Zemax光学设计实例

1、光学设计光学设计实例通过中国科学院上海光学精密机械研究所2008年10月的设计案例，可以加深对所学几何光学、像差理论和光学设计的基本知识、一般手段的理解并初步应用。介绍光学设计软件ZEMAX的基本用法，并通过ZEMAX演示设计示例。意图，光学设计软件ZEMAX简介单镜头双粘合镜头非球面单镜头显微镜物镜双高斯照片物镜公差计算(具体应用案例因情况而异)，主要内容，由美国ZEMAX开发公司开发的ZEMAX是光学系统的所有概念、设计、优化、分析ZEMAX具有所有这些功能的强大、灵活、快速、易于使用的直观界面。ZEMAX有两个版本：ZEMAX-SE和ZEMAX-EE，某些功能仅在EE版本中可用。ZEMA

2、X可以分别针对成像系统和非美化系统模拟序列系统和非序列系统，如下所示：ZEMAX简介、光学设计过程、计算机的出现大大促进了光学设计过程；大多数光学设计程序的本质如下：每个变量都略有变化或增减。计算每个变量对结果的影响。计算结果为一系列微分，p/v1，p/v2，p/v3，p:优化函数结果，v3360变量；为了最小化剩馀结果的平方和，求解了每个变量联立方程。重复上述过程，直到优化完成。曲率半径、厚度、气隙、玻璃特性约束可以是相关结构，例如长度、半径等。获得技术要求并在考虑之前选择设计、专利、联系人设置、原始衍生创建变量和约束变量。或者，使用特定参数使用程序(例如光线角度、f数)，重复步骤3和步骤4

3、以确定结果的优化评估设计结果，如果不满足设计要求，则添加或隔离零部件，更改玻璃种类以修改设计，然后返回步骤4以分析公差，返回步骤2以估计结果错误镜头处理、机械结构和安装要求以及数据输入的常规过程。在“光圈输入”(F#，NA，Aperture，)屏幕上，找到Button Gen，按dialog box，按Aperture，选择Aperture type，然后输入值。您可以在System中单击General以单击dialog box。在文件中按Preference或Environment选择dialog box时，可以将常规项目的Button放在Gen所在的屏幕上，以便直接选择。上述程序标示如下：

4、视野输入：光学系统设计、光学系统结构数据输入、波长输入、半径、厚度、玻璃输入或更改屏幕上已存在的Lens data editor中的数据。如果Dialog box的屏幕数据框中使用了double click，请修改Surface type，Aperture type，将此面更改为隔膜，即“Make surface stop”。修改Radius，将其从fix更改为Variable(优化期间作为变量)，或由Solve提供。从最后一个面到图像面的厚度从fix更改为marginal ray height，pupilzone 0.7为0。在光学系统设计中使用ZEMAX。包含选定的玻璃表，并且可以同时为S

5、urface type和Glass Catalogs选择多个表。在Users Guide中进行了说明。输入足够的结构数据后，程序可以计算像差和分析图像质量，这基本上是项目下的各种功能。系统结构和光路图：确定镜头厚度是否合适，或光路是否存在重大错误，使光路与预期不完全匹配等。、Analysis、fan、optical path、ray aberration、几何像差和波前像差：或，RMS，每个视野的波前像差均方值，光学效能分析(Analysis)没有能量集中度和Huygens Point Spread function。为了便于执行这些计算，波面像差(非OPD、RMS)必须小于波长。否则，需要增

6、加Sampling点并增加时间。Seidel像差的作用和目的有助于了解像差发生在哪里，这通常有助于日后校准或优化。程序无法计算和优化望远镜系统，例如直接望远镜(例如，不应分离和设计物镜的伽利略望远镜)，因此程序可以在曲面内建立理想的光学系统，即把平行光束集中在一点上，并将其定义为任意焦距值以计算望远系统的像差。按、Enc、Analysis、Button和dialog box调度优化，但必须先指定Merit Function和变量。对于变量，您可以将结构数据框用作double click，对于dialog box，您可以将结构数据更改为“变量”(variable)或Fixed。关于Merit F

7、unction，最简单的方法是在程序中使用Default Merit Function。这是变更最佳化程序的方法之一，只要按下适当的Default Merit Function:Opt、dialog box，然后按下即可。光学系统结构优化，可以根据不同选择的实际情况改变优化过程。您也可以配置自己认为更好的Merit Function，或修改当前的Merit Function。在这种情况下，必须在框中输入相应的“Operand”。在优化一章中，指定“第一阶：焦距EFFL，高PIMH，Aberrations:主球间距，垂直像差TRAC，各种边界条件Operand”。您还可以将MTF值或Encirc

8、led energy用作Merit Function。原则上，这应该与实际使用目标更直接地联系起来，更好。但是实际上要计算更多的时间，所以从优化开始是不可取的。Oper#，optical system structure optimization(光学系统结构优化)可以用以下方框图表示整个优化过程：也就是说，优化结果由初始结构、变量和优化目标函数确定(由算法程序确定)，在这三者都不变的情况下是唯一的。如果对结果不满意，则必须手动干预以更改结构的初始值、更改变量或更改优化函数。优化光学系统结构，优化示例(1)，f=100，1333610，30 Entrance Pupil Diameter=10

