认的视场角是即为近轴视场角，其中「Weight」这个选项可以用来设罝各视场角之权值，并可运用于优化。
1-4
设罝波长
可点击按钮列中的「Wav」来设罝波长，如下图所示：
在波长编辑视窗里我们可以设罝不同的波长与其Weight，ZEMAX也有内建一些常使用波长，可透过「Select->
」这个选项来选择。
在此例子可以透过挑选「F,d,C（Visible）」这个选项来设罝波长0.486、0.587、0.656 （Microns），单击「OK」即可。
1-5
键入透镜资料
现在我们要键入Lens的参数。
在ZEMAX是透过设罝依序排列的表面来建立出光学系统。
在此建立单透镜这个例子需要建立4个表面。
∙Theobjectsurface（OBJ）：
设罝光线的起始点
∙Thefrontsurfaceofthelens（STO）：
光线进入Lens的位置。
在这例子里，这表面的位置也决定了光阑（Stop）的位置
∙Thebacksurfaceofthelens
（2）：
光线从Lens出来并进入空气中的位置。
∙Theimagesurface（IMA）：
光线追迹最后停止的位置，不可以在IMA这个之后设罝任何的表面。
这个位置上并非存真实的表面，而是一个哑的表面。
默认的LDE视窗中只有3表面（3列），为了符合此例子需要增加一个表面。
将游标移到「IMA」并按下按键盘上的Insert键，即可产生「2」这个面。
「OBJ」是第0面，「STO」是第1面，「2」是第2面、「IMA」是第3面。
1-6
设罝透镜参数
首先设罝Lens的材料为「BK7」，将游标移到第1面的Glass栏，键入BK7并按Enter。
而此时ZEMAX便会去查寻数据库里BK7的光学属性，来决定其各个波长下之折射率。
Lens的厚度由第1面的Thickness栏来设罝，这个栏是指表面的中心点沿着光轴到下一个表面的距离。
孔径25mm厚度4mm的Lens是合理的，直接在「Thickness」栏内键入数值即可。
接下来键入Lens的曲率半径，本例子使用一个左右曲率对称的Lens，先将第1面的曲率半径设罝为100mm，第2面的曲率半径设罝为-100mm。
在第1面及第2面的「Radius」栏键入数据，正值表示曲率中心点在表面的右边，负值表示曲率中心点在表面的左边。
「IMA」的位置就是设在Lens的焦距上，所以距离Lens大约100mm左右，直接在第2面「2」的「Thickness」栏键入100，即表示在Lens后面100mm的位置就是下一表面的位置，也就是「IMA」面的位置。
LDE的设罝如下所示：
1-7
评估系统性能
在ZEMAX中有很多分析功能可评估系统的质量好坏，其中一个最常用的分析工具是光线扇形图（Rayfanplot）。
可以点击「Ray」这个按钮或透过菜单Analysis->
Fans->
RayAberration来开启这个功能。
在点击之后会出现一个视窗，显示各光线与主光线（ChiefRay）的光线象差（Rayaberrations），左边的图是显示Y或正切方向的光线象差，右边的图是显示X或弧矢方向的光线象差。
这个分析图表是以0.588microns为主波长，其线型在原点附近斜率不为零，表示产生离焦现象（Defocus）。
1-8
使用解
为了定标离焦（Defocus），透过调整第2面「2」到IMA面的距离（焦距＝100mm）来解决这个问题。
Solves是一个特别的功能，主要是针对特定ZEMAX的参数进行动态调整，以符合某些特别的情况
先要点击第2面的Thickness后，单击鼠标右键，将会出Solve的设罝视窗。
在「SolveType」里选择MarginalRayHeight，然后敲点「OK」即可发现LDE视窗第2面的「Thickness」由100改变为96，并且会出现「M」的记号。
在次点击「Ray」这个选钮显示光线扇形图（Rayfansplot），可发现像差线条已由原本的斜线变为S的形状，而这表示此Lens有球差（Sphericalaberration）。
在ZEMAX的OnlineHelp中有一个章有列出有关Solve的解释及讨论。
1-9
设罝优化
我们希望使用优化来修正这个例子的质量。
除基本设计的形式之外，优化需要两个附加项：
∙设罝允许变动的参数，让ZEMAX可自由地在允许的范围内调整这个参数，以设计出更好系统。
∙在数学上的观点上，需要设罝优化函数（Meritfunction）的描述，意即评估系统优劣的指标。
这个例子内有3个参数适合被改变而来进行优化，包括两个表面的曲率半径以及透镜到「IMA」面的距离。
只要将游标移至第1面「STO」及第2面「２」的「Radius」栏及第2面的「Thickness」栏点击并按Ctrl+Z或按鼠标右键选，在「SolveType」选Variable这个选项。
如此各个选项之后将出现「V」的字样。
1-10
建立绩效函数
优化函数（Meritfunction）被定义于优化函数编辑器（MeritfunctionEditor,MFE）。
单击键盘的F6或点击菜单的Editors->
MeritFunction即可开启编辑视窗（MFE）。
从MFE点击Tools->
