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1、光学CAD设计,南京理工大学紫金学院,应用 光学,像质 评价,光学 CAD,光学CAD光学系统计算机辅助设计。利用辅助软件设计所需系统，确定各参数指标，然后才能对光学系统进行制造。,常用的光学系统设计软件有：ZEMAX、CODEV、SOD88等。,除平面反射镜成像外，没有像差的光学系统是不存在的。,光学CAD设计,Zemax软件简介 光学设计流程 设计实例,Zemax简介,Zemax公司开发的光学设计软件 功能完整（设计、分析、优化、公差分析等） 使用方便 光线追迹算法 序列光线追迹 非序列光线追迹（蒙特卡罗算法） 版本 SE：标准版 XE：完整版 EE：专业版（可算非序列）,Zemax用户界

2、面, 主要有五种用户界面 Main：顶端有标题栏，菜单栏和工具栏。 Editors: 编辑各种光学面参数或其他参数 Graphic Windows: 显示各种图形数据 Text Windows: 显示各种文本数据 Dialog: 编辑其他各种Window的数据或报告错误信息。,1) Main,工具栏,2) Editors, Lens Data Editor：输入透镜参数 Merit Function Editor：评价函数构建 Multi-Configuration Editor：多重结构参数定义 Tolerance Data Editor：公差分析函数设定 Extra Data Editor

3、：附加数据 Non-Sequential Components Editor: 非序列光学系统,3) Graphic Windows,4) Text windows and Dialog,初始结构输入,General 孔径类型、尺寸单位、玻璃库选择 环境设定等 Field 视场设定 Wavelength 波长设定,单透镜设计（a singlet）,通过这项简单练习我们将学到： 启用Zemax，如何键入wavelength，lens data，产生ray fan，spot diagrams，OPD，定义thickness solve 以及variables，执行简单光学设计最佳化。,一、确定单透

4、镜的基本光学性能要求,设想你要设计一个F/4 单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7 镜片来作。 焦距：100mm F数：4 玻璃：BK7 在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；,二、输入初始结构数据,1、计算法 2、计算结合经验法 3、经验法 4、查资料法(孔径、视场、波长、焦距，整体缩放),1、输入波长 可见光波段，select【F，d，C】,孔径类型：,Entrance Pupil Diameter：入瞳直径 Image Space F/#：共轭像空间F数（物为无穷远） Object Space NA：物空间数值孔径,Floa

5、t by Stop Size： 由孔径光阑决定入瞳大小Paraxial Working F/#： 像空间近轴F数 Object Cone Angle： 物方孔径角,Field设置四种模式,3、Object Height 物空间XY高度 4、Real Image Height 实际像高,1、Field Angle：光线与Z轴的夹角(视场角) 2、Paraxial Image Height：近轴像空间高度,2、输入孔径 我们需要一个F/4的镜头， F/#=（有效焦距）/（近轴入瞳直径） 所以现在我们需要的aperture 就是100/4=25(mm),3、输入lens data 对于singlet

6、，我们需要4 个面 (surface)，物平面，光阑面（前镜面），后镜面和像平面。 依次输入玻璃、1，2面的曲率半径及厚度。,怎么检验你的设计是否达到要求呢？,三、像质评价,Ray Aberration，将光线像差对光瞳坐标作图。横坐标为归一化光瞳坐标，由-1变化到+1，纵坐标表示几何像差在像面上的弥散情况。 左图纵轴为EY 的，即是在Y方向的像差，称作子午的tangential或YZ plane。 右图则为X 方向的像差，称作XZ plane 或弧矢sagittal。,由ray fan看几何像差,由ray aberration既可以看出几何像差存在时的综合弥散情况，还可以看出其它独立几何像差

7、的大小。 由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差量，如球差、场曲、离焦的大小； 由曲线边缘孔径（1.0）处的Y-aberration之和反映慧差值的大小； 光谱段（如F，d，C），波长序号为1、3波长的曲线与EY轴的交点之差反映垂轴色差的大小，并随着视场的变化可观察垂轴色差的变化,Zemax的solves可以帮助解决defocus的问题。,这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height设为0，即paraxial focus。,Update ray fan，可以发现defocus消失了,设计最佳化？,四、优化,1、设定变量 调整surface 1，2的radius 项从fixed 变成variab

8、le，依次把surface 2中thickness的Marginal Ray height 也变成variable。,2、构建评价函数 定义一个Merit function，就是把你理想的光学要求规格定为一个标准(如此例中focal length为100mm)，然后Zemax会连续调整你输入solves 中的各种variable, 把计算得的值与你订的标准相减就是Merit function值。 所以Merit function值愈小愈好，挑出最小值时即完成variable设定，理想的Merit function 值为0。,缺省的评价函数 （它的功能是把RMS wavefront error

9、减至最低）,规定给merit function 一个focal length 为100的限制，因为若不给此限制则Zemax 会发现focal length 为无穷大时，wavefront aberration 的效果会最好，当然就违反我们的设计要求。,3、优化 在Tools 中选optimization 项，按Automatic键，完毕后跳出来，此时你已完成设计最佳化。,五、其它衡量方法,其它检验optical performance 还可以用Spot Diagrams 及OPD等。 Ray aberration 仅能反映子午、弧矢面内光线成像的弥散情况，Spot Diagrams则能反映任一物点发出充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散情况。,Spot diagram,此点列图的弥散大小是400微米，作为比较，Airy衍射斑的大小大约为6微米。,OPD(optical path difference)图 OPD是以光瞳坐标为函数的光程差（以主光线为准）的分布图，光瞳坐标与Ray Fan图的相同。,可以发现其中的aberration 大约为20 waves，大都在在焦面上，而且存在球差(spherical )，色球差(spherochromatism)和轴向色差(axial