光学设计Zemax实例教程2016-下

南京理工大学袁群光学CAD课件计算机辅助光学设计袁群电光学院A628房间[e-mail]1南京理工大学袁群光学CAD课件设计案例4-缩束/扩束系统2伽利略式开普勒式D1f2D1D2f1f21122DfDf南京理工大学袁群光学CAD课件设计案例4-缩束/扩束系统3设计步骤开普勒式•正透镜1•正透镜2•组合形成缩束系统伽利略式•正透镜1•负透镜1•组合形成缩束系统以D1=80mm，f1=400mm；D2=20mm，f2=100mm；工作波长λ=800nm为例。缩束比4:1，相对孔径1:5南京理工大学袁群光学CAD课件4设计案例4-缩束/扩束系统•General:入瞳直径80mm,玻璃库CDGM•Fields:0°•Wavelength:0.8μm•入瞳位于surface1新建：缩束系统-正透镜1-初始结构.zmxf=400mm正透镜1设计南京理工大学袁群光学CAD课件5设计案例4-缩束/扩束系统另存为：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmxf=400mm正透镜1设计评价函数：1.控制系统焦距EFFL=400mm，权重为12.控制系统波像差RMS值，权重为1变量：透镜前后表面曲率半径R1和R2南京理工大学袁群光学CAD课件6设计案例4-缩束/扩束系统f=400mm正透镜1设计f=400mm正透镜1设计结果:•焦距设计值400.36mm•波像差南京理工大学袁群光学CAD课件7设计案例4-缩束/扩束系统f=100mm正透镜2设计以f=400mm正透镜1的优化结果构建正透镜2的初始初始结构另存为：缩束系统-正透镜2-初始结构.zmxToolsModifyMakefocal原有透镜焦距400.36mm，在Focallength里输入100，表示对透镜结构进行缩放，满足焦距为100mm南京理工大学袁群光学CAD课件8设计案例4-缩束/扩束系统f=100mm正透镜2设计Makefocal后，因为透镜比例是按400.36/100进行缩放，所以透镜数据、入瞳口径等都需重新规整将透镜厚度改为2.5mm半口径改为11.5mm南京理工大学袁群光学CAD课件9设计案例4-缩束/扩束系统f=100mm正透镜2设计将入瞳口径改为20南京理工大学袁群光学CAD课件10设计案例4-缩束/扩束系统f=100mm正透镜2设计修改评价函数，将EFFL目标值改为100，优化获取新的透镜结构:•焦距设计值100.09mm•波像差另存为：缩束系统-正透镜2-优化结果.zmx南京理工大学袁群光学CAD课件11设计案例4-缩束/扩束系统f=100mm正透镜2设计修改评价函数，将EFFL目标值改为100，优化获取新的透镜结构:•焦距设计值100.09mm•波像差另存为：缩束系统-正透镜2-优化结果.zmx南京理工大学袁群光学CAD课件12设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计•单独设计正透镜1和正透镜2时均为正向设计，即平行光入射经正透镜后会聚；•在缩束系统中，正透镜1为正向使用，正透镜2为反向使用；•将透镜1与透镜2组合为缩束系统，透镜1与透镜2之间的间距为单独正向设计时透镜1与透镜2的顶焦距之和打开：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx然后另存为：开普勒式缩束系统-初始结构.zmx南京理工大学袁群光学CAD课件13设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计复制透镜2的两个面至缩束系统中正透镜1的两个面之后选中缩束系统-正透镜2-优化结果.zmx中的Surface1和Surface2,Ctrl+C选中开普勒式缩束系统-初始结构.zmx中的像面,Ctrl+V，将透镜2数据放置在透镜1数据之后南京理工大学袁群光学CAD课件14设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计此时缩束系统中正透镜1和正透镜2均为正向光路，应将正透镜2转化为反向光路选中透镜2数据（Surface3和Surface4），ToolsModifyReverseElements南京理工大学袁群光学CAD课件15设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计缩束系统中正透镜1和正透镜2共焦点，此时正透镜2放置在正透镜1的焦点位置，因而需在正透镜1和正透镜2之间插入一个虚拟面Surface3，虚拟面位于正透镜1和正透镜2共焦点位置，Surface3的厚度（到正透镜2的距离）与正透镜2正向设计时的后顶焦距。