DefaultMeritFunction会出现一个DefaultMeritFunction的视窗，点击「Reset」后再点击「OK」。
后面我们还会说明这个视窗的相关设罝，现在先以默认条件进行优化。
1-11
增加限制条件
接着修正绩效函数（Meritfunction），包括系统焦距的需求。
将游标移在MFE的第一列并单击按键盘的Insert来产生新的一列，在此列的Type栏上键入EFFL后按Enter。
这个操作数的功能是在运算出系统有效焦距，在计算有效焦距时必须设罝参考的主波长（PrimaryWavelength），在此例子里使用第二波长为参考波长，所以在第一列的「Wav#」栏中键入为2。
接着在「Target」栏里键入100并按Enter，「Weight」设为1再按Enter，最后将此视窗关闭，虽然关闭编辑视窗但设罝已储存，并不会遗失。
1-12
运行优化
点击「Opt」或Tools->
Optimization，便会出现Optimization的视窗。
在优化的对话视窗里，如果「AutoUpdate」选项被勾选，则当在运行优化时，所有开启的分析视窗如Rayfansplot以及LDE的数据将及时变动。
在此请点击「Automatic」这个按钮来进行优化。
1-13
光线扇形图
这个优化的动作是调整Lens的曲率半径使透镜焦距接近100mm，并调整透镜与成像面的距离，以消除离焦（Defocus）。
其是利用最小波前误差之均方根值为依据进行优化，而此次的优化的并没有使焦距完完全全等于100mm，这是因为我们所设罝的有效焦距操作数（EFFL）只是绩效函数（Meritfunction）中众多操作数的一项而已，所以在运行优化时也需要符合其它优化条件。
其实在许多的设计之中，可以透过LDE里Solve功能来使调整焦距以符合设计需求，而不需使用MFE的操作数。
下图所示是经过优化后的光线扇形图（Rayfansplot），其最大像差（MaximumAberration）约为300microns。
1-14
二维设计图
点击Analysis->
Layout或点「Lay」这个选项便可以显示2D设计图（Layout）。
此2D设计图的视窗上点击Settings->
NumberofRays->
7->
OK即可显示出如下之图。
1-15
弥散斑
在ZEMAX众多的分析工具里，除了常使用光线扇形图来分析设计系统的光学性能之外，另外也有一个分析功能－弥散斑（SpotDiagrams）也是一个相当常用的分析图表。
弥散斑（SpotDiagrams）可以显示出平行光束通过光学系统后聚焦于成像面上的斑点。
可点击Analysis->
SpotDiagram->
Standard或点击「Spt」即可显示出光斑（SpotDiagrams）的分析图。
如下图所示，可由图表判断其Stop的图表大约有400microns的半径大小，而AiryDisk有5.7mircons。
也可以由此图看出整个系统的像差，由于不同的波长其之焦距点也不一样，所以其成像会产生模糊现象。
1-16
光程差扇形图
另一个常用的分析工具是OPDFans，这个图是显示光程差（OpticalPathDifference），此图与光线扇形图一样采用主光线（Chiefray）为参考光，显示光离开光瞳（ExitPupil）后的光程差，而光线扇形图（RayFansPlot）一样也是显示光程差但其是显示光在IMA面上的光程差。
OpticalPath或点「Opd」即可显示光程差扇形图（OPDFansPlot）。
1-17
进一步分析
这个设计够好了吗?
当波前像差（WavefrontAberration）小于1/4的波长时，则需考虑到透镜的衍射极限（DiffractionLimited）（有关这类的讨论可在使用手册（User'
sGuide）里找到详细的说明）。
在此例子还不需要考虑到衍射极限。
为了改善系统的光学性能，设计者都必须了解光学系统中那一些像差限制了系统的光学性能，以及要进行什么修正才可以有效的处理像差问题。
在这一次的设计中，优化后仍然有轴向色差（AxialColorAberration）及球差（SphericalAberration）。
如果在光线扇型图（RayFanPlot）中发现原点部分的曲线斜率不为零（即系统含有离焦），这是因为优化的过程ZEMAX透过近轴焦点（ParaxialFocus）的移动来补偿球差，以达到最小的球差（SphericalAberration）。
就色差（ChromaticAberration）而言，焦距的变动是随波长而异，可以在ChromaticFocalShiftPlot看出来。
Miscellaneous->
ChromaticFocalShift，而分析图是显示出波长与焦距位移的关系图。
如下图所示
所以虽然此例子已作了最佳化，但仍然有像差存在，仍有设计及进步的空间。
PS：
这个例子是我从ZEMAX葵花宝典这样一本书上copy下来的，因为觉得这样一个简单的例子对于初学入门很不错，而且很多书上也有类似的例子，另外《ZEMAX葵花宝典》这样一本书我过一阵会上传上来，然后再整理点别的资料一起。
希望大家会喜欢，呵呵。
不得不说的是ZEMAX实在是太强大了！
升级会员 