光设ZEMAX实验讲义.pdf
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1、前言.错误!未定义书签。i第一章ZEMAX软件简介.11.1 简介.11.2 用户界面.11.3 主视窗的操作(Main WindowsOperations).31.4 光学系统的建立.61.4.1 设计要求.61.4.2 初始结构.71.4.3 其他光学特性参数输入方法81.4.4 ZEMAX中像质评价方法.20第二章 ZEMAX优化与操作符.482.1 Merit Function(评价函数)的构成要素 482.2 评价函数的“默认”(缺省)构成方法.502.3 修改成自定义评价函数法.56第三章 像差设计在ZEMAX中的实现.313.1 Default Merit Function 和现
2、有像差控制符的局限性.343.1.1 轴上点的像差操作符的局限性343.1.2 轴外物点的像差操作符的局限性353.2 常见像差控制在评价函数中的实现.373.2.1 轴上球差、色差的控制操作符373.2.2 轴外初级像差的控制操作符.413.2.3 轴外物点视场孔径高级像差的定义及其控制操作符.483.3 像差设计举例.50第四章 像差设计实例.704.1望远镜物镜或准直物镜的设计.70第一章ZEMAX软件简介1.1 简介ZEMAX Optical Design Program(ZEMAX)是由美国 ZeMaX Development Corporation 公 司开发的专用光学设计软件包,
3、软件逐步升 级,我们使用的版本是2007。ZEMAX是Windows平台上的视窗式的用 户界面,操作习惯和快捷键风格如同 WindowSo1.2 用户界面ZEMAX的视窗类型,和Windows的基本 一致,打开不同的视窗可以执行操作不同的任 务,可分为:主视窗(Main Window)ZEMAX启动以后,进入主视窗(图1.1)。主视窗顶端有标题栏(title bar)、菜单栏(menu bar)和工具栏(tools bar)o编辑视窗(EditorWindow)ZEMAX中有6种不同的编辑器(Editors):1即镜头数据编辑器(Lens Data Editor),评价 函数编辑器(Merit
4、 Function Editor)、多重组 态编辑器(Multi-configuration Editor)、公差数 据编辑器(Tolerance Data Editor)、用于补充 光学面的附加数据编辑器(Extra Data Editor)、以及非序列元件编辑器(Non-sequential Components Editor)。图1.1 ZEMAX主视窗界面 图形视窗(GraphicWindow)2最常用的有草图(Layout)、扇形图(Ray fans)、调制传递函数(MTF Plots)图等。文本视窗(Text Windows)设计的文字资料,如详细数据(Prescription D
5、ata)、像差数据等显示在文本视窗中。对话框(Dialogs)固定大小,在过程中跳出来的视窗(鼠 标拖曳不能改变大小)。用于定义或更新视场(Fields)、波长(Wavelengths)孔径(Apertures)面型(Surface types)等。1.3 主视窗的操作(Main Windows Operations)主视窗在执行ZEMAX后显示出来,可以 用鼠标拖动改变大小,如图L1所示。上部有 标题栏、菜单栏、快捷按钮。底部状态栏中显 示当前镜头系统的焦距(EFFL)、F数(WFNO)、入瞳直径(ENPD)、系统总长(TOTR)o主视窗中的快捷按钮和状态栏中内容可 以自定义,菜单栏中有:文
6、件(File)3展开后有文件的打开(Open),新建(New),存储(Save),另存为(Save as)等,偏好(Preference)可以修改文字大小,快捷 按钮和状态栏中的内容。编辑器(Editors)栏中包括ZEMAX中所有编辑器命令,展 开后可打开 Lens data editor,Merit function editoro 系统(System)定义或更新光学系统的光学特性数据,例 如相对孔径、视场和选取的工作波长等。分析(Analysis)它是ZEMAX中的非常重要的菜单之一,是用来进行像质评价和分析的主要工具,对于 其中的每一项的数据的含义,单位要很好地理 解。主要有:Fans
