Zemax软件设计教程-3

ZEMAX光学软件培训课程

(第三讲)主要内容分光棱镜扫描光学系统主动光学望远镜衍射元件设计变焦距系统设计如何建立自己的评价函数一、分光棱镜在这一局部，我们将练习以下内容：在序列模式下用多重结构建立分束棱镜在光路图及分析窗口中同时追迹透射/反射光线计算透射光束及反射光束的光功率指标要求：设计一个偏振不相关的50/50分光棱镜；材料为BK7玻璃，镀有MgF2；50/50为理想膜层，不受偏振、波长、入射角影响翻开ZEMAX，输入以下系统参数：SystemunittommWavelengthto550umSetonefieldwithvaluesX=0andY=0SetsystemapertureasEntrancePupilDiameterof15mm在LDE中输入以上外表数据Beamsplittercube.zmx将第三个外表绕X轴倾斜-45°Tools>Miscellaneous>Tilt/DecenterElements在3Dlayout中选择5条Y轴光线改变通光孔径ZEMAX中默认的通光孔径为圆形，这里需设置10×10的矩形通光孔径在第2及第6面上进行如下更改在第4外表进行如下修改更新3D视图在Settings中勾选DeleteVignetted，删除边缘渐晕光线将surface4设置成膜层“I.50”将surfaces2和6设置成膜层

