光学系统设计讲义

实验1 :单拍设计(Singlet )实验的目的：学习如何启用Zemax2 .学习波长和透镜数据的输入方法3 .系统性能，例如ray fan、OPD、现货图PS等。学习如何定义thickness solve和变量5 .学习优化设计的方法实验设备：微机，zemax光学设计软件实验步骤：1 .设计了孔径为F/4的单透镜，物体在光轴上，焦距为100mm，波长为可见光以BK7玻璃为材料。2、首先执行ZEMAX，显示ZEMAX主页后，点击lens数据编辑器(lde )。 什么是LDE？ 这是你想要的工作场所，在LDE的扩展页面上，可以输入可选的玻璃、镜头的radius、thickness、大小、位置等。3、然后输入波长，在主菜单的system中点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，输入希望的波长，在第一行以microns为单位输入氢原子的F-line光谱在第二行和第三行中输入0.587和0.656，其中，主光线上的位置为0.587，主光线主要包括焦点长度、动态、纸浆大小等。 用于计算光学系统的“近轴光学近似”(paraxial optics，first-order optics )下的几个主要参数。4 .决定镜头的开口的大小。 既然指定了F/4镜头，那么F/#是指光通过无限远入射形成的有效焦距f与平行入射管的直径之比。 现在需要的aperture是100/4=25 (毫米)。 然后，从系统菜单中选择一般数据，从apervalue中选择entrance pupil，输入25，然后单击ok。5、回到LDE，可以看到三个不同的曲面，按OBJ、STO、IMA的顺序排列。 OBJ是发光物，也就是说光源，STO是孔径光圈停止的意思，STO不一定是光照射的第一个透镜。 当设计一系列光学系统时，STO可以选择任一透镜。 通常，第一面镜是STO，否则在STO栏按鼠标，就能前后插入所希望的镜头，STO不会落在第一个镜头上。 IMA是图像平面，即成像面。 因为返回我们的剪影需要四个面，所以请点击IMA栏选择insert，在STO后面插入另一个镜头。 号码为2，通常OBJ为0，STO为1，IMA为3。6 .输入镜头的材质为BK7。 在STO行的玻璃栏中直接输入BK7即可。7、如果孔径大小为25mm，则第一镜面的合理thickness为4，在STO行的thickness栏中直接输入4。 Zemax的默认单位为毫米8、确定第一和第二镜面的曲率半径，这里分别设为100和-100，中心在镜面的右侧为正值，相反地设为负值。 设第二面镜的thickness为100。9、现在数据的输入几乎完成了。 怎么验证你的设计满足了要求呢？ 在analysis中选择fanplot，然后选择Ray Aberration，将显示图1-1所示的传输ray fan plot。图1-1在这里，ray aberration是以chief ray为基准点计算的。 在纵轴为EY的情况下，是y方向的aberration，称为tangential或yz平面。 同样将x方向的aberration称为xz平面或sagittal。 ray fan原点处的倾斜表示存在散焦defocus。10、Zemax的主要目的是纠正defocus，使用solves解决这些问题。 solves是一些函数，其中输入变量为curvatures、thickness、glasses、semi-diameters、conics和相关联的参数。 parameters是用于描述或补充输入变量solves的样式。 “curvature”的样式为“chief ray angle”、“pick up”、“Marginal ray normal”、“chief ray normal”、“Aplanatic”、“Element power”、“concentric with surface”等。 描述“chief ray angle solves”的参数是“angle”，而与“pick up solves”互补的参数有两种：“surface”和“scale factor”，因此参数本身不是“solves”，而是要调整的变量双击“surface 2”列中的“thickness”项目以显示“solve”对话框，然后将“solve type”从“fixed”更改为“Marginal Ray height”并确定。 此调整将镜头边缘光的光轴上的height设为0，并设为paraxial focus。 此时，曲面2的厚度自动调整为96mm。 再次更新rayfan后，图1-2中的defocus消失。11、但是，这是优化的设计吗？ 将“surface 1”中的“radius”条目从“固定”重新调整为“可变”，将“surface 2”中的“radius”从“固定”重新调整为“可变”，将“surface 2”中的“thickness”中的“Marginal Ray height”也重新调整为“可变”。12 .再定义一个merit function。 meritfunction是什么？meritfunction将你理想的光学要求规格设定为一个标准(在本例中focal length为100mm )，Zemax连续调整你在solves中输入的各种variable。 因为计算出的值和您订购的标准要减去的Merit function的值，所以Merit function的值越小越好，如果选择最小值，variable设定就完成，理想的Merit function的值为0。