光学设计第二章翻译.doc

第二章 zemax2.1 zemax简介本课程将主要使用由Focus Software公司生产的光学设计分析软件zemax作讲解。ZEMAX是一款界面友好，功能强大性价比很高的软件。当然你可能在将来的职业生涯中使用到诸如Code-V，Synopsis，SuperOslo等软件，但是至少熟悉一个软件还是很关键的。这一章将提供给大家关于ZEMAX的一个基本的方向和一个大致的介绍。2.2数据输入在开始设计和分析工作之前，你需要输入一套原始数据。你需要对镜头，光圈，视场，波长等4个基本信息进行设定。我们将以一个凸透镜为例进行说明。2.2.1在Lens Data Editor中输入一套设计数据（prescription 处方，规则，这里我把它翻译成整套设计数据）图2.1所示的ZEMAX主界面出现了一个具有File，Editor, System等按钮的工具栏。工具栏下有一排写着Upd，Gen，Fie，Wav等字的按钮。在那些按钮之下就是Lens Data Editor（简称LDE）。在Surface Type 下方的左边有一列写着OBJ,STO,IMA等字样的框。将鼠标移动到STO框上点击，右边的框（写着Standard的）会高亮（你也可以使用方向键操作）。现在按下键盘上的Insert键，你就添加了一个叫做1的面进去了。你对IMA框做同样的事情，按下2次键就可以添加叫做3和4的另外两个面。在SerfaceType右边的那一排中，有写着Comment，Radius,Thickness，Glass，Semi-Diameter，Conic等标识的框。移动光标到Radius框下面，3号面对应的那个框，输入100，同样在4号面对应的那个框输入-100. 在Thickness框下面1号面对应的框中输入25,3号面对应的框中输入10。4号面对应框中双击一下，会出现一个对话框出现。在Solve Type的右面点一下向下的箭头调出下拉菜单，选出Marginal Ray Height。（下面写有height和pupil zone的栏目会出现数字0.）点一下ok结束对话框，你会看到LDE中有个小格子写着一个字母M。这个操作的功能是在所被选框中显示infinity时可以自动寻找到后向傍轴焦距。在3号面与Glass框对应的格子上填上BK7。在3号面与Semi-Diameter框对应的格子上填上25。4号面对应的格子上也填上25。（这时你可以看到旁边的小格子里出现了字母U。这表示该数量是由用户定义的）这里Semi-Diameter中定义的是实际镜头的口径也就是我们画出来的面有多大。但是要注意的是这不是对整个系统的光阑大小设定。光阑的设定需要在另外的对话框中进行。当我们做完以上这些的时候，Lens Data Editor所需要的基本信息就都完成了。2.2.2对话框点击上面的Gen按钮，会出现一个子菜单，这就是定义系统光阑大小，选择玻璃库，确定单位的地方。点击Aper Type栏，出现另外一个子菜单。选择Entrance Pupil Diamerer选项，在Aper Value中输入40。这里就定义了系统的光阑大小为40.注意这里我们没有做单位的修改，而默认的单位是毫米。这里再说明一点，如果我们没有特别地在LED中定义镜头的口径，那么所有的面的口径都会根据我们刚才输入的Entrance Pupil Diamerer（简称EPD）进行自动计算。（笔者注：这里我们已经特别定义过镜头口径了，就是刚刚填了数字然后出现了U的地方，如果没有U就是自动计算）另外默认的玻璃库是肖特的。我们可以点ok结束这个子菜单了。点一下Fie按钮，一个新的子菜单出现了。这里我们可以对视场进行设定。0度角的视场（主轴上）是默认给出的。在2和3的前面的小框里打上勾，在Y-Field下面对应的框里填上7.07和10.现在我们激活了0,7.07,10度角的视场。点ok。按下Wav按钮。出现了一个新的子菜单。一个波长已经给出，但是这不是我们需要的波长，我们把光标移动到wavelength下与1那一行对应的框中点击一下，输入0.486.在2和3前面的小框中打上勾，在对应的wavelength下输入0.587和0.656.这时你就已经输入了可见光谱中的三个常用波长了（单位是微米）。他们对应着光谱中的F，d，C线。在Primary下面选中与2对应的那个圈。这就设定了参照波长，也就是设定了进行计算时各波长的属性。（笔者注：这里有first and third order properties没有翻译出来）这里似乎有迷糊，但是经过一些练习之后大家就会明白的。反正大家填好的LDE跟图2.2一样就可以了2.3 输出按下Lay键就可以看到系统长什么样子了。图2.3给出了我们刚刚设计的系统的输出图。如果想要看一下尺寸，可以点Setting，在Scale Factor后面输入1，点ok。