光学系统设计zemax初级教程

-1-光学系统设计（Zemax初学手册）内容纲目:前言习作一：单镜片(Singlet)习作二：双镜片习作三：牛顿望远镜习作四：Schmidt-Cassegrain和asphericcorrector习作五：multi-configurationlaserbeamexpander习作六：foldmirrors和coordinatebreaks习作七：使用ExtraDateEditor,OptimizationwithBinarySurfaces前言整个中华卫星二号「红色精灵」科学酬载计划，其量测仪器基本上是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。这份初学手册提供初学者使用软件作光学系统设计练习，整个需要Zemax光学系统设计软件。它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译，由蔡长青同学完成，并在ZemaxE.E.7.0上测试过。由于蔡长青同学不在参与「红色精灵」计划，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验，整个内容已在ZemaxE.E.8.0版上测试过。我们希望藉此初学手册（共有七个习作）与后续更多的习作与文件，使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。（陈志隆注）(回内容纲目)-2-习作一：单镜片(Singlet)你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lensdata，产生rayfan，OPD，spotdiagrams，定义thicknesssolve以及variables，执行简单光学设计最佳化。设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focallength为100mm，在可见光谱下，用BK7镜片来作。首先叫出ZEMAX的lensdataeditor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置……等。然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primarywavelength上点在0.486的位置，primarywavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxialoptics，即first-orderoptics)下的几个主要参数，如focallength，magnification，pupilsizes等。再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effectivefocallengthF跟paraxialentrancepupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从systemmenu上选generaldata，在apervalue上键入25，而aperturetype被default为EntrancePupildiameter。也就是说，entrancepupil的大小就是aperture的大小。回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO即aperturestop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagineplane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是在STO栏上，选取insertcifter，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。再来如何输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接打上BK7即可。又孔径的大小为25mm，则第一面镜合理的thickness为4，也是直接键入。再来决定第1及第2面镜的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负值。而再令第2面镜的thickness为100。现在你的输入数据已大致完毕。你怎么检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，其中的RayAberration，将会把transverse的rayaberration对pupilcoordinate作图。其中rayaberration是以chiefray为参考点计算的。纵轴为EY的，即是在Y方个的aberration，称作tangential或者YZplane。同理X方向的aberration称为XZplane或sagittal。-3-Zemax主要的目的，就是帮我们矫正defocus，用solves就可以解决这些问题。solves是一些函数，它的输入变量为curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相关的parameters等。parameters是用来描述或补足输入变量solves的型式。如curvature的型式有chiefrayangle，pickup，Marginalraynormal，chiefraynormal，Aplanatic，Elementpower，concentricwithsurface等。而描述chiefrayanglesolves的parameter即为angle，而补足pickupsolves的parameters为surface，scalefactor两项，所以parameters本身不是solves，要调整的变量才是solves的对象。在surface2栏中的thickness项上点两下，把solvetype从fixed变成MarginalRayheight，然后OK。这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0，即paraxialfocus。再次updaterayfan，你可发现defocus已经不见了。但这是最佳化设计吗？再次调整surface1的radius项从fixed变成variable，依次把surface2的radius，及放弃原先的surface2中thickness的MarginalRayheight也变成variable。再来我们定义一个Meritfunction，什么是Meritfunction呢？Meritfunction就是把你理想的光学要求规格定为一个标准(如此例中focallength为100mm)，然后Zemax会连续调整你输入solves中的各种variable,把计算得的值与你订的标准相减就是Meritfunction值，所以Meritfunction值愈小愈好，挑出最小值时即完成variable设定，理想的Meritfunction值为0。现在谈谈如何设Meritfunction，Zemax已经default一个内建的meritfunction，它的功能是把RMSwavefronterror减至最低，所以先在editors中选Meritfunction，进入其中的Tools，再按DefaultMeritFunction键，再按ok，即我们选用defaultMeritfunction，这还不够，我们还要规定给meritfunction一个focallength为100的限制，因为若不给此限制则Zemax会发现focallength为时，wavefrontaberration的效果会最好，当然就违反我们的设计要求。所以在Meritfunctioneditor第1列中往后插入一列，即显示出第2列，代表surface2，在此列中的type项上键入EFFL(effectivefocallength)，同列中的target项键入100，weight项中定为1。跳出Meritfunctioneditor，在Tools中选optimization项，按Automatic键，完毕后跳出来，此时你已完成设计最佳化。重新检验rayfan，这时maximumaberration已降至200microns。其它检验opticalperformance还可以用SpotDiagrams及OPD等。从Analysis中选spotdiagram中的standard，则该spot大约为400microns上下左右交错，与Airydiffractiondisk比较而言，后者大约为6microns交错。而OPD为opticalpathdifference(跟chiefray作比较)，亦从Analysis中挑选，从Fans中的OpticalPath，发现其中的aberration大约为20waves，大都focus，并且spherical，spherochromatism及axialcolor。Zemax另外提供一个决定firstorderchromaticabberation的工具，即thechromaticfocalshiftplot，这是把各种光波的backfocallength跟在paraxial上用primarywavelength计算出firstorder的focallength之间的差异对输出光波的wavelength作图，图中可指出各光波在paraxialfocus上的variation。从Analysis中Miscellaneous项的ChromaticFocalShift即可叫出。(回内容纲目)●习作二：双镜片-4-你将学到：画出layouts和fieldcurvatureplots,定义edgethicknesssolves,fieldangles等。一个双镜片是由两片玻璃组成，通常黏在一起，所以他们有相同的curvature。借着不同玻璃的dispersion性质，thechromaticaberration可以矫正到firstorder所以剩下的chromaticaberration主要的贡献为secondorder，于是我们可以期待在看chromaticfocalshiftplot图时，应该呈现出paraboliccurve的曲线而非一条直线，此乃secondordereffect的结果（当然其中variation的scale跟firstorder比起来必然小很多，应该下降一个order）。跟习作一一样，我们仍然要设计一个在光轴上成像，focallength为100mm的光学系统，只不过这次我们用两块玻璃来设计。选用BK7和SF1两种镜片，wavelength和aperture如同习作一所设，既然是doublet，你只要在习作一的LDE上再加入一面镜片即可。所以叫出习作一的LDE，在STO后再插入一个镜片，标示为2，或者你也可以在STO前在插入一面镜片标示为1，然后在该镜片上的surfacetype上用鼠标按一下，然后选择MakeSurfaceStop，则此地一面镜就变成STO的位置。在第一、第二面镜片上的Glass项目键入BK7即SF1，因为在BK7和SF1之间并没有空隙，所以此doublet为相黏的二镜片，如果有空隙则需5面镜因为在BK7和SF1间需插入另一镜片，其glasstype为air。现在把STO旱地二面镜的thickness都fixed为3，仅第3面镜的thickness为100且设为variable，既然要最佳化，还是要设meritfunction，注意此时EFFL需设在第三面镜上，因为第3面镜是光线在成像前穿过的最后一面镜，又EFFL是以光学系统上的最后一块镜片上的principleplane的位置起算。其它的meritfunction设定就一切照旧。既然我们只是依习作一上的设计规范，只不过再加一面SF1镜片而已，所以其它的meritfunction设定就一切照旧。现在执行optimization，程序如同习作一，在optimization结束后，你再叫出ChromaticFo