第四讲-Zemax软件学习

2014.04光学课程设计第四讲Zemax软件学习2014.04光学课程设计目录Zemax的操作细节（部分）Zemax的像质评价（顺便复习像差知识）2014.04光学课程设计一、Zemax的部分操作细节2014.04光学课程设计1.参数输入General菜单Wavelength波长输入视场输入2014.04光学课程设计1.1General菜单可由System→General开启，或由“Gen”快捷键开启可以输入Environment、Polarization、Misc.、Non-sequential、Aperture、Title/Notes、GlassCatalogs、RayAiming、Units、Files等选项2014.04光学课程设计2014.04光学课程设计1.1.1Aperture2014.04光学课程设计ApertureType：定义相对孔径，即轴上物点光束的大小•EntrancePupilDiameter（入瞳直径），当物体位于无限远时，用它来定义相对孔径•ImageSpaceF/#（像方F数），物体无论出于无限远还是有限远，都可用像方F数定义相对孔径，定义为：近轴有效焦距EFFL/入瞳直径•ObjectSpaceNumericalAperture（物方数值孔径），当物体位于有限远时用，定义为NA=n*sin()（n物方折射率、边缘光线孔径角）2014.04光学课程设计•FloatbyStopSize（由光阑大小决定），由lensdataeditor中光阑面的semi-diameter的大小决定•ParaxialWorkingF/#（近轴工作F数），定义为1/(2n’tan’)（n’像方折射率、’像方边缘光线孔径角），仅当物体位于无限远时，像方F数才与近轴工作F数相同•ObjectConeAngle（物方锥角，或物方孔径角），当物体位于有限远时，可用由物点发出的边缘光线来定义光束孔径，以物空间边缘光线的半角来定义2014.04光学课程设计ApodizationType（照明类型）•None：光瞳被均匀照明，适用于普通光源照明的情况，如太阳光、白炽灯、卤素灯等•Gaussian：光瞳上光振幅分布为高斯型，适用于激光照明•Tangential：光瞳上光振幅分布为正切型2GeA432tan11A2014.04光学课程设计ApodizationFactor（照明因子）•在ApodizatonType为Gaussian时，此选项才有用•照明因子即上页表达式中的G因子，当G=0时，表示光瞳被均匀照明，G一般小于402014.04光学课程设计1.1.2GlassCatalogs玻璃库Zemax提供了德国Schott、日本Hoya、Ohara、美国Corning等厂商生产的玻璃库2014.04光学课程设计如果要用中国玻璃库（如成都光明）•将玻璃库文件考入到Zemax目录下的Glasscat文件夹•General中添加使用lensdataeditor中Glass栏的Model功能，输入阿贝数、折射率即可建立中国玻璃库，通过按Schott玻璃拟合公式中的A0~A5输入系数，或通过Tools→GlassCatalogs→FitindexData→Loadindexdata→Fit过程建立玻璃牌号2014.04光学课程设计选择玻璃库选择该库中的具体玻璃牌号该玻璃色散曲线的拟合参数该玻璃的透光范围2014.04光学课程设计1.1.3RayAiming光线瞄准适用于大视场镜头设计中，确保主光线通过孔径光阑的中心2014.04光学课程设计NoRayAiming•这是Zemax的预设选项，表示不进行光线瞄准，此时Zemax认为无光瞳像差。对于中、小视场的光学系统，可以用该选项。2014.04光学课程设计Aimtounaberrated(paraxial)stopheight•该选项假设镜头系统没有像差，使用理想情况（近轴近似）下的近轴光线追迹来瞄准光阑中心，优点是计算速度快2014.04光学课程设计Aimtoaberrated（real）stopheight•瞄准有像差时的孔径光阑高度•对于大视场光学系统，通常选该项，用于消除光阑像差•使用该选项后，Zemax计算像差，孔径光阑大小由来自物面中心的主波长边缘光线在光阑面上的交点决定2014.04光学课程设计1.2Wavelength波长输入通过System→Wavelengths或快捷键Wav打开波长输入窗口单位：微米权重，默认值1选择内嵌波长组合选择主波长，考虑镜头系统在该波长处的单色像差2014.04光学课程设计1.3视场输入通过System→Fields或快捷键Fie打开波长输入窗口权重因子渐晕系数2014.04光学课程设计X-field和Y-field同时选用时，适用于非旋转对称系统；对于旋转对称系统，一般仅在Y-field栏中输入数据，定义子午视场视场种类：Angle角度（度）、ObjectHeight物高、ParaxialImageHeight近轴物高，即理想状况下的像高、RealImageHeight实际像高，后面三个线视场的单位为General中定义的透镜单位，一般为mm2014.04光学课程设计1.4小结做任何一个设计前，都必须首先进行上述三部分参数的输入，即General、Wavelength、Field三部分具体参数视设计要求而定2014.04光学课程设计2.MeritFunction评价函数•是光学系统是否满足设计要求的数字指标•理想状况下MF=0，实际优化过程中，MF越小越好•评价函数由操作符及相应的目标值、权重因子组成，表达式为：2014.04光学课程设计2.1DefaultMF“默认MF”或“缺省MF”通过Editors→MeritFunctions→Tools→DefaultMeritFunctions可以打开默认MF窗口2014.04光学课程设计