zemax实验.ppt
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1、将将要要学学到到的的:更更好好地地理理解解坐坐标标断断点点,为为倾倾斜斜和和偏偏心心系系统统设设立立的的符符号号约约定定,反反射镜面的应用。射镜面的应用。先前的课程中讲述了如何设计一个牛顿望远镜,那一课中介绍了反射镜面和先前的课程中讲述了如何设计一个牛顿望远镜,那一课中介绍了反射镜面和坐标断点概念,该课的重点为:坐标断点概念,该课的重点为:1 1)厚度在经过一个镜面后总是会改变符号。经过奇数面的镜面后,总厚度应)厚度在经过一个镜面后总是会改变符号。经过奇数面的镜面后,总厚度应该是负的。此符号的约定与镜面的数量或坐标断点的存在无关。该是负的。此符号的约定与镜面的数量或坐标断点的存在无关。2 2)
2、坐标断点通常成对出现,并夹在反射面中间。)坐标断点通常成对出现,并夹在反射面中间。例例8 折叠反射镜面和坐标断点折叠反射镜面和坐标断点第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例如何在会聚光束中手动加入折叠反射镜面。如何在会聚光束中手动加入折叠反射镜面。菜菜单单FileFile/NewNew。在在镜镜片片数数据据编编辑辑器器(LDELDE)窗窗口口,显显示示三三个个面面:OBJOBJ,STOSTO,和和IMAIMA,也也即即第第0 0,1 1和和2 2面面。在在表表面面类类型型列列上上双双击击,然然后后用用从从下下拉拉列列表表中中选选Paraxial Paraxial 的的方方法法将将S
3、TOSTO面面的的类类型型改改为为近近轴轴镜镜片片,将将STOSTO面面的的厚厚度度设设为为100100,这这是是近近轴轴镜镜片片的的缺缺省省焦焦距距。然然后后,选选SystemSystem,GeneralGeneral,在在弹弹出出的的对对话话框框里里输输入入孔孔径径值值2020(这这会会产产生生一一个个F/5F/5镜镜片片)。单单击击 OK OK 关关闭闭对对话话框框。现现在在选选AnalysisAnalysis,LayoutLayout,3D 3D LayoutLayout执执行行一一次次3D3D图图形形。你你将将会会看看到到左左边边出出现现一一个个平平面面,光光线线集集中中在在右右边边
4、的的一一个个焦焦点点上上。任任何何光光学学系系统统都都可可用用来来产产生生会聚光束,为简单起见用一个近轴镜片表达。会聚光束,为简单起见用一个近轴镜片表达。例例8 折叠反射镜面和坐标断点折叠反射镜面和坐标断点第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例加入单个反射镜面使会聚光束方向向上。反射镜面的初始位置的方向为加入单个反射镜面使会聚光束方向向上。反射镜面的初始位置的方向为45度。假设我们度。假设我们需要反射镜面离开近轴透镜需要反射镜面离开近轴透镜30mm的距离,就要求有的距离,就要求有3个新的镜面:一个坐标断点使坐标个新的镜面:一个坐标断点使坐标系统转系统转45度,一个反射镜面,还有另外
5、一个使反射光旋转度,一个反射镜面,还有另外一个使反射光旋转45度。关键的一点是:这三个面度。关键的一点是:这三个面都要求使用一个单反射镜面来实现。要加入三个表面,在像面行上任何一处单击,使光标都要求使用一个单反射镜面来实现。要加入三个表面,在像面行上任何一处单击,使光标重新定位,按重新定位,按Insert键键3次,将第次,将第1面(面(STO面)的厚度改为面)的厚度改为30,在第,在第3面的玻璃列输入面的玻璃列输入MIRROR,再将第,再将第4面(面(IMA前一面)的厚度改为前一面)的厚度改为-70。注意。注意70是负的,因为经过奇数面的是负的,因为经过奇数面的镜面后厚度符号改变。镜面后厚度符
6、号改变。现在更新现在更新3D图形窗口。图会被重画,你将看到从焦点发出的光,落在镜面上,再反弹回图形窗口。图会被重画,你将看到从焦点发出的光,落在镜面上,再反弹回离近轴透镜左边离近轴透镜左边40mm的焦点上。反射镜面没有被倾斜。的焦点上。反射镜面没有被倾斜。例例8 折叠反射镜面和坐标断点折叠反射镜面和坐标断点第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例要使反射镜面倾斜要使反射镜面倾斜4545度,可双击第度,可双击第2 2和和4 4面的面的表面类型列,将这些面改为坐标断点,并从下表面类型列,将这些面改为坐标断点,并从下拉列表中选拉列表中选Coordinate BreakCoordinate