7、中的球差(Ray aberration),点列图(Spot diagrams)、调制传递函数(MTF)、点扩散函数(PSF)、波像差(Wavefront)圆内能量集中度(Encircled Energy);杂项(Miscellaneous)中的场曲与畸 变(Field Curv/Dist)轴向球差(Longitudinal 4aberration)和垂轴色差(Lateral Color)。工具(Tools)也是ZEMAX中的非常重要的菜单之一,分成七块:第一块用来进行光学镜头的局部优 化(Optimization)全局优化(Global/Search/Hammer Optimization)等
8、;第二块分析镜头 的公差,计算传递函数的点列图,波差等变化 量表。第三块是材料选择,有察勘玻璃库或向 库中新增添或删除玻璃条目,寻找简单的透镜 数据并插入到透镜数据编辑器中。第四块是镀 膜模型。第五块是系统中镜头的孔径的定义,可以与渐晕系数配合共同使用O第六块主要用 来整体设计按焦距或放大率缩放当前系 统;在当前系统中加入或删除折转发射镜。第七块以后讨论。报告(Report)形成镜头设计结果的报告,可以作为每 一个光学面的形成报告(Surface data);也能 为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的 报告(System data);还可以给出设计结果的 详细数据报告(Prescriptio
9、n data)。5 宏编程(Macros)执行已经编译好的宏程序。宏程序的编 程过程:(1)使用一般的文本编辑器或使用 ZEMAX自身的编辑功能创建扩展名为“*.ZPL”文件,该文件置于ZEMAX目录下的Macros 目录中;(2)使用ZEMAX提供的命名或函数 库进行程序编写;(3)用Macros菜单下的“Run/EditZpl Macros”执行宏程序。宏程序 可以提取光线追迹数据、像质指标等,可以定 义新的优化设计用的操作符。执行时,宏程序 作用的对象是当前显示的镜头系统。外部程序接口(Extensions)ZEMAX环境中,使用该接口可以执行 外部扩展名为“*.EXE”的执行程序,用来
10、与 ZEMAX交换数据,或ZPL宏不能完成的功能。外部程序可以用C语言等编程工具完成。视窗(Windows)与帮助(Help)菜单1A光学系统的建立1.4.1设计要求如要设计的系统要求:二200 mm,视 6场角2=30,。夕=1/10。物距为:(1)物 距位于有限远,近轴放大率为1;(2)物距位 于无限远。1.4.2初始结构1.选取方法初始结构选取方法有二,一是从国内外 的光学设计手册,专利,镜头数据库中选取;如果手中没有以上资源,则需进行计算,找出 满足光焦度,视场等光学特性要求得雏形,来 作为初始结构。下面以第二种方法为例,建立 起满足特性的初始结构。2.计算建立初始结构由总光焦度和视场
11、要求:至少要有两个 组份构成,有总光焦度=平+用 d 牛(1.1)设两组分光焦度相等,即.则(1.1)式变为=2一 d。2 F F(1.2)式(1.2)中。为已知量,%为未知量,解二次方程可得:70 f=r i Ji-d dL(1.3)如果使用双凸透镜,且两个凸面曲率半径大小 相等,则曲率半径为:勺=2(n-1(1.4)代入设计要求,选择透镜材料为ZF1(如=1.64767,33.87),工作波长为2=0.55MM40uf T,g*Qlaa*.MSdN.II 04II-3fIM M9099m“048t 09949J*“1o 伙 oc。:IP Q07S:1 000004ITOXAtssivy“,
12、X08C4.。坤。0VmS mlp nan。”1 T.l OtMOOVI 888iR g”g|natsfiuty imuU OVQQOOJ.1.4.3其他光学特性参数输入方法 1.General输入相对孔径General 功能可以由“System”fGen”8Files I Hon-Sequential|Polarization Ray Aiming Mise.Aperture|Title/Notes|Units|Glass Catalog s|EnvironmentApert ure Type:l Ent rance Pupil Diamet eiApert ure Val ue:|20Ap