这时图的下面会出现一个比例尺。而且，Setting中可以对显示进行设定，你可以选择显示某一波长某一视场的光线还能设定显示光线的数目。大家可以自己试试。我们的系统中物处于无穷远，所以会有按照3个视场角出现的平行光束。但是我们在镜头前只看到了25mm的平行光空间。光阑位于第一个面的左定点处。而光阑的孔径（40mm）小于镜头的孔径50mm。回想一下我们在LDE中设定Semi-diameter时说的，这只是设定这个面在我们的显示图上要画多大，再没有别的作用了。像平面的位置是傍轴边缘光线为0的地方。（这是我们使用M-solve获得的优化）（笔者注：M-solve就是把thickness的小格旁边出现M的操作，具体见2.2.1节）而后向的焦距可以在LDE的thickness栏下与4号面对应的框中看到，这里的值时95.068mm2.4 基本属性（first order properties可能翻译的不对）我们会遇到这样的问题，这个系统的有效焦距（EFL），f数（f-number）是多少。了解诸如此类的基本属性问题我们可以点击Sys按钮。这时会弹出一个对话框，列出所有的系统信息，如图2.4所示。我们可以看到EFL是98.42mm。总追迹长度是130.07mm，也就是从第一个面到像面的长度。注意一下，这里有3个f数，第一个f数是像面f数，是用EPD（Entrance Pupil Diamerer）除以EFL得到（物在无穷远处），或者用f/2.46表达。其它的我们将在2.8节讨论。2.5分析在主菜单中的Analysis下有诸如计算，绘图，画曲线等等设计分析所需要一切功能。图2.5把能实现的功能做了一个总结。例如，想要光线追迹的信息，点一下Calculation，会出现另一个对话框。点击Ray Trace，这时实际边缘光纤和傍轴边缘光线的信息都会出现。你可以通过点击Settings选择光线。你可以选择物点光线的位置（H）和入射光线进入入瞳的位置。这些数值需要填写一个0到1之间的数，因为在这个功能下这些数值都被归一化了。而更常用一些的分析功能我们也可以通过直接点击按钮Ray，Opd，Spt，Mtf获得。例如，图2.6就显示了ray fan，spot diagram，field curvature，distortion plots2.6设计记录在我们同像差做激烈斗争的时候，优化一个设计需要做很多很多不同 的工作。你会很容易就在某一个点上失去联系。因此记录你所做的每一步是非常重要的。这个记录应该包括你的变量处理，优化函数（merit function）的结构，每一步的文件名。对这门课程而言，每一个作业都需要存储，下面是将会用的的每一章中的文件的命名规则：前4个字母说明工作系统名称第5个字母是一个数字，它将表明同一个设计问题下的进行状况第6个字母确定为o表明优化路径接下来的数字是优化的步数最后的字母是b或者a，表明是优化之前还是优化之后（这一节就不过多翻译了，大家有兴趣自己可以对照原文后面的例子看看）2.7zemax玻璃库当你在LDE中的Glass框下输入玻璃品种时你需要填入的一些玻璃生产商例如Schott，Ohara，Corning等提供的产品。Zemax有一个以公司分类的玻璃库。当然只有生产商在Gen菜单下有的时候我们才能选择相应的玻璃产品。不过这里也有一些常用介质如硒化锌等的存档。最后这里也有一个繁杂的存档包括了诸如空气，水，塑料等等材料的存档。Zemax里的玻璃不是按照对波长的折射率列表的。相反这里的玻璃都是取一个相互作用多项式的前六项存储的。如果你点Gla按钮，玻璃目录就会出现。对每一个玻璃的相互作用因素都会以A0-A5的阿尔法技术方法描述。Zemax用这些相互作用因素计算相应波长下多项式的有效值从而得到折射率。当然这些相互作用因素所基于的多项式都是建立在光谱范围内的测量数据上的。Zemax只提供“d”线（波长587纳米）的准确折射率。如果你想要知道你选择波长的对应的折射率，你需要点击Pre-Settings-Index Data-ok2.8 odds and ends（不知道怎么翻了，就不翻了）2.8.1 f数在General Lens Data列表中我们看到了3个f数，传统f数我们知道是相面f数。那么其它两个是什么呢？考虑与光轴平行高度为y的单谱光线，如图2.7所示。这里我们看到f数是与光线在像空间折向焦点的弯曲角度有关。我们称之为傍轴f数（paraxial working f-number）。这个f数只在物是无穷远是与像平面f数相同。如果无时有限远的，U不同就会导致f数的不同。Zemax里的最后一个f数被称为工作f数（working f-number）定义如下这个f数反应的是实际非理想系统，这里的U与理想系统中部同我们将在第4章深入的讨论傍轴光线和实际光线。2.8.2光线选择考虑一个如图2.8所示的单位圆。它的面积是3.1416单位。那么要取它面积