ZEMAX光学软件培训课程PPT文件格式下载.ppt
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,*这次的ZEMAX软件培训目的是尽我的能力,给大家展示ZEMAX的强大功能,跟大家一起学习如何使用这些功能。
使用ZEMAX的三种方式,Completelysequential:
*应用于传统的镜头设计和大多数的成像系统*应用这种模式时不能进行散射和鬼象分析Hybridsequential/non-sequential*应用于有很多序列元件,又有一些非序列元件(比如棱镜或光管)的系统*必须使用“ports”作为光线进出非序列元件组的端口Completelynon-sequential*应用于照明、散射和杂光分析。
光线沿任何物理上有效的路径传输*这种模式下非序列元件不使用“ports”,Completelysequential,以光学面(surface)为对象来构建光学系统模型;
光线从物面开始(常为surface0)按光学面的顺序计算(surface0,1,2),对每个光学面只计算一次;
每个面都有物空间和像空间;
需要计算的光线少,计算速度快;
可进行analysis,Optimization及Tolerancing,ZEMAX的用户界面,ZEMAX的用户界面有四种允许输入和分析系统数据的窗口:
Editors定义和编辑光学表面和其他数据Graphicwindows显示图形数据Textwindows显示文本数据Dialogboxes编辑和回顾其他窗口或系统的数据,或者用来报告错误信息和其他的一些目的。
Editors,ZEMAX中的editors本质上是为满足透镜设计程序而专门设计的电子数据表:
LensDataEditor输入基本的镜头数据,包括表面编号、注释、表面类型、表面曲率半径、厚度、玻璃、口径半径、二次常数、热膨胀系数和膜层数据MeritFunctionEditor在这里定义和编辑优化函数Multi-ConfigurationEditor给变焦距透镜和其它的多结构系统定义参数变化表ToleranceDataEditor定义和编辑公差ExtraDataEditor一个扩展的透镜数据编辑器,为那些需要很多参数才能定义的表面准备的,比如表面类型Binary2Non-SequentialComponentsEditor在这里定义光源、光学对象、探测器,GraphicandTextwindows,ZEMAX的图形和文本窗口都为评价和分析光学系统的性能提供了有力的帮助。
ZEMAX的有些功能只支持图形窗口(比如layout,3Dlayout),有些功能只支持文本窗口(如SystemData,PrescriptionData,RayTrace,SeidelCoefficients),有些功能既有图形窗口也有文本窗口(如RayFan,OPDFan,SpotDiagram)对于后者,除了图形窗口,如果你要查看文本窗口的内容,点击菜单栏中的“Text”,用来编辑其他窗口或系统的数据,比如General,FieldData,WavelengthData,GlassCatalog,LensCatalogs,Dialogboxes,序列模式,这种模式下的光学设计和仿真可按照下列步骤进行:
1.输入系统数据2.输入透镜数据/修改透镜数据3.检查、分析模型,考虑是否修改透镜数据或者考虑优化方向4.优化、评价模型性能5.公差分析6.出报告、画工程图设计过程中,第3步的结果不好的话,你可能需要返回到第2步重复设计;
第4步完成后达不到期望的性能,也需要返回到第2步重复设计,直到设计结果能满足需求;
但是即便如此,你也只得到了一个停留在纸上的设计方案,只有在进行了公差分析,证实这个设计是可以加工和装配的,设计才算基本完成,否则还是要回到第2步重复整个过程。
数据编辑器,系统数据,需要设置三个Dialogboxes:
General(Gen)-通常需要设置孔径类型、孔径大小、透镜长度单位、玻璃库等FieldData(Fie)-选定视场角的类型,设置视场角大小WavelengthData(Wav)-入射需要用到的波长,以及权重,设定哪个波长是参考波长,Gen,Aperture决定了系统的入光量的多少。
EPD-入瞳直径;
ImagespaceF/#-无限物距时,象空间的近轴F数;
ObjectspaceNA-有限物距时,物空间数值孔径;
FloatByStopSize-根据孔径光阑的大小变化;
ParaxialWorkingF/#-无限远或有限远物距时,象空间的近轴工作F数;
ObjectConeAngle有限物距时,物空间边缘光线与光轴的夹角,容易混淆的概念:
ImageSpaceF/#;
ParaxialWorkingF/#;
WorkingF/#,ParaxialWorkingF/#:
WorkingF/#:
ParaxialWorkingF/#计算公式中的是近轴边缘光线与光轴的夹角;
WorkingF/#计算公式中的是实际边缘光线与光轴的夹角,WorkingF/#=1/2sin(5.76436)=4.97822391ParaxialWorkingF/#=1/2tan(arccos(0.9950372)=5.00000496,Fie,ZEMAX支持4种不同视场形式:
Fieldangle:
XZ和YZ平面上主光线与Z轴的夹角。
常用于无限共轭系统。
Objectheight:
物面上X,Y高度。
常用于有限共轭系统。
ParaxialImageheight:
像面上的近轴像高。