13、odizat ion Type:1 UniformjdApodizat ion Fact or:1厂 Tel ecent ric Object Space快捷键来打开,General对话框如图L2所示。图1.2 General对话框由图L2可以看出,General对话框中具 有 Environment,Polarization,Mise.,Non-Sequential,Aperture,Title/Notes,Glass Catalogs,Ray Aiming 等项。相对孔径的定义在Aperture中设置。最 常用的选项解释如下:A.ApertureAperture Type用于定义相对孔径,
14、即轴上9物点的光束大小。定义的种类有:(1)Entrance Pupil Diameter(入瞳直径)当物体位于无限远时,可以用它来定义 相对孔径,此时的Aper Value中输入具体的入 瞳直径数值,选择Lens Units为Millimeter(毫 米)。(2)Image Space F/#(像方 F 数)无论物体位于无限远还是有限远,都可 以用像方F数来定义相对孔径。其物理意义是“近轴有效焦距(EFFL)/入瞳直径”,此时在 Aper Value中输入F数。(3)Object Space Numerical Aperture(物方数值孔径)当物体位于有限远,可被用来定义相对 孔径,其含义
15、为N.A.=Sin(。),为物方介质 折射率,e为怦Q产期角,如图1.3 所示。J10图 1.3 Oblect Space N.A.示意图在Aper Value中输入N.A.值。(4)Float by Stop Size(由光阑大小决定)这是定义轴上物点光束孔径的另一种 方法,由Lens data Editor中光阑(Stop)面的“Semi-Diameter”大小来决定,止匕时“Lens Data Editor中的光阑大小值右边显示“U”,表示 Stop Surface的孔径被用户固定,无法给出 Aperture,数值输入栏则自动变暗不能被操 作。(5)Paraxial Working F/
16、#(近轴工作 F 数)定义式为:1F-number=-2 n tan 0(1.5)式中为系统像方折射率,9为高斯边缘像方 光线孔径角。在计算夕过程中,认为系统无像 差,按照理想系统的边缘光线追迹方法。在 Aper Value中输入F数,注意前面的Image11Space F/#区别。(6)Object Cone Angle(物方锥角)亦物方孔径角。当物体位于有限远,可 用轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔径,以物空间边缘光线的半角,即图1.4中的。来 定义,单位“度”,可以大于90。图1.4 Oblect Cone Angle定义示意图B.General对话框中其他功能(1)Apodizati
17、on Type(定义光瞳上光强分布)选项有:a)None表示光瞳被均匀昭 八、明b)Gaussian 表示光瞳上光12振幅扰动为高斯型,即:4 p=eGp(1.6)其中p为光瞳归一化极坐标,G为切趾(Apodization)因子,如果 G=0,表示光瞳被均匀照明,G 一般小于40。c)Tangential表示正切型光瞳振幅分布,即:/()=-(1.7)其中Z为光瞳面上面元到点光源的距离,为 光瞳面上的位置坐标(离开光轴的距离),如 图1.5所示,光瞳中心(轴上)为0,最大值 一般被归一化为单位lo图L5正切型照明示意图光振幅/=77,如尸采用归一化的坐标,13有02日本 Hoya、Ohara美
18、国Corning等玻璃生产厂商 的玻璃库,还有红外、塑料材料(PMMA)、双折射晶体材料等内建玻璃库。如光学设计中,要选用中国玻璃库,有 两种方法:力使用Len Data Editor视窗中Glass栏的Model功能,输入V-,即可;切导入中国玻璃库Chinaglass库文件到 玻璃库数据库中,直接调用。(3)Ray Aiming适用于大视场镜头设计中,确保主光线 通过孔径光阑的中心。选项有:No Ray Aiming这是ZEMAX预设选项,表示不进行光 线瞄准,此时ZEMAX认为光瞳无像差。对于14中等视场的光学系统,可以用磁此项。但是对 于大相对孔径或大视场光学系统,会存在严重 的光阑像
19、差,光阑像差的表现为:(a)光瞳位 置随视场值变化;(b)光瞳边缘发生变形。Aim to aberrated(real)stop height对于大视场光学系统,通常用此选项,用于消除光阑像差。含义是:瞄准有像差时的 孔径光阑高度。选用该选项后,ZEMAX计算 像差,孔径光阑大小有来自物面中心的主波长 边缘光线在光阑面上的交点决定。然后适用迭 代法追迹光线,找出一根经过孔径光阑中心的 光线(此时不一定经过入瞳或出瞳中心,但经 过像差校正后,也会同时经过入瞳、出瞳的中 心),作为主光线。Aim to unaberrated(paraxial)stop height该选项与前一选项的明显区别,在于
