ZEMAX光学设计超级学习手册第2章Word文档下载推荐.docx
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(6)FletchRays:
显示光线箭头。
(7)MarginalandChiefOnly:
只画出边缘光线和主光线。
(8)Wavelength:
显示的任意或所有波长。
(9)Field:
显示的任意或所有视场。
(10)ScaleFactor:
若比例因子设置为0,则“FillFrame”将被选取,“FillFrame”将缩放各面来充满画页。
若输入数值,则图形将按实际尺寸乘以比例因子画出。
比例因子为1.0将打印(不是在屏幕上)出镜头的实际尺寸。
比例因子为0.5将按尺寸的一半画图。
(11)YStretch:
Y向放大
(12)UpperPupil:
画出光线通过的最大光瞳坐标
(13)LowerPupil:
画出光线通过的最小光瞳坐标
(14)ColorRaysBy:
选择“Field”用每个视场来区分,选择“wave”用每个波长来区分。
SuppressFrame隐藏屏幕下端的绘图框,这可以为外形图留出更多的空间、比例尺、地址,或其他数据都不显示。
2.1.23D外形图
3D外形图(3DLayout):
显示镜头系统的三维空间外形。
运算绘制镜头的网格表示,如图2-2所示。
图2-23D外形图对话框
(1)HideLensFaces:
若选取,则不画镜头表面,只画镜头边缘。
许多复杂的系统如果画各面会使图形看起来很乱,因而本功能很有用。
(2)HideLensEdges:
若选取,则不画镜头外侧的口径。
对于给出3D外形的2D横截面外表很有用。
(3)HideXBars:
若选取,则不画镜头的X部分。
当“HideLensEdges”选取,而“HideLensFaces”未选取时是有用的。
(4)RotationAboutX:
用度表示的镜头绕x轴的旋转角。
(5)RotationAboutY:
用度表示的镜头绕y轴的旋转角。
(6)RotationAboutZ:
用度表示的镜头绕Z轴的旋转角。
(7)PositionX,Y,Z:
画出X、Y、和Z方向的结构。
(8)OffsetX,Y,Z:
用透镜单位表示的结构间的X、Y、和Z方向的偏离量。
只有变焦位置选择为“All”时本选项才起作用。
按上、下、左、右方向键及PageUp、PageDown键会使显示的图形旋转到不同的透视位置。
若光线在某一面上发生光线溢出,则该面光线不画出,如果光线发生全反射,那么在发生全反射的面射入的光线画出,射出的光线不画。
光线溢出与否将使用本章后面所讲的光线追迹计算来详细判断。
当画所有的变焦位置时,在每个变焦位置X、Y、Z的方向独立地加上偏离量。
若需要,偏离量可以都为0。
若所有的偏离量都为0,那么所有的变焦位置是重叠的;
否则,各变焦位置之间用确定的数值相互分隔,以便区别。
注意:
所有的偏离量都是相对于参考面的位置定义的。
参考面在系统中的Advanced对话框中定义。
若所有的偏离量都是0,多重变焦位置在参考面处是重叠的。
2.1.3阴影图
阴影图(ShadedModel):
用OpenGL图画表示镜头的带阴影的立体模型。
除了能设置亮度和背景色外,本选项与在3D模型中的设置是相同的。
如图2-3所示。
图2-3阴影图对话框
2.1.4元件图
ZEMAX元件图(ZEMAXElementDrawing):
能建立供光学车间生产使用的表面、单透镜、双胶合透镜或三胶合透镜的机械图。
如图2-4、图2-5所示。
图2-4ZEMAX元件图图2-5ZEMAX元件图属性窗口
(1)NoteFile:
ASCII码文件的文件名,该文件包含被添加在元件绘图注释部分的注释。
注释项总是从第2项开始,因为第1项注释是保留作为规定单位用的。
(2)NoteSize:
选择Standard、Medium、Small或Fine。
这些选项是按字体大小的顺序排列的。
注释字体大小(NoteSize)的设置只影响在图形中注释的注释文件的字体大小。
较小的字体允许显示较大的注释文件。
(3)EditNoteFile:
单击此按钮打开NOTEPAD.EXE编辑器,可用来修改被选择的注释文件。
(4)Radius:
半径(第1、2或3面)的公差栏中的值。