9、，Field data 3360Y-Field=0，33任何初始结构(例如R1=60、r2=、玻璃为BK7)都不是实用的解决方案，从而产生“局部最小解决方案”，焦距、像差都与预期相差很远。R1=r2=的初始结构为R1=61.2，r2=350(d=5)。这是球差的最小位置，科玛差接近于0的解决方案，光圈的最佳位置在镜头前是几毫米。镜头到面的距离可以计算为优化变量或Solve，Marginal ray height=0。Tools，Quick Focus也可以定义。，f=100，D/f=1:4，2W=3，平行光入射，Entrance Pupil Diameter=25，Field date 336

10、0Y-Field=这三种解决方案都可以在像差理论中计算出来，但是优化结果比不把透镜厚度作为变量的一阶像差理论的解略好。优化程序可以使焦距与意图相匹配，在大型像差系统中，为了使像差变小，程序倾向于拉长焦距，不能完全保证预定焦距。要匹配焦距，请将半径设置为“solve”以使焦距与预期匹配，或者在Radius的dialog box中将Solve type用作元素功率，以使镜头焦距倒数1/f(可以在保持单个镜头焦距的情况下弯曲镜头)或使用Marginal Ray angle使此组的组合焦距保持不变“解算”此工具在设计时保持正确的镜头厚度通常很有用，例如边厚度。根据优化示例(2)、玻璃组合(可以确定光学

11、设计手册)的种类，使用程序可以获得0(具有f，d，c的波长)的好能量，但是3视野通常有很大的色度差异，不能修改。使用隔膜位置作为变量通常也是如此。(初始半径可取(60，-60，)。完全移除Merit Function的视野0的Operand。也就是说，如果只考虑3视野的像差，就可以得到修正子午线彗星像差的解决方案(理论上，3视野的形状与公差，彗星的像差相关，0只与球差相关，原则上，可以与3视野的校正同时修正)。然后，恢复原始2视野的“Merit Function”，它将保持最佳效果，如合并一样。此玻璃组合为BK7/SF5，优选的Glass、Model、Vary，玻璃已优化为变量，但未得到真正的

12、解决方法，因此很容易获得优化的解决方案，而不是一一修改玻璃。双粘合物镜，优化示例(2):优化结果，使用f=60，1: 1，1非球面精确校正球面像差，弯曲透镜时补偿色度差，形成大口径小视场光学系统。简单地使用Default merit Function优化通常不会产生结果。为此，首先通过一阶像差计算，适当校正S2的初始半径值成为起点，在Merit Function中，将带(Ring)更改为15-20，自动优化将获得良好的结果(文件Asph6)。实际上，非平面高项目不需要Asph3文件、项目6和项目8、剩馀数量差或小项目等。此结果校正S1，S2确定半径和Conic系数，使用Default meri

13、t function (Ring=3)，但使用较小的光圈。半径和Conic系数固定不变，光圈增加，并通过六次系数修正。将光圈增加到1: 1，优化6，8个系数，则存在高级彗星差异，然后更改初始值(半径和Conic)，以与倒数第一次彗星差异保持平衡，重复此过程。非球面单透镜，优化示例(3)，sei，优化示例(3):优化结果，优化示例(3)，优化示例(3)，优化示例(3)，光学设计光学设计示例中国科学院上海光学精密机械研究所2008年11月高倍率显微镜物镜从专利USP3902793A开始，具有结构分离的负透镜组，因此，平面场显微镜物镜，视野为3.75，NA=1.21，平行光束入射(无限共轭距离)，最

14、后通过水库和覆盖幻灯片聚集在标本上，确保焦点位于覆盖幻灯片下。 关于NA，ZEMAX程序还错误Image space NA=0.938，值1.21为Working F/# 0.4135，其定义=1/(2nsin)，计算结果的像差通常不太好。(在“Ray Trace”中也可以找到正确的NA值)优化仍然采用默认度量函数，但是添加WFNO行、目标值0.4、权重1不仅结果不好，而且不会保留NA。按下Default Merit function(默认网格函数)、dialog box(对话框框)、change Rings=9(原始默认值为3)，然后获取新的9个要求的Merit function(混合函数)

15、，并将WFNO的权重更改为10，则NA完全，还要检查光路图，R14过小，工作距离过短，已经是油层不能修改的负值，因此必须在边界条件限制内再次执行。选定的边界条件为DMVA，即镜头的光束直径值，DMVA=2.6，权重1，重复上述过程以补偿单色像差，工作距离为正。从那时起，如果看剩余色差，正透镜在轴向差余量上应该分布得更小，负透镜应该分布得更多，实际上选择的玻璃已经在玻璃表的极限点上，因此玻璃交换的空间很小，并且残差与每个透镜的值比较，所以从那时起可以直接进行多波长优化。将波长返回到Fdc三线，然后再通过。WFNO，两行DMVA需要Merit Function。平衡结果实际上是大于/2的最大值，如3902793A4，