ZEMAX第四章例子Word下载.docx
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ZEMAX第四章例子Word下载.docx
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启用Zemax,如何键入wavelength,lensdata,产生rayfan,OPD,spotdiagrams,定义thicknesssolve以及variables,执行简单光学设计最佳化。
设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用,其focallength焦距为100mm,在可见光谱下,用BK7镜片来作。
首先叫出ZEMAX的lensdataeditor(LDE),什么是LDE呢?
它是你要的工作场所,譬如你决定要用何种镜片,几个镜片,镜片的半径radius,thickness,大小,位置……等。
然后选取你要的光,在主选单system下,圈出wavelengths,依喜好键入你要的波长,同时可选用不同的波长等。
现在在第一列键入0.486,以microns微米为单位,此为氢原子的F-line光谱。
在第二、三列键入0.587及0.656,然后在primarywavelength上点在0.486的位置,primarywavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxialoptics,即first-orderoptics)下的几个主要参数,如焦点的长度,扩大,大小focallength,magnification,pupilsizes等。
再来我们要决定透镜的孔径有多大。
既然指定要F/4的透镜,所谓的F/#是什么呢?
F/#就是光由无限远入射所形成的effectivefocallengthF有效的焦点长度F跟paraxialentrancepupil入瞳的直径的比值。
所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。
于是从systemmenu上选generaldata,在apervalue光圈数值上键入25,而aperturetype光圈类型被default为EntrancePupildiameter入瞳直径。
也就是说,entrancepupil的大小就是aperture的大小。
回到LDE,可以看到3个不同的surface,依序为OBJ,STO及IMA。
OBJ就是发光物,即光源,STO即光阑面的意思,STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜,你在设计一组光学系统时,STO可选在任一透镜上,通常第一面镜就是STO,若不是如此,则可在STO这一栏上按鼠标,可前后加入你要的镜片,于是STO就不是落在第一个透镜上了。
而IMA就是imagineplane,即成像平面。
回到我们的singlelens,我们需要4个面(surface),于是在STO栏上,选取insertafter,就在STO后面再插入一个镜片,编号为2,通常OBJ为0,STO为1,而IMA为3。
输入镜片的类型为BK7。
在STO列中的glass栏上,直接打上BK7即可。
又孔径的大小为25mm,则第一面镜合理的thickness为4,也是直接键入。
再来决定第1及第2面镜的曲率半径,在此分别选为100及-100,凡是圆心在镜面之右边为正值,反之为负值。
而再令第2面镜的thickness为100。
现在你的输入数据已大致完毕。
你怎么检验你的设计是否达到要求呢?
选analysis中的fans,其中的RayAberration(光线相差),将会把transverse的rayaberration对pupilcoordinate作图。
其中rayaberration是以chiefray为参考点计算的。
纵轴为EY的,即是在Y方向的aberration相差,称作tangential子午相差或者YZplane。
同理X方向的aberration称为XZplane弧矢相差或sagittal。
Zemax主要的目的,就是帮我们矫正defocus象散(离焦),用solves就可以解决这些问题。
solves是一些函数,它的输入变量为curvatures,thickness,glasses,semi-diameters,conics,以及相关的parameters等。
parameters是用来描述或补足输入变量solves的型式。
如curvature的型式有chiefrayangle,pickup,Marginalraynormal,chiefraynormal,Aplanatic,Elementpower,concentricwithsurface等。
而描述chiefrayanglesolves的parameter即为angle,而补足pickupsolves的parameters为surface,scalefactor两项,所以parameters本身不是solves,要调整的变量才是solves的对象。
在surface2栏中的thickness项上点两下,把solvetype从fixed变成MarginalRayheight,然后OK。
这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0,即paraxialfocus。
再次updaterayfan,你可发现defocus已经不见了。
但这是最佳化设计吗?
再次调整surface1的radius项从fixed变成variable,依次把surface2的radius,及放弃原先的surface2中thickness的MarginalRayheight也变成variable。
再来我们定义一个Meritfunction,什么是Meritfunction呢?