(5)Irregularity:
各面(第1、2或3面)的光焦度不规则公差栏中的值。
(6)Thickness:
第n面中心厚度公差。
默认值是1%。
(7)ClearAper:
在第n个面上的镜片的全口径。
默认值是半口径的两倍。
(8)Title:
用户自定义文本区域。
默认值是镜头的标题。
(9)DrawingTitle/Name、DrawnBy、Approved、Project、Revision:
所有这些区域用于用户自定义文本。
可以输入任何文本。
无默认值。
元件图的设置通过单击“Save”按钮被保存在专门的镜头文件中。
与多数的分析功能不同。
元件图功能可以将每个面的所有设置分别保存。
例如,面1的注释和公差可以被保存,然后面3的注释和公差也被输入和保存。
若要将该设置赋予某一个特定的面,只要将面序号改为所需要的面号,单击“Load”按钮就可以了。
若与先前保存的面匹配,则将显示先前面的设置。
本功能使重新产生多组元光学系统的复杂图形变得容易了。
画元件图功能的重要特性是它能装载不同的注释文件并把它们放在图形中。
默认注释文件“DEFAULT.NOT”是一套普通的、很少使用的注释。
但是用户可以修改注释文件(它们是ASCII码文件,Word或文本编辑器都可以修改)并把它们用不同的名字存储。
例如,可以为自己设计的每一个光学部件建立一个“NOT”文件,当元件图产生时装载适合的注释文件。
注释文件注释行从数字2开始。
注释行1被ZEMAX保留给行“1)Alldimensionsinmillimeters”或当前镜头的单位,注释文件中的分行和空格在元件图中被严格复制。
一旦新零件图产生或“Reset”按钮被按下,默认设置将重新产生。
默认公差从公差数据编辑器中获得。
min/max公差范围中的最大值使用默认值。
例如,若TTHI厚度公差为-0.3,+0.5,公差值将为0.05。
这里只考虑TTHI、TRAD和TIRR公差。
若不能产生一个适合的默认值,公差设置为0。
所有的公差都是文本,可以按需要进行编辑。
当用检测样板检查零件的牛顿圈(光圈)时,半径公差和用干涉条纹表示的光焦度之间的简便的转换公式为:
这里ΔR是半径误差,λ是测试波长,ρ是径向口径,R是曲率半径。
此公式可以近似用于小曲率。
2.1.5ISO元件图
ISO元件图(ISOElementDrawing):
能建立供光学制造商使用的表面、单透镜、双胶合透镜的ISO.10110制图。
2.2几何光学像质量评价
几何光学像质量评价主要通过特性曲线、点列图、衍射调制传递函数、波前分析、像差系数等,了解成像光学系统的性能。
2.2.1特性曲线
特性曲线(Fans)包含3个子菜单项:
光线像差(RayAberration)、光程(OpticalPath)、光瞳像差(PupilAberration),如图2-6所示。
图2-6特性曲线菜单
(1)光线像差(RayAberration):
显示作为光瞳坐标函数的光线像差。
单击快捷工具栏“Ray”,打开特性曲线窗口,如图2-7、图2-8所示。
图2-7光线像差图2-8光线像差属性窗口
横向特性曲线是用光线的光瞳的y坐标的函数表示的横向光线像差的x或y分量。
默认选项是画出像差的y分量曲线。
但是由于横向像差是矢量,它不能完整地描述像差。
当ZEMAX绘制y分量时,曲线标称为EY,当绘制x分量时,曲线标称为EX。
垂轴刻度在图形的下端给出。
绘图的数据是光线坐标和主光线坐标之差。
横向特性曲线是以光瞳的y坐标作为函数,绘制光线和像平面的交点的x或y坐标与主波长的主光线x或y坐标的差。
弧矢特性曲线是以光瞳的x坐标作为函数,绘制光线和像平面的交点的x或y坐标与主波长的主光线x或y坐标的差。
每个曲线图的横向刻度是归一化的入瞳坐标PX或PY。
若显示所有波长,则图形参考主波长的主光线。
若选择单色光,那么被选择的波长的主光线被参照。
由于这个原因,在单色光和多色光切换显示时,非主波长的数据通常被改变。
因为像差是有x和y分量的矢量,光线像差曲线不能完全描述像差,特别是在像平面倾斜或者系统是非旋转对称时。
另外,像差曲线仅仅表示了通过光瞳的两个切面的状况,而不是整个光瞳。
像差曲线图的主要目的是判断系统中有哪种像差,它并不是系统性能的全面描述,尤其系统是非旋转对称时。
(2)光程(OpticalPath):