Surface3的厚度输入正透镜2的后顶焦距98.67mm，透镜数据中M表示通过追迹边缘光线求解厚度，因为缩束系统出射的光束为平行光，焦点位于无限远，Surface5的厚度为Infinity。•取消两个边缘光学追迹M，改为Fixed•将Surface5的厚度改为100，即表示在正透镜2后方100mm位置处放置像面南京理工大学袁群光学CAD课件16设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计•在正透镜1前方插入一个面，Surface1厚度为100mm，用作观察平行光入射用；•将正透镜1与正透镜2之间的间隔作为变量；保存文件，另存为：开普勒式缩束系统-优化结果.zmx南京理工大学袁群光学CAD课件17设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计缩束系统为无焦系统，系统整体焦距为无限大，将系统设置里AfocalImageSpace勾选上，表示像方无焦，此时分析波像差时，以平面波为参考；未勾选时，系统有焦点，分析波像差时，以球面波为参考。ZEMAX05版本转第21页PPT南京理工大学袁群光学CAD课件18设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计缩束系统整体优化，评价函数控制以下几个因素：•正透镜1焦距目标值400mm；•正透镜2焦距目标值100mm;•出射光束口径20mm;•出射波前波像差评价函数的操作符•EFFL：系统的整体焦距•EFLY：两个面之间的光学系统在YZ平面上焦距（子午焦距）•REAY：光线追迹在YZ平面上的高度Surface2和3之间的光学系统的EFLY，即正透镜1焦距，Target输入400Surface5和6之间的光学系统的EFLY，即正透镜2焦距，Target输入100南京理工大学袁群光学CAD课件19设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计HxHyPxPy为追迹光线的选择控制符，Py=1表示选择入瞳平面内（位于正透镜1的前表面，即Surface2），Y向归一化高度为1的光线，见下图中红色光线，系统成倒像；评价函数中分别控制了Surface6和7的光线高度，即在正透镜2后表面，以及往后100mm位置控制光线高度，因缩束系统目标出射光束口径为20mm，所以REAY的Target为-10。南京理工大学袁群光学CAD课件20设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计完整的评价函数：操作符1:EFLY，目标值400，权重1；操作符2:EFLY，目标值100，权重1；操作符3:REAY，目标值-10，权重1；操作符4:REAY，目标值-10，权重1；操作符5及以后:系统波像差控制，权重1南京理工大学袁群光学CAD课件21设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计优化设计结果南京理工大学袁群光学CAD课件22设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计对于ZEMAX2005版本，没有像方无焦模式（AfocalImageSpace），分析波像差时不能分析平面波的质量，只能分析球面波的质量。只有在ZEMAX2008以上版本内有像方无焦模式，可勾选后直接分析平面波质量。在ZEMAX2005版本中分析平面波质量的方法，是加上一个理想的透镜，将平面波转化为球面波去分析波面质量。理想的透镜用一个近轴面表示（SurfaceType:Paraxial），可以设置焦距值。平面波前经近轴透镜转化为球面波模式再与理想的球面波相比较无焦模式采用近轴透镜平面波前与理想平面波相比较南京理工大学袁群光学CAD课件23设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计在像面前插入一个面，Surf7，将SurfaceType由Standard改成Paraxial。