7、Break。向右滚动屏幕。向右滚动屏幕(用光标键或(用光标键或LDELDE底部的滚动条)直到出现参底部的滚动条)直到出现参量列。在第量列。在第2 2和和4 4面上会有一系列的面上会有一系列的0 0。单击第。单击第4 4面的面的Parameter 3Parameter 3列,出现列头显示列,出现列头显示“Tilt Tilt About XAbout X”。在该格上双击(确信你是在第。在该格上双击(确信你是在第4 4面面上),在弹出的对话框中,下拉列表中选上),在弹出的对话框中,下拉列表中选PickupPickup作为一种求解(作为一种求解(SolveSolve)类型,设)类型,设From Fro
8、m SurfaceSurface为为2 2,Scale FactorScale Factor为为1.01.0。这会使第。这会使第二个坐标断点旋转始终与第一个保持同样的旋二个坐标断点旋转始终与第一个保持同样的旋转角。单击转角。单击OKOK。注意在表格的值旁有个。注意在表格的值旁有个“P P”,表明是从求解(,表明是从求解(pickup solvepickup solve)中得到的。)中得到的。现现在在移移到到第第2 2面面,在在“tilt tilt about about x x”列列里里输输入入4545。从从主主菜菜单单选选SystemSystem,Update Update AllAll,你
9、你将看到如图所示的图形。将看到如图所示的图形。例例8 折叠反射镜面和坐标断点折叠反射镜面和坐标断点第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例注意近轴镜片的厚度为注意近轴镜片的厚度为3030,位于第一个坐标断点的旋,位于第一个坐标断点的旋转顶点。坐标断点的厚度是转顶点。坐标断点的厚度是0 0,表示反射镜面是在同一,表示反射镜面是在同一点上。但是,坐标断点已将坐标系统旋转了点上。但是,坐标断点已将坐标系统旋转了4545度。镜面度。镜面本身是不旋转的,只有它所在的坐标系统,才被旋转。本身是不旋转的,只有它所在的坐标系统,才被旋转。镜面的厚度为镜面的厚度为0 0,因为我们在移到下一个面前,要旋
10、转,因为我们在移到下一个面前,要旋转另一个另一个4545度。第二个坐标断点先旋转另一个度。第二个坐标断点先旋转另一个4545度,然后度,然后向焦点移动向焦点移动-70-70个单位。注意所有的倾斜和偏心处理应个单位。注意所有的倾斜和偏心处理应在厚度改变之前。在厚度改变之前。要实现另一个反射镜面,单击像面使光标落在那儿,要实现另一个反射镜面,单击像面使光标落在那儿,按按Insert Insert 键键3 3次。将第四面的厚度从次。将第四面的厚度从-70-70改为改为-30-30,第,第6 6面的玻璃改为面的玻璃改为MIRRORMIRROR,第,第7 7面的厚度改为面的厚度改为+40+40(再次注意
11、(再次注意经过镜面后符号的改变),再将第经过镜面后符号的改变),再将第5 5和和7 7面的表面类型改面的表面类型改为坐标断点,在第为坐标断点,在第5 5面对面对X X轴倾斜中输入轴倾斜中输入4545度。在第度。在第7 7面的对面的对X X轴的倾斜轴的倾斜(tilt tilt about about x x)上上双双击击,在在此此参参量量上上安安放放一一个个pick pick up up solvesolve。求求解解(pick pick upup)是是从从第第5 5面面得得到到的的,比比例例因因子为子为1 1。更新。更新3D3D图层,应该如图所示。图层,应该如图所示。例例8 折叠反射镜面和坐标
12、断点折叠反射镜面和坐标断点第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例第第2 2系列的系列的break-mirror-breakbreak-mirror-break系统将光束再转系统将光束再转9090度,因此它仍然与初始度,因此它仍然与初始光轴平行。由于我们已在每一系列中加入了光轴平行。由于我们已在每一系列中加入了“pickupsolvespickupsolves”,就可很容,就可很容易地通过改变易地通过改变2 2个数字将光束倾斜。试着在第个数字将光束倾斜。试着在第2 2和和5 5面的面的“tilt about xtilt about x”中中输入输入3030和和-60-60,然后选,然
13、后选SystemSystem,Update AllUpdate All可看到可看到3 3维图上的影响。维图上的影响。例例8 折叠反射镜面和坐标断点折叠反射镜面和坐标断点第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例要求:设计一个扫面系统,扫描一个直径为要求:设计一个扫面系统,扫描一个直径为50mm的氦氖激光光束,扫描角度的氦氖激光光束,扫描角度10,后面有,后面有一个一个F/3的聚焦透镜系统。的聚焦透镜系统。分析:需要设计一个分析:需要设计一个F/3的双胶合透镜,的双胶合透镜,EPD为为50mm,留,留5mm的边缘冗余量,波长为氦氖的边缘冗余量,波长为氦氖激光的红色波长,使用激光的红色波长
