ZEMAX实例学习1：单透镜（a singlet）

在这个实例专题中将所学习到的操作例子记录在此，仅供学习，若有侵权，请联系删除！

课程设计要求：

课程 1：单透镜（a singlet）

你将要学到的：开始 ZEMAX，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（ray fan），光程差曲线（OPD），和点列图（Spot diagram），确定厚度求解方法和变量，进行简单的优化。

假设需要设计一个 F/4 的镜片，焦距为 100mm，在轴上可见光谱范围内，用 BK7 玻璃。

操作流程：

1、运行 ZEMAX。ZEMAX 主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）。LDE 由多行和多列组成，类似于电子表格。半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。

2、一般输入三个参数（波长、视场、入瞳直径或者F#等）。

开始，我们先为我们的系统输入波长。这不一定要先完成，我们只不过现在选中了这一步。在主屏幕菜单条上，选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。ZEMAX 中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供你选择。用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。现在，在第一个“波长”行中输入 486，这是氢（Hydrogen）F 谱线的波长，单位为微米。 ZEMAX 全部使用微米作为波长的单位。现在，在第二行的波长列中输入 587，最后在第三行输入 656。这就

是 ZEMAX 中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长，当前为 486 微米。在主波长指示器的第二行上单击，指示器下移到 587 的位置。主波长用来计算近轴参数，如焦距，放大率等等。ZEMAX 一般使用um作为波长的单位，“权重（Weight）” 这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如 RMS 点尺寸和 STREHL 率。现在让所有的权为 1.0，单击 OK 保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。

现在我们需要为镜片定义一个孔径。这可以使 ZEMAX 在处理其他的事情上，知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个 F/4 镜头（F（光圈值）=f/D，f为焦距，D为镜片孔径），我们需要一个 25mm 的孔径（100mm 的焦距除 F/4）。设置这个孔径值，选择“系统”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aper Value）”一格，输入一个值：25。注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可选择其他类型的孔径设置。除此之外，还要加入一些重要的表面数据。ZEMAX 模型光学系统使用一系列的表面，每一个面有一个曲率半径，厚度（到下一个面的轴上距离），和玻璃。一些表面也可有其他的数据，我们以后将会讨论到。

注意在 LDE 中显示的有三个面。物平面，在左边以 OBJ 表示；光阑面，以 STO 表示；还有像平面，以 IMA 表示。对于我们的单透镜来说，我们共需要四个面：物平面，前镜面（同时也是光阑面），后镜面，和像平面。要插入第四个面，只需移动光标到像平面（最后一个面）的“无穷（

Infinity）”之上，按 INSERT 键。这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面往下移。新的面被标为第 2 面。注意物体所在面为第 0 面，然后才是第 1（标上 STO 是因为它是光阑面），第 2

和第 3 面（标作 IMA）。

现在我们将要输入所要使用的玻璃。移动光标到第一面的“玻璃（Glass）”列，即在左边被标作 STO 的面。输入“BK7”并敲回车键。ZEMAX 有一个非常广泛的玻璃目录可用。所有我们需要做的仅仅是决定使用“BK7”，ZEMAX 会去查找我们所定的玻璃并计算每一个波长的系数。

由于我们需要的孔径是 25mm，合理的镜片厚度是 4mm。移动光标到第 1 面（我们刚才输入了 BK7 的地方）的厚度列并输入“4”。注意缺省的单位是毫米。其他的单位（分米，英寸，和米）也可以。现在，我们需要为镜片输入每一面的曲率半径值。让我们设想一下，前面和后面的半径分别是 100 和 -100，在第 1（STO）和 2 面中分别输入这些值。符号约定为：如果曲率中心在镜片的右边为正，在左边为负。这些符号（+100，-100）会产生一个等凸的镜片。我们还需要在镜片焦点处设置像平面的位置，所以要输入一个 100 的值，作为第 2 面的厚度。

根据上述操作模拟出来的结果。

我们怎样才能知道这个镜片是否好呢？也许在镜片设计中，最有用的判断工具是光线特性曲线图。要产生一幅光线特性曲线图，先选择“分析（Analysis）”菜单，然后选择“图（Fan）”菜单，再选择“光线像差（Ray Aberration）”。你将会看到光线特性曲线图在一个小窗口显示出来（如果看到任何出错信息，退回并确认是否所有你所输入的数据与所描述的是一致的）。

光线特性曲线图如图所示。图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差（指的是以主光线为基准）。左边的图形中以“EY”代替εY。这是 Y 方向的像差，有时也叫做子午的，或 YZ 面的。右图以“EX”代替εX，有时也叫做弧矢的，或 XZ 面的。此光学特性曲线表示出了一个明显的设计错误，光线特性曲线通过原点的倾斜表示有离焦现象存在。