“AR”I.50是理想的50%透过率膜层AR是厚度1/4波长

的MgF2

减反膜.透射局部这样就完成了分析膜层引起的光强度的变化，使用偏振光线追迹Analysis>Polarization>PolarizationRayTracePolarizationRayTrace中解释了镀AR外表、50/50分束外表，及BK7材料吸收引起的光强度衰减设置反射局部翻开多重结构编辑器Multi-ConfigurationEditor添加一个组态插入操作数PRAM在组态2上设置pick-upsolve，令factor为-1更改第4外表的参数将其作为反射面，如上图在3DlayoutSettings中做如下修改从3Dlayout中可以看出此时的光线方向是错误的，我们需将组态2中的Thicknesses改为负值。真实光线追迹中Thickness的符号±设置参考zemaxmanualchapter3在LDE中添加一个外表，如图并设置pick-upsolve因为zemax中规定光线只能通过外表1次〔无论反射或者折射〕为了设计从底部反射镜反射回来的光束，我们需要再次定义分束棱镜对棱镜中的倾斜外表使用tilt/decenter工具使它倾斜45°注意：第10外表的材料为BK7而非MIRROR在3DlayoutSettings中选择只显示当前组态，并切换至组态2更新3Dlayout使用pickup修改第8、10、12面的孔径参数修改膜层信息更新3D视图在Settings中选择显示所有组态在组态1中Surfaces7-12应当是不用显示的，我们可以使用IGNR(ignoresurface)操作数来实现更新3D视图通过点击Clone复制一个PolarizationRayTrace窗口在两个窗口中选择不同的组态二、扫描光学系统在这一局部我们将学习设置一个±5°的扫描镜初始结构如图，参数如下：5mm厚度N-BK7在后外表设置f/5solve通过优化前外表曲率及后截距使RMS光斑最正确初始结构在附件中startingpoint.zmx添加一个折转镜点击Tools>FoldMirror>AddFoldMirror使用AddFoldMirror工具后Zemax将选择的外表设置为MIRROR添加两个coordinatebreak自动修改thickness的符号galvanometer.ZMX直接将coordinatebreak中的倾斜参数改成50并不能满足我们的需求，如图。改成50后整个后续的外表都将倾斜设置扫描镜我们可以使用Tilt/DecenterElements工具Tools>Miscellaneous>Tilt/DecenterElements设置多重结构翻开多重结构编辑器插入三个组态使用PRAM操作数设置三个扫描角度在3D视图中设置选择所有组态，更新视图在各组态中镜面及像面尺寸是不同的我们可以使用“Maximum”solve令其固定对多个组态进行优化翻开优化函数编辑器MFE，首先建立默认优化函数进行优化使三个组态下RMS光斑最正确通常扫描镜并不是完全以它的顶点旋转，例如扫描镜为一个多面体时，扫描镜为绕在其外表后某位置的一点旋转。我们需要将旋转中心点设置到整个扫描镜的中心位置polygon.ZMX三、主动光学望远镜在这一局部我们将学习设计一个拼接的反射式主动望远镜拼接的反射式望远镜可以通过调整每个组件的位置来使像面处的像差到达最小对于天文望远镜，使用主动光学能够减小一局部由大气引入的像差主动光学可以在序列、非序列及混合模式中设计，这里作为初探使用序列模式中多重结构的方式来实现这里为减小设计量做一些假定只设计抛物面主镜，不考虑整个望远系统中的其他外表每一块拼接镜是不可变形的对于每块拼接镜将只设置X/Y方向的倾斜并不引入平移整个镜面由19块拼接镜组成，我们需要手动输入这些参数，对于更多数量的拼接镜可以使用ZPL宏语言进行编辑拼接镜的位置使用decenter参数关联由Zemax生成模拟大气影响的随机像差设计参数：Mirrorsagshape=parabolic(conic=-1)Radiusofcurvature=-4000mm;focallength=-2000mmShapeofthesegment=HexagonSemi-diameterofeachsegment=150mm初始结构设计修改以下系统参数：SystemunittommWavelengthto550umSetonefieldwithvaluesX=0andY=0SetsystemaperturetypetoFloatbyStopSizeTurnRay-Aimingon(System>General>Ray-Aiming)我们需要在多重组态中，每个组态设计为一个拼接镜六边形反射镜为系统光阑其形状由user-definedsurfaceaperture(UDA)利用将STOP的偏心量X/Y设置为多重的来实现多片拼接镜设置一个玻璃窗口改变它的矢高产生模拟像差离轴拼接镜相对轴上镜的坐标发生了改变如以下图注意Z向的位置Adaptiveopticsfinal.zmx输入六边形的自定义孔径，翻开记事本程序输入以下字符POLx_centery_centerradiusnumber_of_side(6)rotation_about_its_center(zero)保存为HEXAGON.UDA放在ZEMAX/Objects文件夹下在Surface选项卡中可以选择HEXAGON.UDA在LDE中输入以下外表将第6面反射镜外表设置为Irregularsurface并将semi-diameter修改为150mm在第5面上设置positionsolve使3~5面间距始终为2100在第2面上设置glasssolve为model确认以下参数设置反射镜厚度在多重结构中设置不同的decenter来实现多片拼接镜使用两个CoordinateBreak面分别恢复decenter和tilt在第7面上设置tiltpickup，在第8面上设置decenterpickup翻开多重结构编辑器MCE使用PRAM设置surface#4的XYtilt和decenter使用THIC操作数修改不同镜片在Z向上的位置设置离轴拼接镜Y=270mmX=0插入一个组态，确认以下参数轴外镜Z向位置坐标可由decenter值、反射镜曲率、conic系数来计算我们可以利用ZEMAX中提供SSAG操作数计算翻开MFE在CONF2中插入SSAG并利用CONS和SUMM来计算将第1及第5面设置为不显示参考位置关系图计算组态3中镜片的X/YDecenter我们利用pickup来实现X270mm*cos(30°)=270*0.866Y270mm*sin(30°)=270*0.5重复上述操作实现7个组态翻开3D视图确认以下设置更新视图插入组态8、组态9，同样使用pickup来实现Y=270mm*1.5Y=270mm*2X=0X=270mm*0.866.重复上述操作，至第19个组态更新3D视图使用Slider工具查看设置是否正确Tools>Miscellaneous>Slider输入图中的参数点击Animate查看所有镜面相对位置运动是否正确建立优化函数对整个系统进行优化优化策略：将所有拼接镜的像斑中心优化至同一位置〔轴上像面中心位置〕使用CENX和CENY操作数来实现在MFE中每个组态下添加CENX和CENY设置模拟的随机像差，并将surface#4的tilt作为补偿翻开TDE(Editors>TolerenceData)CMCOSetsamulti-configurationvalueasacompensatorTEZI