20、该 项假设镜头系统没有像差,使用理想情况下的 近光线追迹来瞄准光阑中心,优点是计算时间 短。2.Fields对话框中定义视场通过System-Fields.可以打开视场 15定义对话框,如图L6,首先给出了视场种类 定义的四个选项:角度(视场角)、物高、近 轴像高和实际像高。其中视场角单位为度,线 视场的单位为ZEMAX选择的Lens Units,一般 为毫米(mm)。接下来,给出最多为12的视场序号,即最多可定义12个视场,X-Field与Y-Field同 时选用,适用于非旋转对称光学系统;对于旋 转对称系统,一般仅在Y-Field栏中输入数据,定义子午面内的视场。Weight用于定义各个
21、视场的权重。对于大视场光学系统,一般要考虑渐晕 现象,有渐晕系数来描述。ZEMAX提供了 4 个参数,即VDX、VDY、VCX和VCY来描述渐 晕现象,其中VDX、VDY用于定义光瞳中心位 置的x,y偏心;VCX、VCY用来定义渐晕因子。当VDX=VDY=VCX=VCY=O,表示无渐晕现象,对于旋转对称系统,仅使用VDY与VCY即可。如轴上物点光瞳归一化坐标为Px、Py,有渐晕时轴外光 瞳归一化坐标.P=VDX+P/l-VCX)P;=VDY+Py-VCY16(1.9)Field Data 轴向球差(Longitudinal Aberration)、垂轴色差(Lateral Color)。Fie
22、ld Curvature/Distortion细光束场曲与畸变曲线之所以称为细光 束场曲,是因为场曲曲线没有跟光束孔径有 38关。图1.14给出了 1.3节例物在1000mm处初 始结构的场曲与畸变,图中左边为细光束子 午,弧矢场曲,如果工作波长有多个,则图中 会给出每一个波长的细光束子午、弧矢场曲;右边为归一化畸变。图1.14两个曲线图的纵 轴都是归一化视场,左图横轴为场曲,单位为 毫米,右图横轴为百分畸变。还揭示了像散信 息。细光束场曲反映了不同视场点的细光束 像点离开像面的位置变化,初级细光束场曲跟 视场的平方成正比,其对成象的影响,是使一 平面物体成一弯曲像面。细光束像散反映了子 午和
23、弧矢细光束像点(或子午与弧矢弯曲像 面)的不重合而分开的轴向距离。表1.3 Wavefront Map对应的设置选项 选项 含义 一Sampling 选择光瞳面采样密度,得到波像差的X,Y坐标点阵Rotation 旋转波面显示的选项Scale 显示比例选项,一般情况下不作放大与缩小,取为1,如取39成小于1,则波像差高度方向 被缩小,如取成大于工的数,则波像差高度方向被放大。Wavelength 工作波长序号选项,只有单一波长序号选项,而无“All”选 _项,表示不能计算复色波像差。Field 波像差对应的视场序号选项Reference to复选框,对应于参考球面的选Primary 取,选中则
24、表示用主波长参考球面,不选,不用主波长参考 球面。对轴上物点,选与不选 结果不一样,不选可体现垂轴 _色差的影响。_Use Exit Pupil复选框,对应于光瞳形状的选Shape 取,如果存在光瞳像差,则选与不选结果不一样,否则光瞳 形状像差被消除时,选中,选 与不选无差别。Show as 波像差图的显示形式选项40图L14 13例物在1000mm处场曲与畸变 曲线畸变属于主光线像差,反映物像的相似 程度,如果低于1%,则认为物像几乎完全相 似。畸变的基本定义,是某一视场主波长时的 主光线与像面交点离开理想像点的垂轴距离。实际使用时,据镜头的功用还会衍生出其他计 算形式,主要有(工)标准畸变
25、;(2)F-Theta 畸变;(3)校准(calibrated)畸变。标准畸变,采用常规的定义如41y c hief-y refD ist ort ion=-x 1 0 0%(1.10)其中为主光线与像面的交点高度,”为理想 像高,如物在无穷远,且视场角为仇贝L 广为镜头系统焦距。FTheta畸变,俗称乃畸变,为扫描仪或 傅立叶变换透镜专用的畸变形式,因为这一类 光学系统,要求理想像高跟视场(或扫描)角 成正比,即“,此时一 f eF-Thet a D is t o rt io n=-x 1 0 0%f O(1.11)Calibrated畸变,即校准畸变或标定畸 变。一般情况,但可以用来拟 和
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