显示用光瞳坐标函数表示的光程差。
如图2-9、图2-10所示。
图2-9光程菜单图2-10光程差图
绘图的数据是光程差(OPD),它是光线的光程和主光线的光程之差,通常计算以返回到系统出瞳上的光程差为参考。
每个曲线的横向刻度是归一化的入瞳坐标。
图2-11光瞳像差菜单
若显示所有波长,那么图形以主波长的参考球面和主光线为参照基准。
若选择单色光,那么被选择的波长的参考球面和主光线被参照。
(3)光瞳像差(PupilAberration):
显示用光瞳坐标函数表示的入瞳变形。
如图2-11所示。
入瞳像差是以实际光线在光阑面的交点和主波长近轴光线交点的差,在近轴光阑半径所占的百分比来定义的。
若最大像差超过一定的百分比,就得用光线定位,以便在校正物空间的光线使它正确地充满光阑面。
若光线定位选择被打开,入瞳像差将为0(或剩下很小的值),因为变形被光线追迹算法补偿了。
读者可以利用这一点来检查光线定位是否正确。
这里所用的光瞳像差的定义并不是追求其完整性和与其他定义的一致性。
本功能的唯一目的是为是否需要光线定位提供依据。
2.2.2点列图
点列图(SpotDiagrams)下方给的数可以看出每个视场的RMSRADIUS(均方根半径值)、AIRY(光斑半径)及GEORADIUS(几何半径),值越小成像质量越好。
另外根据分布图形的形状也可了解系统的各种几何像差的影响,如是否有明显像散或慧差特征,几种色斑的分开程度如何等。
点列图包括:
标准(Standard)、离焦(ThroughFocus)、全视场(FullFiecd)、矩阵(Matrix)、配置矩阵(ConfigurationMatrix)等子菜单项。
如图2-12所示。
图2-12点列图菜单
(1)打开标准(Standard)对话框“Analysis→SpotDiagrams→Standard”。
如图2-13、图2-14所示。
图2-13光斑图图2-14光斑属性窗口
∙Pattern:
光瞳模式可以是六角形、方形或高频脉冲。
这些方式与出现在光瞳面的光线的分布模式有关。
当镜头大离焦时来研究光瞳分布模式。
高频脉冲点列图是在长方形或六角形模式的点列图中,删去对称因素的伪随机光线而产生的。
如果光瞳变迹给定,则用光瞳分布变形来给出正确的光线分布。
没有最好的模式,每一种模式都只能表示点列图的不同特性。
∙ReferTo:
默认点列图是以实际主光线为参考的。
列在图形尾部的RMS和GEO(在说明部分定义)点尺寸是假定主光线是零像差点计算的。
但是,本选项允许选择其他两个参考点:
重心和中点。
重心是用被追迹的光线分布定义的。
中点定义使其最大光线误差在X和Y方向相等。
∙ShowScale:
比例条目是默认的。
选择艾利圆斑“AiryDisk”,将在图的每个点的周围画椭圆环表示艾利椭圆。
空心环的半径是1.22乘以主波长乘以系统的F#;
它通常依赖于视场的位置和光瞳的方向。
如果空心环比点大,空心环将设置为放大尺,否则点尺寸将设置比例尺。
选择“Square”将画方形,其中心是参考点,宽度是从参考点到最外光线距离的2倍。
选择“Cross”将通过参考点画一个十字。
设置为“Circle”将以参考点为中心画圆。
∙PlotScale:
设置用毫米表示的最大比例尺。
0设置将产生一个适合的比例。
∙RayDensity:
若选择六角形或高频脉冲光瞳模式,光线密度决定了六角环形的数目,若选择长方形模式,光线密度决定了光线数目的均方根。
被追迹的光线越多,虽然计算时间会增加,但点列图的RMS越精确。
第1个六角环中有6条光线,第2个有12条,第3个有18条,依此类推。
∙UseSymbols:
若选中,每种波长将画不同的符号,而不是点。
它可以帮助区分不同的波长。
∙UsePolarization:
若选中,将用偏振光追迹每个需要的光线,通过系统的透过强度将被考虑。
只有ZEMAX-EE版本支持这个功能。
光线密度有一个依据视场数目,规定的波长数目和可利用的内存的最大值。
离焦点列图将追迹标准点列图最大值光线数目的一半光线。
列在曲线上的每个视场点的GEO点尺寸是参考点(参考点可以是主波长的主光线,所有被追迹的光线的重心,或点集的中点)到距离参考点最远的光线的距离。
换句话讲,GEO点尺寸是由包围了所有光线交点的、以参考点为中心的圆的半径。
RMS点尺寸是径向尺寸的均方根。