为了纠正离焦，我们用在镜片的后面的 Solve 来进行。SOLVES（参考 “SOLVES”这一章）动态地调整特定的镜片数据。为了将像平面设置在近轴焦点上，在第 2 面的厚度上双击，弹出 SOLVE 对话框，它只简单地显示“固定（Fixed）”。在下拉框上单击，将 SOLVE 类型改变为“边缘光高（Marginal Ray Height）”，然后单击 OK。用这样的求解办法将会调整厚度使像面上的边缘

光线高度为 0 ，即是近轴焦点。注意第 2 面的厚度会自动地调整到约96mm。

现在，我们需要更新光线特性曲线图看其变化。从光线特性曲线窗口菜单，单击“更新（Update）”（在窗口任何地方双击也可更新），其光线特性曲线图如图所示。现在，离焦已消失，主要的像差是球差。注意图中比例的改变。

这是不是所能得到的最佳的设计呢？我们下面就要用优化来完成本设计的工作。首先，我们将告诉ZEMAX，哪个参量在设计中是自由的（这些被称为变量），然后我们将告诉它设计的要求（这些被称为目标（Targets）或操作数（Operands））。有三个变量可以供我们利用，它们是：镜片的前、后曲率，和第二面的厚度，这些变量可以用离焦来补偿球差。将光标移到第1面的半径这一列，然后按Ctrl-Z（如果你喜欢用菜单界面，单击“半径”，然后选择 SOLVES，再从LDE菜单中选变量“Variable toggle”；你也可以在“半径”上双击，得到一个下拉的选择列，其中包括了变量状态）。注意，出现“V”表示一个可变的参量。按Ctrl-Z与菜单的功能相同。再在第2面半径以及第2面

的厚度上设置变化的标志。第2面的厚度变化时，它的值会复盖（overrides）先前用求解定出的值。

现在我们需要为镜片定义一个“评价函数（Merit Function）”。评价函数从数学理念上指出什么样的镜片是好的。评价函数就象是高尔夫球赛的得分，分数越低越好。一个理想的镜头（对于一个指定的应用）它的评价函数的值应为0。

为了定义评价函数，从主菜单中选择“编辑（Editors）”菜单下的“评价函数”（，或者快捷键F6）。出现一个与LDE类似的电子表格。从这个新的窗口的菜单条上，选择“工具（Tools）”菜单下的“缺省评价函数”。再在出现的对话框中，点击 Reset，然后OK。

你最终将会明白这些操作的功能，但现在你只需接受缺省值。ZEMAX很擅长于决定一个和合理的缺省评价函数。 ZEMAX已经为你构建了一个缺省的评价函数，它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追迹光线组成。但这并不够，因为除了使弥散斑尺寸最小外，我们还需要使镜头的焦距为100mm。如不限定镜头的焦距，ZEMAX会很快地发现，设定焦距无穷大（镜片相当于一个窗玻璃）会得到很好的波前像差。在第一行中的任何一处单击鼠标，使光标移动到评价函数编辑的第一行，按下INSERT键插入新的一行。现在，在“TYPE”列下，输入“EFFL”然后按回车。此操作数控制有效焦距。移动光标到“Target”列，输入“100”然后按回车。其“权重（Weight）”输入一个值：1。这样我们就完成了评价函数的定义，你可以在窗口的左上角双击，将评价函数编辑器从屏幕中移走，评价函数不会丢失，ZEMAX会自动将它保存。

现在从主菜单条中选择“工具”菜单下的“最佳化（Optimization）”，会显示最佳化工具对话框。注意“自动更新（Auto Update）”复选框。如果这个选项被选中，屏幕上当前所显示的窗口（如光学特性曲线图）会按最佳化过程中镜头的改变而被自动更新。在该复选框中单击选择自动更新，然后单击“自动（Automatic）”，ZEMAX会很快地减少评价函数。单击“退出（Exit）”关闭最佳化对话框。最佳化的结果是使镜片弯曲。结果所得出的镜片曲率使得焦距大致为 100mm，并且使这个简单的系统具有了一个尽可能小的RMS波前差。ZEMAX也许不会很确切地将焦距优化100mm，因为EFFL限制是一个被看作与其他的像差一样的“权重”目标。

我们现在可以用光线特性曲线图来研究计算结果。最佳化的设计结果的最大的像差约为200微米，如图所示。

衡量光学性能的另一个方法的是产生一个点列图。为了得到点列图，选择“分析”菜单下的“点列图”选项，然后选其中的“标准（Standard）”。点列图将会显示在另一个窗口中。此点列图的弥散大小是400微米。作为比较，艾利（Airy）衍射斑的大小粗略地约为 6微米。

另一个有用的判断工具是OPD图。这是以光瞳坐标为函数的光程差（以主光线为基准）分布图，它的光瞳坐标与光学特性曲线图中相同。为了看 OPD图，选择“分析”菜单下的“图”，再选择“光程（Optical Path）”。你可以参考图中的OPD图。这个系统中有大约20个波长的波像差，大部分为焦面上的，球差，色球差和轴上色差。