ToleranceonsurfaceirregularityusingZernikeStandardpolynomials这里用到两个操作数CMCO和TEZI在help中可以查看他们的说明将第1至第19组态中的第4面及第5面添加至TDE中插入TEZI操作数，使用第2至第11项，将RMS误差设置为0.5um运行Tools>Tolerancing>Tolerancing确认如下设置出现警告界面时点击OK保存当前的文件，翻开保存下来的任意一个MonteCarlo文件注意LDE中第三面的类型更改为ZernikeStandardSurfaceMCE中第4及第5个操作数中tilt值不再为0翻开附加数据编辑器Editors>ExtraData查看第3外表的详细信息翻开Analysis>Surface>SurfaceSag确认如下设置翻开HuygensPointSpreadFunction分析窗口Analysis>PSF>HuygensPSF确认如下参数翻开SpotDiagram窗口确认如下参数去掉MCE中的补偿量查看SpotDiagram及HuygensPSF的变化引入补偿量极大的改善了像质四、衍射元件设计在这一局部我们将学习到：在Zemax中如何设计衍射元件使用Binary2设计衍射光学元件系数Ai为第i项扩展多项式的系数，M是衍射级次，N是级数中多项式系数的序号Zemax软件中很多外表都具有衍射光焦度，Binary2外表的光焦度为其穿过外表的相位变化是连续的所以Binary2外表是一个理想的衍射光学元件通常衍射元件都包含有衍射区域Binary2的衍射区域对应了不同周期Zemax计算了不同衍射带的坐标令其相邻区域的相位差为2πZemax中光程的计算公式opticalpathlength(OPL)OPL=(Phase*wavelength)/(2π)右图显示了Binary2外表产生的色差效果Binary2外表的一个典型应用就是消除色差Binary2外表被用来减小longitudinalcolor接下来我们将设计这个包含衍射元件的系统SetthesystemlengthunitstommSetthesystemapertureasEntrancePupilDiameterof30mmSetthewavelengthtoF,dandC.SetonefieldwithvaluesX=0andY=0翻开Zemax软件，设置以下系统参数：在LDE中输入以下外表HowtouseBinary2.zmx翻开优化函数编辑器，首先建立默认优化函数对surface#2的thickness进行优化翻开Analysis>Miscellaneous>LongitudinalColor翻开ExtraDataEditor将r^2和r^4设置为变量再次优化更新LongitudinalColor视图运行Zemax自带macro文件“Phases.zpl”选择surface#2我们需要计算每个2*m*π的衍射带的半径坐标来进行加工从窗口中可以看到一共有264个环带最外层环带距离轴上顶点为14.94mm右图显示了几种不同的衍射元件实现形式变焦距镜头是相对于定焦镜头而言的一种可连续变换焦距的镜头。它是由多组正、负透镜组成，除固定镜组外，尚有可移动的镜组，通过镜筒的变焦环，移动活动镜片组，改变物镜镜片之间的距离，可以连续变动镜头的焦距。五、变焦距系统设计根本概念：变焦距镜头是相对于定焦镜头而言的一种可连续变换焦距的镜头，而在变焦的过程中保持像面稳定，像质良好民用：电视、电影摄影、数码相机军用：导弹实验、对目标进行探测和跟踪、火箭记录望远摄影〔如人造卫星摄影〕以及宇宙空间探索事业应用领域：实现方式：变焦镜头是由多组正、负透镜组成，除固定镜组外，尚有可移动的镜组，通过改变透镜组之间的间隔来改变整个物镜的焦距，为使焦距改变而像面不动一般都利用“物像交换原那么”变焦镜头的总焦距f’是由其中单个透镜的焦距f1’，f2’，……fm’和透镜主平面间的距离d1,d2……dm所决定的。在现代技术条件下，要让单个透镜的焦距按一定规律连续变化是难以实现的，因此只有改变各透镜间间距来实现变焦的目的。变焦原理：物像交换原那么：假设物镜的两个共轭点〔物点和像点〕都是实点〔或都是虚点〕，那么可找到物镜的两个不同位置，其共轭距彼此相等，垂轴放大率β和互为倒数。只能保证物镜在两个位置的像面固定不动，假设物面一定，当透镜从一个位置移至另一位置移动的过程中，像面将发生移动，假设采取补偿措施使像面不动，便构成一个变焦距系统物点A像点A’运动方式分类：机械补偿法：光学补偿法：用补偿组作少量移动，与变倍组的移动方向不同且不等速用几组透镜作变倍和补偿时,几个运动组份固连在一起做同向等速的移动光学补偿：不需要设计偏心凸轮，但系统结构比机械补偿系统长，虽然结构简单,但是其焦距不能连续变化,因而在使用中受到了许多限制。机械补偿：通过凸轮曲线完成变倍组和补偿组的运动，随着机械加工精度的提高，完全可以保证凸轮的准确性，成为变焦系统一种最根本的类型机械补偿结构组件包括：前固定组1，变倍组2，补偿组3，后固定组4〔变倍组负，补偿组正、负，图中各光组都以薄透镜表示，实际中各光组都是复杂的光学系统。〕1234正组补偿负组补偿1234实际光学系统结构：前固定组变倍组补偿组后固定组变焦距镜头设计的一般方法：根据使用要求选择光学系统的结构形式进行高斯光学计算，画出变倍组和补偿组满足倍率要求的变倍补偿曲线外形尺寸计算，得出各组的焦距，组与组之间间隔象差理论计算，校正系统象差〔光学设计软件替代〕公差分析步骤：设计例如：

设计技术要求：

变焦范围：80～1200mm

变倍比：15CCD像