如何设置Merit function，Zemax是已内置在default中的Merit function，具有将RMS wavefront error最小化的功能，所以首先在editors中选择Merit function 进入工具，按“Default Merit Function”键，然后按“ok”，选择“Default Merit Function”也不够。 merit function需要将焦距focal length限制为100。 如果不加以限制，Zemax在focal length为infinit时，wavefront aberration的效果最高，当然违反设计要求。 在“Merit function editor”行后面插入一行，会显示一行2，表示“surface 2”，在该行的“type”项中输入“EFFL(effective focal length )”，换行，在该行的“target”项中输入100，换行，换行，Wei 退出“Merit function editor”，在工具中选择“optimization”选项，然后按“Automatic”键退出，然后跳过以完成设计优化。 重新检查ray fan后，出现图1-3，最大评估下降到200微秒。图1-2图1图313 .其他检查光学性能也可以利用Spot Diagrams和OPD等。 从Analysis中选择spot diagram的标准，该spot约为400微米ns上下左右交错，与Airy diffraction disk相比，后者约为6微米ns交错。OPD是光路差异(与chief ray相比)，从Analysis中选择泽Fans，选择泽光路，就会出现图1-4，其中aberration约为20 waves，大部分focus，spZemax提供了chromaticfocalshiftplot，它是一个决定第一个顺序chromatic abbe ration的工具。 图是输出各种光波的focal length和使用主波长计算first order的focal length的差异的光波的wavelength图，在图中表示平行focus上的各光波的variation 在分析中，从Miscellaneous项的Chromatic Focal Shift中得到图15。图1图4图1图5实验2 :双粘合透镜(doublet )实验的目的：学习layouts和field curvature plots的绘制方法学习定义edge thickness solves、field angles等的方法实验设备：微机，zemax光学设计软件实验原理：双粘合透镜doublet由两片玻璃构成，通常粘合在一起，所以曲率相同。 利用不同玻璃的分散性，色差校正可以校正为第一顺序，剩馀的色差校正的主要贡献是第二顺序，因此，色差校正的主要贡献是： 看化学位移图时应该表现抛物线曲线，而不是直线，这是第二顺序效果的结果(当然，variation的scale比第一顺序小很多实验步骤：选择1、BK7和SF1两种镜头，wavelength和aperture像实验1一样设置，因为是双镜头，所以只需在实验1的LDE中再放一片镜头即可。 因此调用实验1的LDE，在STO后插入另一个镜头表示“2”，或者在STO前插入镜头表示“1”，用鼠标点击该镜头上的surface type并选择“Make Surface Stop”后在第一、第二面透镜的玻璃栏中分别输入BK7和SF1。2、现在STO和第二面镜的thickness都固定在3上，只把第三面镜的thickness定为100，是可变的。图2-13、既然优化了，还要设置merit function，此时efff必须设置在第三面镜上。 第三面镜是光线成像之前通过的最后一面镜，efff根据光学系统上最后一个镜头上的principle plane的位置计算。 所有其他merit function设置都保持不变。4、现在选择工具，最优化，程序就像实验一样，最优化结束后点击Exit。 然后，在Analysis中选择Miscellaneous项的Chromatic Focal Shift可以获得图2-2。 由于“第一订单”的“化学反应”已经被重做，其馀部分由“第二订单化学反应”控制，所以该图形代表“公共曲线”。 现在shift的大小是74微米，实验是1540微米。图2-25、看其他性能效果，调用Ray aberration，如图2-3所示。 此时，最大传输速率从实验1的200微米ns下降到了20微米ns。 并且，3个波长通过原点的斜率大致一致，表示每个wavelength的relative defocus较小。 另外，该斜率不是0 (比较实验1 图1-2 )。 这告诉我们什么，斜率为0时，即使在pupil coordinate的原点附近发生某些变动，也不会发生aberration，defocus并不严重，而产生aberration的主要原因是spherical aberration图2-3因此，对于实验1 (将它们的坐标的scale与通过原点的倾斜度进行比较)，当前spherical aberration并不严重(因为aberration scale大幅减少)，允许出现一点defocus，而ray fan c6、现在我们确信我们获得了良好的性能，那么实际的光学系统的长度是怎