即表示插入一个近轴面。南京理工大学袁群光学CAD课件24设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计将近轴面（Surf7）的厚度改为200，焦距改为200。表示采用了一个焦距为200mm的理想透镜将平面波会聚后分析波面质量。南京理工大学袁群光学CAD课件25设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计缩束系统部分为了分析波前质量，额外加入的近轴面会聚球面波部分。优化设计完成后去掉。近轴面f=200南京理工大学袁群光学CAD课件26设计案例4-缩束/扩束系统开普勒式缩束系统设计上述内容是在ZEMAX2005低版本软件软件中，无AfocalImageSpace选项时，通过加入近轴面，将平面波转化为球面波，实现波面质量分析，用于替代无焦模式。定义完成后跳转回PPT第17页，进行评价函数定义与优化设计。本章PPT在采用伽利略式缩束系统设计时亦可采用此方法进行波面质量评价。南京理工大学袁群光学CAD课件27设计案例4-缩束/扩束系统伽利略式缩束系统设计伽利略式缩束系统为正透镜+负透镜结构，以前面设计的正透镜1为正透镜，还需设计焦距为-100mm的负透镜新建：缩束系统-负透镜-初始结构.zmx•General:入瞳直径20mm,玻璃库CDGM•Fields:0°•Wavelength:0.8μm•入瞳位于surface1f=-100mm负透镜设计南京理工大学袁群光学CAD课件28设计案例4-缩束/扩束系统保存原文件，另存为：缩束系统-负透镜-优化结果.zmxf=-100mm负透镜设计评价函数：1.控制系统焦距EFFL=-100mm，权重为12.控制系统波像差RMS值，权重为1变量：透镜前后表面曲率半径R1和R2南京理工大学袁群光学CAD课件29设计案例4-缩束/扩束系统f=-100mm负透镜设计优化结果，EFFL=-100.093mm;3DLayout中表示的是负透镜虚焦点南京理工大学袁群光学CAD课件30设计案例4-缩束/扩束系统伽利略式缩束系统设计•单独设计正透镜1和负透镜时均为正向设计，即平行光入射经正透镜后会聚，平行光入射经负透镜后发散；•在缩束系统中，正透镜1为正向使用，负透镜为反向使用；•将正透镜1与负透镜组合为缩束系统，正透镜1与负透镜之间的间距为单独正向设计时正透镜1与负透镜的顶焦距之和（正透镜的定焦距为正值，负透镜的定焦距为负值）与开普勒式缩束系统组合方式类似，正透镜与负透镜组合打开：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx然后另存为：伽利略式缩束系统-初始结构.zmx南京理工大学袁群光学CAD课件31设计案例4-缩束/扩束系统伽利略式缩束系统设计复制负透镜的两个面至缩束系统中正透镜1的两个面之后选中缩束系统-负透镜-优化结果.zmx中的Surface1和Surface2,Ctrl+C选中伽利略式缩束系统-初始结构.zmx中的像面,Ctrl+V，将负透镜数据放置在正透镜1数据之后南京理工大学袁群光学CAD课件32设计案例4-缩束/扩束系统伽利略式缩束系统设计此时缩束系统中正透镜和负透镜均为正向光路，应将负透镜转化为反向光路选中透镜2数据（Surface3和Surface4），ToolsModifyReverseElements南京理工大学袁群光学CAD课件33设计案例4-缩束/扩束系统伽利略式缩束系统设计•在正透镜前方插入一个面，Surface1厚度为100mm，用作观察平行光入射用；•将正透镜与负透镜之间的间隔（Surface3的厚度）设置为394.6-101.5=293.1mm，并作为变量，使得缩束系统中正透镜实焦点与负透镜虚焦点重合；•将Surface5的厚度改为100，即表示在负透镜后方100mm位置处放置像面•General中将AfocalImageSpace勾选上(ZEMAX2005版本采用在像面前加入近轴面将平面波转化为会聚球面波的形式)南京理工大学袁群光学CAD课件34设计案例4-缩束/扩束系统伽利略式缩束系统设计缩束系统整体优化，评价函数控制以下几个因素：•正透镜焦距目