14、,使用N-BK7和和F2玻璃材料。玻璃材料。菜单菜单system/general.设置设置EPD为为50mm,5mm的边缘冗余量,菜单的边缘冗余量,菜单system/wavelengths.波长为氦氖激光的红色波长波长为氦氖激光的红色波长0.6328,一个,一个FIELD.如图建立各面如图建立各面,如如图设置各面的图设置各面的Thickness、Glass。双击面。双击面5的的radius,设置,设置F number为为3,其,其Radius自动自动变为变为-92.483261.例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例使使面面2
15、成成为为反反折折镜镜,透透镜镜参参照照面面1旋旋转转90角角,点点击击tools/Coordinates/add fold mirror,打开对话框,输入如下值。打开对话框,输入如下值。例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例显示如下图。反折镜面后方所有面的厚度均变号。显示如下图。反折镜面后方所有面的厚度均变号。例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例现现在在,为为了了使使镜镜面面成成为为一一个个扫扫描描镜镜,需需要要倾倾斜斜它它。因因为为扫扫描描角角度度为为10
16、。所所以以在在45标称位置倾斜标称位置倾斜5。为了使镜面成为扫描镜,使用倾斜为了使镜面成为扫描镜,使用倾斜/偏心元件工具。偏心元件工具。选择选择tools/coordinates/tilt/decenter.在对话框中输入如下值。在对话框中输入如下值。例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例更更新新3D图图如如图图所所示示。这这个个工工具具插插入入了了额额外外的的两两个个坐坐标标断断点点面面,所所以以现现在在这这个个镜镜面面在在45的标称位置倾斜了的标称位置倾斜了5。例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章
17、第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例建建立立一一个个在在45标标称称位位置置扫扫描描角角为为5的的模模型型。点点击击Editor/Multi-configuration,打打开开多多重重结结构构编编辑辑器器。在在多多重重结结构构编编辑辑器器里里点点击击两两次次edit/insert config,这这样样就就有三个结构。双击编辑器最左边的栏。有三个结构。双击编辑器最左边的栏。设置如下参数。设置面设置如下参数。设置面3的参数的参数3为多重结构参数。为多重结构参数。例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例接着编辑输入如下值。
18、接着编辑输入如下值。在在3D Layout界界面面中中点点击击Setting,打打开开设设置置对对话话框框,如如下下设设置置相相关关参参数数。看到所有三个结构都重叠了。看到所有三个结构都重叠了。例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例这时,可以手动按键盘的这时,可以手动按键盘的CTRL-A改变结构。改变结构。例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例注意,在倾斜
19、和非倾斜过程中,反射镜和透镜的半径不同,随着结构的变化注意,在倾斜和非倾斜过程中,反射镜和透镜的半径不同,随着结构的变化 而变化。而变化。解决办法、;最大值解决办法可以设置半径为所有结构中的最大值。解决办法、;最大值解决办法可以设置半径为所有结构中的最大值。方法,点击菜单方法,点击菜单“tool/Apertures/Convert Semi-Diameters to Maximum Apertures”进行设置。进行设置。优化:优化:当前的透镜是为了优化在轴上的情况。当前的透镜是为了优化在轴上的情况。接下来,优化透镜在接下来,优化透镜在5视野内,视野内,优化之前,优化之前,需重建评价函数以适应