先把每条光线和参考点之间的距离的平方,求出所有光线的平均值,然后取平方根。
点列图的RMS尺寸取决于每一条光线,因而它给出光线扩散的粗略概念。
GEO点尺寸只给出距离参考点最远的光线的信息。
艾利圆环的半径是1.22乘以主波长乘以系统的F#,它通常依赖于视场的位置和光瞳的方向。
对于均匀照射的环形入瞳,这是艾利圆环的第1个暗环的半径。
艾利圆环可以被随意地绘制来给出图形比例。
例如,如果所有的光线都在艾利圆环内,则系统被认为处于衍射极限状态。
若RMS尺寸大于空心环尺寸,那么系统不是衍射极限。
衍射极限特性的域值依赖于判别式的使用。
系统是否成为衍射极限并没有绝对的界限。
若系统没有均匀照射或用渐晕来除去一些光线,艾利圆就不能精确地表示衍射环的形状或大小。
在点列图中,ZEMAX不能画出拦住的光线,它们也不能被用来计算RMS或GEO点尺寸。
ZEMAX根据波长权因子和光瞳变迹产生网格光线(如果有的话)。
有最大权因子的波长使用由“RayDensity”选项设置的最多光线的网格尺寸。
有最小权因子的波长在图形中设置用来维持正确表达的较少光线的网格。
如果变迹被给定,光线网格也被变形来维持正确的光线分布。
位于点列图上的RMS点尺寸考虑波长权因子和变迹因子。
但是,它只是基于光线精确追迹基础上的RMS点尺寸的估算,在某些系统中它不是很精确的。
像平面上参考点的交点坐标在每个点列图下被显示。
如果是一个面被确定而不是像平面,那么该坐标是参考点在那个面上的交点坐标。
既然参考点可以选择重心,这为重心坐标的确定提供了便利的途径。
(2)离焦(ThroughFocus):
显示偏离最佳焦点位置某个距离的点图。
如图2-15所示。
图2-15离焦图
(3)全视场(FullField)。
全视场点列图类型与标准类型是基本相同的,但所有的点是关于相同的参考点画出的,与每个视场位置各自的参考点是不同的。
这为相对于其他视场点表达所分析点的点列图提供了方法。
例如,这可以用来确定像空间中两个相近的点能否被分辨。
如果点的尺寸比整个视场的尺寸小,在这种情况下,每个视场的点只是以简单的点的形式出现,“全视场点列图”类型是无用的。
如图2-16所示。
(4)矩阵(Matrix):
显示所有不同波长下所有视场的点图。
如图2-17所示。
图2-16全视场图2-17矩阵
(5)配置矩阵(ConfigurationMatrix):
显示多重结构下的点图。
如图2-18所示。
图2-18配置矩阵
2.2.3调制传递函数
调制传递函数(MTF)是计算所有视场位置的衍射调制传递函数。
本功能包括衍射调制传递函数(DMTF)、衍射实部传递函数(DRTF)、衍射虚部传递函数(DITF)、衍射相位传递函数(DPTF)、方波传递函数(DSWM)。
DMTF、DRTF、DITF、DPTF和DSWM函数分别表示模数(实部和虚部的模)、实部、虚部、相位或方波响应曲线。
与正弦波目标响应的其他曲线相反,方波MTF是特定空间频率下方波目标的模数响应,方波响应是用下面的公式由DMTF数据计算的。
这里S(v)表示方波响应,M(v)表示正弦目标响应的模数,v表示空间频率。
当采样点增加或OPD的峰谷值减小时,衍射计算更精确。
如果光瞳处的峰谷值很大,则波前采样是很粗糙的,会有伪计算产生。
伪计算会产生不精确的数据。
当伪计算发生时,ZEMAX会试图检测出来,并发出适当的出错信息。
但是,ZEMAX不能在所有情况下,尤其是在出现很陡的波前相位时,自动检测出何时采样太小。
当OPD(以波长为单位)很大时,如大于10个波长,这时最好用计算几何MTF来代替衍射MTF。
对于这些大像差系统,尤其是在低的空间频率下,几何MTF是很精确的。
任一波长的截止频率用波长乘以工作F/#分之一所得的值表示。
ZEMAX分别计算每个波长、每个视场的子午和弧矢的工作F/#。
这样可以得出精确的MTF数据,即使是那些有失真和色畸变的系统,如有混合柱面和光栅的系统也是如此。
因为ZEMAX不考虑矢量衍射,MTF数据对大于F/1.5的系统是不精确的(精度的衰退变化是逐步的)。
这些系统中,OPD特性曲线数据是更重要的,因而是更可靠的性能指标。
如果系统不接近衍射极限,几何MTF可以证实是有用的。
若显示,衍射极限曲线是在轴上计算的与像差无关的MTF值。