用于需要固定像的大小的设计中(只用于近轴光学系统中)Realimageheight:
像面上实际像高。
用于需要固定像幅的设计中(如cameralenses)。
VDX,VDY,VCX,VCY,VAN是用来设置渐晕因子的,Wav,ZEMAX最多允许定义12个波长,必须指定参考波长,可以根据不同波长的重要性,设定不同的权重。
波长的单位为微米。
Select-功能可以选择多种默认的波长,LensDataEditor,一定存在的3个表面:
OBJ、STO和IMA可以随意插入更多的表面每个表面都包括的数据有:
表面类型、注释、曲率半径、厚度、玻璃牌号、表面的半口径、二次常数、保留的参数0-12、热膨胀系数和膜层参数,表面数据的符号规则:
曲面左凸为正,右凸为负;
高度向上为正,向下为负;
角度从光线向光轴,顺时针锐角为正,逆时针为负;
厚度向右为正,向左为负,表面数据的符号规则,球透镜的例子,在ZEMAX中输入一个直径5mm的球透镜,玻璃材料K9,Layout如下:
需要设定孔径类型、透镜长度单位、视场类型、使用的波长需要在LensDataEditor中插入表面,根据符号规则输入适当的参数使用M-solve找到近轴焦平面,练习:
在ZEMAX中输入一个入瞳直径33.33mm的双高斯镜头。
视场角设定0度、10度、14度,采用波长0.486,0.587,0.656,参考光为0.587,Layout如下:
表面的曲率半径依次为54.15,152.52,35.95,infinity,22.27,infinity,-25.68,infinity,-36.98,196.42,-67.148;
玻璃和空气间隙的厚度依次为:
8.75,0,14,3.78,14.25,12.42,3.78,10.83,0,6.85,57,SurfaceType,1.提供了近60种的光学曲面面形,主要类型有:
平面、球面、标准二次曲面、非球面、光锥面、轮胎面、折射率渐变面、二元光学面、光栅(固定周期和变周期)、全息衍射元件、Fresnel透镜、波带片等。
2.还提供了UserDefinedSurface。
用户只需要按照它的语法规定,用C+语言编写DLL文件与ZEMAX相连接就可以建立自己需要的面形。
常用的分析诊断工具,Rayfanplot,光线扇面图是分析几何像差的有力工具,值得好好学习和分析。
光线扇面图的坐标轴是如何定义的?
有什么意义呢?
归一化的物、入瞳坐标。
通过入瞳某一坐标【PX,PY】的光线在像面上有唯一的位置【EX、EY】,以PX、PY为横坐标,EX、EY为纵坐标,分别建立坐标系,把通过入瞳的光线都在坐标系里描点就得到了光线扇面图,离焦、球差、彗差、象散的rayfanplot,纯离焦的光线扇面图。
只存在离焦时的光线扇面图中曲线是两条方向一致的倾斜直线,直线的斜率可正可负,取决于是正离焦还是负离焦,纯球差的光线扇面图。
从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率为0,表明像面正好是近轴像面,没有离焦。
曲线整体上来说斜率为负,表示球差欠校正。
球差和离焦的光线扇面图。
从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率不为零,表明像面不在近轴像面,存在离焦。
经过一个拐点向下的一段曲线说明还有欠校正的球差存在。
但是跟前面的rayfan相比,纵坐标范围从+-500um减小到了+-100um。
说明离焦平衡了球差。
三阶球差的控制,我们用偶次多项式非球面来控制三阶球差。
三阶球差可以用偶次多项式非球面的4次项控制,注意看原点附近的曲线,没有离焦,三阶球差被控制,剩下校正过的高阶球差。
此时纵坐标范围为+-0.5um。
偶次多项式非球面的4次项控制可以控制3阶的球差,6次项可以控制5阶的球差你可以试试控制更高阶的球差,也可以试试同时用离焦来平衡球差,看看Rayfan的曲线如何变化?
偶次多项式非球面的公式:
继续控制5阶的球差,rayfan应该是这个样子,彗差的光线扇面图如图所示。
为了显示出彗差的rayfan曲线,我们设计了一个有偶次非球面的透镜,消除球差,移动透镜前光拦的位置,消除象散,使存在的彗差是像差的主要贡献,,三阶彗差的曲线是归一化入瞳坐标的二次函数。
象散的光线扇面图如图所示。
为了显示出象散的rayfan曲线,我们还用那个有偶次非球面的透镜,消除球差,光栏的位置在透镜表面,消除弯曲透镜,使彗差为零,使象散成为像差的主要贡献。
象散的曲线跟离焦有些相似,但是象散的子午曲线和弧矢曲线的斜率不同,不仅是大小不同,有时侯斜率的符号也不同。
而离焦的子午曲线和弧矢曲线的斜率一定相同。
常见的rayfan曲线,OPDfan,光程差图看上去跟rayfan很类似,横坐标也是归一化的入瞳坐标,只是纵坐标不由光线在像面上的位置决定,它的纵坐标是出瞳处光线的光程与主光线的光程的差值OPDfan的设置:
Plotscale:
设置纵坐标最大范围;
numberofray:
光线追迹时光线的数量;
Wavelength、field:
用来确定正在计算时选用的波长和视场;
Tangential、Sagittal:
这里只能选择OPD;
usedashes:
画图时,是采用颜色表示不同波长还是用虚线来表示;
checkaperture:
检查光线是否能从表面的孔径通过,选择此项,使不能通过表面孔径的光线不被画出;
vignettedpupil:
选择此项,得到的数据将
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