ZEMAX单透镜设计例子详细多图Word文件下载.docx

ZEMAX单透镜设计例子详细多图Word文件下载.docx

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　　材料类型（Glass）如玻璃、空气、塑胶…等：

与下一个表面之间的材料表面半高（Semi-Diameter）：

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。

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）。

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：

EntrancePupilDiameterApertureValue：

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xx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、、（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。

　　置

　　Theobjectsurface：

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

　　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，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microns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」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xx器（MeritfunctionEditor,MFE）。

单击键盘的F6或点击菜单的Editors->

MeritFunction即可开启xx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xx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，可图表判断其Stop的图表大约有400microns的半径大小，而AiryDisk有mircons。

也可以此图看出整个系统的像差，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）。

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