20、新的结构。需重建评价函数以适应新的结构。重新运行默认的评价函数工具。重新运行默认的评价函数工具。运行菜单运行菜单“Editor/Merit Function”,在在Merit function Editor窗口中,运行窗口中,运行“tools/default merit functions”,在在打开的窗口中进行如下设置。打开的窗口中进行如下设置。例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例先看看当前的点图。运行菜单先看看当前的
21、点图。运行菜单“Analysis/spot diagrams/configuration matrix”,例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例玻璃代替:本例中所有的玻璃代替:本例中所有的3个结构中使用的是相同的玻个结构中使用的是相同的玻璃,因此在棱镜数据编辑器璃,因此在棱镜数据编辑器LDE中输入玻璃代替物。中输入玻璃代替物。运行运行“Tools/Optimization/Glass Substitution Template.”,进行如下设,进行如下设置:置:例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三
22、章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例扫描镜分为两类:扫描镜分为两类:Galvanometer反射镜和反射镜和Polygon反射镜。反射镜。Galvanometer反射镜:镜面在顶点的倾斜;反射镜:镜面在顶点的倾斜;Polygon反射镜:在镜面顶点后面的一个偏置点处扫描。反射镜:在镜面顶点后面的一个偏置点处扫描。目前是目前是Galvanometer反射镜扫描。反射镜扫描。接下来进行接下来进行Polygon反射镜设计。假设镜面顶点到多边形的中心距离为反射镜设计。假设镜面顶点到多边形的中心距离为60mm,将,将LED中进行如下设置中进行如下设置例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirro
23、r)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例然后在然后在LDE中双击面中双击面4,打开面,打开面4的属性对话框,进行如下的设置。的属性对话框,进行如下的设置。例例9 扫面镜(扫面镜(Scanning Mirror)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例再看其再看其3D Layout图,如图所示,此时扫描镜关于后表面倾斜。图,如图所示,此时扫描镜关于后表面倾斜。例例10 离轴抛物镜离轴抛物镜(Off-Axis Parabolas)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例抛物面非常有用,能把一束平行光会聚成一个点,而没有像差。离轴抛物面常用在例例10 离轴抛物镜离轴
24、抛物镜(Off-Axis Parabolas)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例标准面的k=-1时就形成抛物面。创建一个新系统,入瞳直径为10mm。如图输入相关值。面2为抛物面,焦距为曲率半径的一半,与光线方向相反。例例10 离轴抛物镜离轴抛物镜(Off-Axis Parabolas)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例其3D布局图和OPD fan 如图所示,非常理想。例例10 离轴抛物镜离轴抛物镜(Off-Axis Parabolas)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例接下来使反射镜 大些。设置面2的Semi-diameter为100mm,在其旁
25、边出现一个“U”,表示这是用户定义的。例例10 离轴抛物镜离轴抛物镜(Off-Axis Parabolas)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例接下来使反射镜 大些。双击面2,打开其属性对话框,进行如下设置。确定例例10 离轴抛物镜离轴抛物镜(Off-Axis Parabolas)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例再看其3D布局图,如图所示例例10 离轴抛物镜离轴抛物镜(Off-Axis Parabolas)第三章第三章 ZEMAXZEMAX设计实例设计实例在反射镜面2的前面增加一个CB面,并设置该CB在Y方向有+80mm的平移量。其3D布局如图所示。保存该文件。
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