你大概会意识到，当波像差约等于或小于四分之一波长时，镜片要考虑“衍射极限”（可参考有关此概念的更为详细的讨论）。显然，我们的单透镜并没有达到衍射极限。为了提高此光学系统（或任何光学系统）的性能，设计者必须判断哪一种像差限制了其性能，以及什么操作可以用来改正。从光线图中，

可较明显地看出，色差（Chromatic aberration）是其主要像差。（另一方面，它可能

不明显，可再看其他的一些能够提供有关光线图的建议的好书。）

ZEMAX为一阶色差的大小提供了另外一种简便的工具：多色光焦点漂移图。这种图形把焦距作为一种波长的函数，它指出了近轴焦点的变化。为了得到多色光焦点漂移图，选择“分析”菜单中的“多方面（Miscella-neous）”，然后再选“多色光焦点漂移（Chromatic Focal Shift）。

可以参考图。注意纵坐标表示波长范围，覆盖了所定义的波长段，焦距的最大变化范围约为1540微米。对于单透镜镜片来说，其曲线的单调变化类型是很典型的。

为了修正一阶多色差，要求有另外一种玻璃材料。这导出了我们的下一个例子，即双透镜的设计。如果你想保存此镜片以用来作为以后的评估，选择“文件（File）”菜单下的“另存为（Save as）”选项，ZEMAX会提醒你输入一个文件名。任何一个以这种方式保存的镜头都可以通过选择“文件”菜单下的“打开（Open）”选项来调用。要退出ZEMAX，请选择“文件”菜单下的“退出（Exit）”。

ZEMAX实例学习1：单透镜（a singlet）相关推荐

Ansys Zemax | 如何设计单透镜第一部分：设置
本系列共3篇文章,旨在介绍如何使用OpticStudio序列模式界面进行操作.本文以单透镜为例,介绍了设计透镜的基本过程,包括构建系统(第1部分).分析其性能(第2部分),以及根据所需的指标参数和设计 ...
Zemax光学设计(一)——单透镜设计
文章目录设计需求镜头数据编辑器介绍序列模式与非序列模式系统初步设计入瞳直径(EPD) 视场(Field Data) 波长设置镜头设置求解分析系统性能布局图点列图光程差图光线光扇 ...
Ansys Zemax | 如何设计单透镜第三部分：优化
本系列共三篇文章,旨在介绍如何使用OpticStudio序列模式界面进行操作.本文以单透镜为例,介绍了设计透镜的基本过程,包括第一部分:构建系统.第二部分:分析其性能,以及第三部分:根据所需的指标和设 ...
ZEMAX实例学习4：牛顿望远镜（a Newtonian telescope ）
可以学到的:使用反射镜,圆锥常量,坐标中断,三维图形,暗化. 牛顿望远镜是最简单的用来矫正轴上像差的望远镜,而且它对于阐明ZEMAX的一些基本操作非常有用.首先, 牛顿望远镜是由一个简单的抛物线形镜面 ...
ZEMAX实例学习5：施密特—卡塞格林系统（Schmidt-Cassegrain）
在这个施密特-卡塞格林系统(Schmidt-Cassegrain),可以学习到:使用多项式的非球面,遮挡,孔径,求解,优化,图层,MTF 图. 这是一个带多项式非球面矫正器施密特-卡塞格林系统 (Sc ...
zemax操作例子_ZEMAX基础实例 - 单透镜设计
ZEMAX基础实例 - 单透镜设计说明日期:2011年11月17日点击数:24131 引言在成像光学系统设计中,主要指的是透镜系统设计,当然也有一些反射系统或棱镜系统. 在透镜系统设计中,最基 ...
Ansys Zemax | 如何在序列模式下模拟分光棱镜
概述这篇文章介绍了: · 如何在序列模式下使用多重结构创建分光棱镜 · 如何在布局图以及分析/计算窗口中同时追迹透射和反射光线 · 在考虑偏振及镀膜的影响下如何计算透射和反射光线的总能量 (联系我们 ...
zemax评价函数编辑器_ZEMAX软件使用入门
多图预警. 感觉写一个好的软件使用入门比单纯写像差理论要难,像差理论只要讲清楚原理和推导步骤就可以,软件使用则一直感觉没有把想说的都写出.先贴出来,抛砖引玉吧,希望可以有更好的提供给大家. ----- ...
哈尔滨工业大学提出光学设计新思路：基于快速可微光线追迹的端到端单透镜成像系统设计
基于快速可微光线追迹的端到端单透镜成像系统设计 End-to-end learned single lens design using fast differentiable ray tracing ...
Zemax学习笔记（12）- 扫描系统实例
Zemax学习笔记(12)- 扫描系统实例 1. 概述 2.设计过程 2.1 先设计一个单透镜代替整个扫描镜头组. 2.2 添加反射镜 2.3 多重结构下的扫描角度设置 3. 总结 1. 概述在成像 ...

ZEMAX实例学习1：单透镜（a singlet）

ZEMAX实例学习1：单透镜（a singlet）相关推荐

最新文章

热门文章