在轴上光线不能被追迹的情况下(如当一个系统只有在轴外视场才能工作时),那么第1个视场位置被用来计算“衍射极限”MTF。
MTF曲线的空间频率刻度用像空间每毫米的线对数表示,它只是一个对正弦目标响应MTF曲线的确切术语。
但术语“每毫米的线对数”经常被使用,与正弦目标曲线相反,严格地说“每毫米的线对数”应使用黑白条纹,因为在工业上是通用的,ZEMAX在使用这些术语时不加区别。
MTF通常是在像空间测量的,当决定物空间的空间频率响应时,需要考虑系统的放大率。
(1)FFTMTF:
在确定的空间频率下,计算所有视场位置的离焦衍射传递函数。
此功能包括离焦衍射传递函数,离焦衍射传递函数的实部,离焦衍射传递函数的虚部,离焦衍射传递函数的相位,离焦衍射方波传递函数。
单击快捷工具栏“Mtf”,打开调制传递函数窗口,如图2-19、图2-20所示。
∙Sampling:
在光瞳上对OPD采样的网格尺寸,采样可以是32x32、64x64等。
虽然采样数目越高产生的数据越精确,但计算时间会增加。
∙MaxFrequency:
确定绘图的最大空间频率(每毫米的线对数)。
∙ShowDiffractionLimit:
选择是否需要显示衍射极限的MTF数据。
对每一条所要求的光线进行偏振光追迹,由此可得出通过系统的最后的光强。
只有ZEMAX-EE版本才有此功能。
∙UseDashes:
选择彩色(对彩色显示器或绘图仪)或虚线(对单色显示器或绘图仪)来表达。
∙Wavelength:
计算中所使用的波长序号。
∙Field:
计算中所使用的视场序号。
∙Type:
可选择模数、实部、虚部、相位或方波。
∙Surface:
扫描计算可以在任何一面进行,但是相对照度计算只在像平面上是精确的。
图2-19MTF曲线图图2-20MTF曲线属性窗口
2.2.4点扩散函数
点扩散函数(PSF)是用快速傅立叶变换方法计算衍射的点扩散函数。
它包括:
FFTPSF、FFTPSFCrossSection、FFTLine/EdgeSpread、HuygensPSF、HuygensPSFCrossSection。
如图2-21所示。
图2-21点扩散函数菜单
(1)FFTPSF:
用快速傅立叶变换方法计算衍射的点扩散函数。
用快速傅立叶变换(FFT)计算点扩散函数的速度很快,但必须有几个假设,这些假设并不是永远成立的。
速度慢但更通用的办法是惠更斯法,它并不要求这些假定,详见下节。
用FFT计算的PSF(点扩散函数),可以计算由物方某一点光源发出由一个光学系统所成的衍射像的强度分布。
强度是在垂直于参考波长入射主光线的成像平面上计算得出的,参考波长在多色光计算中指的是主波长,而在单色光计算中指的是所计算的波长。
因为成像平面是与主光线垂直的,所以它不是像平面。
因此当入射主光线的角度不为0时,由FFT计算PSF的结果一般总是过于乐观的(即PSF较小),尤其是对倾斜像平面系统、广角系统,含有出瞳像差系统和离远心条件较大的系统,更是如此。
对于那些主光线与像平面接近于垂直(小于20度)和出瞳像差可以忽略的系统而言,用FFT计算PSF是精确的,并且总是比惠更斯方法更快,如果对计算结果有怀疑,可使用两种方法进行计算比较。
用FFT计算PSF的算法基于下例事实:
即衍射的点扩散函数和光学系统的出瞳上的波前的复数振幅的傅立叶变换有关。
先计算出瞳上的光线网格的振幅和位相,然后进行快速傅立叶变换,从而可以计算出衍射像的强度。
在出瞳的抽样网格尺寸和衍射像的抽样周期之间存在着一个折衷,如为了减少衍射像的抽样周期,瞳面上的抽样周期必须增加,这可以通过“扩大”入瞳抽样网格使它充满入瞳来达到。
这一过程意味着真正处在入瞳中间的点子的减少。
当抽样网格尺寸增加时,ZEMAX按比例增加瞳面上的网格数,以增加处于瞳面上的点的数量,与此同时,可以得到衍射像的更接近的抽样。
每当网格尺寸加倍,瞳面的抽样周期(瞳面上各点之间的距离)在每一维上以2的平方根的比例增加,像平面上的抽样周期也以2的平方根的因子增加(因为在每维上的点子数增加了2倍),所有比例是近似的,对大的网格是渐近式正确的。
网格延伸是以16×
16的网格尺寸为参考基准的。
16×
16个网格点在整个瞳面上分布,处于光瞳内的各点被真正追迹,衍射像平面上的各点之间距离
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