Meritfunction就是把你理想的光学要求规格定为一个标准(如此例中focallength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Meritfunction值,所以Meritfunction值愈小愈好,挑出最小值时即完成variable设定,理想的Meritfunction值为0。
现在谈谈如何设Meritfunction,Zemax已经default一个内建的meritfunction,它的功能是把RMSwavefronterror减至最低,所以先在editors中选Meritfunction,进入其中的Tools,再按DefaultMeritFunction键,再按ok,即我们选用defaultMeritfunction,这还不够,我们还要规定给meritfunction一个focallength为100的限制,因为若不给此限制则Zemax会发现focallength为时,wavefrontaberration的效果会最好,当然就违反我们的设计要求。
所以在Meritfunctioneditor第1列中往后插入一列,即显示出第2列,代表surface2,在此列中的type项上键入EFFL(effectivefocallength),同列中的target项键入100,weight项中定为1。
跳出Meritfunctioneditor,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。
重新检验rayfan,这时maximumaberration已降至200microns。
、、、、、、、、、、、、、到
其它检验opticalperformance还可以用SpotDiagrams及OPD等。
从Analysis中选spotdiagram中的standard,则该spot大约为400microns上下左右交错,与Airydiffractiondisk比较而言,后者大约为6microns交错。
而OPD为opticalpathdifference(跟chiefray作比较),亦从Analysis中挑选,从Fans中的OpticalPath,发现其中的aberration大约为20waves,大都focus,并且spherical,spherochromatism及axialcolor。
Zemax另外提供一个决定firstorderchromaticabberation的工具,即thechromaticfocalshiftplot,这是把各种光波的backfocallength跟在paraxial上用primarywavelength计算出firstorder的focallength之间的差异对输出光波的wavelength作图,图中可指出各光波在paraxialfocus上的variation。
从Analysis中Miscellaneous项的ChromaticFocalShift即可叫出。
习作二:
双镜片
画出layouts和fieldcurvatureplots,定义edgethicknesssolves,fieldangles等。
一个双镜片是由两片玻璃组成,通常黏在一起,所以他们有相同的curvature。
借着不同玻璃的dispersion性质,thechromaticaberration可以矫正到firstorder所以剩下的chromaticaberration主要的贡献为secondorder,于是我们可以期待在看chromaticfocalshiftplot图时,应该呈现出paraboliccurve的曲线而非一条直线,此乃secondordereffect的结果(当然其中variation的scale跟firstorder比起来必然小很多,应该下降一个order)。
跟习作一一样,我们仍然要设计一个在光轴上成像,focallength为100mm的光学系统,只不过这次我们用两块玻璃来设计。
选用BK7和SF1两种镜片,wavelength和aperture如同习作一所设,既然是doublet,你只要在习作一的LDE上再加入一面镜片即可。
所以叫出习作一的LDE,在STO后再插入一个镜片,标示为2,或者你也可以在STO前在插入一面镜片标示为1,然后在该镜片上的surfacetype上用鼠标按一下,然后选择MakeSurfaceStop,则此地一面镜就变成STO的位置。
在第一、第二面镜片上的Glass项目键入BK7即SF1,因为在BK7和SF1之间并没有空隙,所以此doublet为相黏的二镜片,如果有空隙则需5面镜因为在BK7和SF1间需插入另一镜片,其glasstype为air。
现在把STO旱地二面镜的thickness都fixed为3,仅第3面镜的thickness为100且设为variable,既然要最佳化,还是要设meritfunction,注意此时EFFL需设在第三面镜上,因为第3面镜是光线在成像前穿过的最后一面镜,又EFFL是以光学系统上的最后一块镜片上的principleplane的位置起算。
其它的meritfunction设定就一切照旧。
既然我们只是依习作一上的设计规范,只不过再加一面SF1镜片而已,所以其它的meritfunction设定就一切照旧。
现在执行optimization,程序如同习作一,在optimization结束后,你再叫出ChromaticFocalShift来看看,是否发现firstorder的chromaticaberration已经被reduced,剩下的是secondorderchromaticaberration在主宰,所以图形呈现出来的是一个paraboliccurve,而且现在shift的大小为74microns,先前习作一为1540microns。
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- ZEMAX 第四 例子