RMS/PTVRoot-Mean-Square均方根Peak-to-Valley峰谷值一般选用RMS边界条件：定义光学系统中玻璃或空气的最大与最小中心厚度，以及边缘的最小厚度2014.04光学课程设计Wavefront波像差，单位：波长SpotRadius像平面点列图的弥散圆半径SpotX像面上X方向的最大垂轴几何像差SpotY像面上Y方向的最大垂轴几何像差SpotX+Y像面上X、Y方向的最大垂轴几何像差一般选用wavefront或SpotRadius2014.04光学课程设计选择像质指标的零点或参考点：Centroid质心，尤其适用于波像差构成的评价函数ChiefRay主光线，用主波长的主光线作为计算基准Mean平均，仅适用于于选取wavefront来构造评价函数的场合，其与Centroid略有差别，计算时多考虑两项因素2014.04光学课程设计光瞳积分方法需要对光瞳进行细分，与某一视场一起，产生充满光学系统入瞳的入射光线GaussianQuadrature高斯二重积分，用RingsArms来定义光线数目，该方法需要计算的光线数目少、精度高，是首选方法RectangularArray矩形网络，用Grid确定光线数，速度慢、精度低2014.04光学课程设计Rings&Arms中心边缘的0.707处边缘1.每一个Ring有4个Arm穿过，因此需计算34=12条光线2.若设定了3个波长，则需计算312=36条光线3.若还设定了4个视场，则需计算436=144条光线2014.04光学课程设计2.2自定义MF在DefaultMF的基础上，可以进行自定义用Insert或Delete键增加、删除操作行2014.04光学课程设计Operands操作数•由四个英文字母组成，如EFFL、MNCG、TTLT等，类似的操作数共有285个•每个操作数都需进行相应的参数设定，如Target目标值、Weight权重等等，不同的操作数可能需要进行不同类型的参数设定2014.04光学课程设计2.3小结在进行优化之前，必须建立MF在优化过程中，可能要根据优化结果对MF进行修正操作数不必强行记忆，用到时查询即可2014.04光学课程设计3.初始结构建立在很多的情况下（例如简单望远镜的双胶合透镜），透镜的设计方案可以从基本原则出发，经过理论计算求出来，但这只是特殊的、简单的情况，在绝大多数的情况下我们是通过如下的几种途径之一取得初始结构的：•凭借个人的学识和经验估计设定。经验丰富的设计者可以做的很好，但对初学者来讲很难•利用Zemax内建的镜头库或Zebase镜头库，从中选择可用的结构•利用单位过去设计过的透镜技术档案，这是最常用的办法。•购进各种透镜，分析它的结构。这种方法工作量大而且费时间，但是经常被采用，尤其多为小公司采用。2014.04光学课程设计4.总结新建初始结构调用初始结构OR输入系统要求参数Gen/Wav/Fie建立MF/修订MF进行光路计算，即优化像质评价合格不合格合格不合格用Zemax软件进行设计的过程2014.04光学课程设计二、Zemax的像质评价2014.04光学课程设计1.Layout做透镜图2014.04光学课程设计1.12DLayout2014.04光学课程设计1.23DLayout2014.04光学课程设计1.3ShadedModel2014.04光学课程设计1.4ElementDrawing做元件图“Settings”中进行设定•选择需要出图的面•选择显示类型（Showas）：Surface/Singlet/doublet下面两个图都是选择显示为singlet2014.04光学课程设计1.4.1Zemax格式2014.04光学课程设计1.4.2ISO标准格式2014.04光学课程设计1.5出图到文件法1：2014.04光学课程设计法2：截屏，Prtsc键，然后直接粘贴到word或ppt或画图2014.04光学课程设计1.6出数据到文件点text，跳出如下窗口：2014.04光学课程设计2、RayFan直译：光线扇面---“物点”发出的光线均匀分布在主光线两边，形成的扇形面概念理解：•主光线（chiefray）---物点发出的经过入瞳中心的光线•子午面（tangential）---平行于物体与光轴确定的平面•弧矢面（sagittal）---垂直于物体与光轴确定的平面•穿透（pierce）---认为光线穿透入瞳面、像面，且每条光线与面上的“穿透点”一一对应2014.04光学课程设计以子午面RayFans为例2014.04光学课程设计2.1子午面的RayFan横轴表示入瞳的y轴，纵轴表示像面的y轴横轴坐标对入瞳的边缘位置进行归一化，即横轴边缘为+1、-1任取光线a，做其入瞳位置与像面位置的关系图，形成一条曲线•像面位置：光线a相对于主光线的“相对位置”，即纵轴的零点表示主光线在像面上的穿透点若是一理想系统（无像差），RayFan图应如何表现？所有的点形成一条直线段，且该直线段与横轴重合2014.04光学课程设计2.2弧矢面的RayFan横轴表示入瞳的x轴，纵轴表示像面的x轴其他与子午面RayFan相同2014.04光学课程设计2.3Zemax中的RayFanAnalysis→Fans→RayAberration（偏差）或点此快捷方式2014.04光学课程设计2.3.1最简单的RayFan：只关注一个波长：0.55微米（micron，m）只关注一个fieldangle：0.0000度（degree，DEG）子午面RayFan弧矢面RayFan两条重合于横轴的直线段，说明没有像差2014.04光学课程设计左键点击RayFan图中的settings按钮，跳出对话框：定义了上页中两个图，哪个代表子午面、哪个代表弧矢面2014.04光学课程设计纵轴：子午像面上各光线穿透点相对于主光线穿透点的距离横轴：弧矢入瞳面上各光线穿透点相对于入瞳边缘的距离（取入瞳中心为零