Zemx 初学练习手册.docx
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Zemx初学练习手册
内容綱目:
前言
習作一:
單鏡片(Singlet)
習作二:
雙鏡片
習作三:
牛頓望遠鏡
習作四:
Schmidt-Cassegrain和asphericcorrector
習作五:
multi-configurationlaserbeamexpander
習作六:
foldmirrors和coordinatebreaks
習作七:
使用ExtraDateEditor,OptimizationwithBinarySurfaces
習作一:
單鏡片(Singlet)
你將學到:
啟用Zemax,如何鍵入wavelength,lensdata,產生rayfan,OPD,spotdiagrams,..定義thicknesssolve以及variables,執行簡單光學設計最佳化。
設想你要設計一個F/4單鏡片在光軸上使用,其focallength為100mm,在可見光譜下,用BK7鏡片來作。
首先叫出ZEMAX的lensdataeditor(LDE),什麼是LDE呢?
它是你要的工作場所,譬如你決定要用何種鏡片,幾個鏡片,鏡片的radius,thickness,大小,位置……等。
然後選取你要的光,在主選單system下,圈出wavelengths,依喜好鍵入你要的波長,同時可選用不同的波長等。
現在在第一列鍵入0.486,以microns為單位,此為氫原子的F-line光譜。
在第二、三列鍵入0.587及0.656,然後在primarywavelength上點在0.486的位置,primarywavelength主要是用來計算光學系統在近軸光學近似(paraxialoptics,即first-orderoptics)下的幾個主要參數,如focal
length,magnification,pupilsizes等。
再來我們要決定透鏡的孔徑有多大。
既然指定要F/4的透鏡,所謂的F/#是什麼呢?
F/#就是光由無限遠入射所形成的effectivefocallengthF跟paraxialentrancepupil的直徑的比值。
所以現在我們需要的aperture就是100/4=25(mm)。
於是從systemmenu上選generaldata,在apervalue上鍵入25,..而aperturetype被default為EntrancePupildiameter。
也就是說,entrancepupil的大小就是aperture的大小。
回到LDE,可以看到3個不同的surface,依序為OBJ,STO及IMA。
OBJ就是發光物,即光源,STO即aperturestop的意思,STO不一定就是光照過來所遇到的第一個透鏡,你在設計一組光學系統時,STO可選在任一透鏡上,通常第一面鏡就是STO,若不是如此,則可在STO這一欄上按滑鼠,可前後加入你要的鏡片,於是STO就不是落在第一個透鏡上了。
而IMA就是imagineplane,即成像平面。
回到我們的singlet,我們需要4個面(surface),於是在STO欄上,選取insertcifter,就在STO後面再插入一個鏡片,編號為2,通常OBJ為0,STO為1,而IMA為3。
再來如何輸入鏡片的材質為BK7。
在STO列中的glass欄上,直接打上BK7即可。
又孔徑的大小為25mm,則第一面鏡合理的thickness為4,也是直接鍵入。
再來決定第1及第2面鏡的曲率半徑,在此分別選為100及-100,凡是圓心在鏡面之右邊為正值,反之為負值。
而再令第2面鏡的thickness為100。
現在你的輸入資料已大致完畢。
你怎麼檢驗你的設計是否達到要求呢?
選analysis中的fans,其中的RayAberration,將會把transverse的rayaberration對pupilcoordinate作圖。
其中rayaberration是以chiefray為參考點計算的。
縱軸為EY的,即是在Y方個的aberration,稱作tangential或者YZplane。
同理X方向的aberration稱為XZplane或sagittal。
Zemax主要的目的,就是幫我們矯正defocus,用solves就可以解決這些問題。
solves是一些函數,它的輸入變數為curvatures,thickness,glasses,semi-diameters,conics,以及相關的parameters等。
parameters是用來描述或補足輸入變數solves的型式。
如curvature的型式有chiefrayangle,pickup,Marginalraynormal,chiefraynormal,Aplanatic,Elementpower,concentricwithsurface等。
而描述chiefrayanglesolves的parameter即為angle,而補足pickupsolves的parameters為surface,..scalefactor兩項,所以parameters本身不是solves,要調整的變數才是solves的物件。
在surface2欄中的thickness項上點兩下,把solvetype從fixed變成MarginalRayheight,然後OK。
這項調整會把在透鏡邊緣的光在光軸上的height為0,即paraxialfocus。
再次updaterayfan,..你可發現defocus已經不見了。
但這是最佳化設計嗎?
再次調整surface1的radius項從fixed變成variable,依次把surface2的radius,及放棄原先的surface2中thickness的MarginalRayheight也變成variable。
再來我們定義一個Meritfunction,什麼是Meritfunction呢?
Meritfunction就是把你理想的光學要求規格定為一個標準(如此例中focallength為100mm),然後Zemax會連續調整你輸入solves中的各種variable,把計算得的值與你訂的標準相減就是Meritfunction值,所以Meritfunction值愈小愈好,挑出最小值時即完成variable設定,理想的Meritfunction值為0。
現在談談如何設Meritfunction,Zemax已經default一個內建的meritfunction,它的功能是把RMSwavefronterror減至最低,所以先在editors中選Meritfunction,進入其中的Tools,再按DefaultMeritFunction鍵,再按ok,即我們選用defaultMeritfunction,這還不夠,我們還要規定給meritfunction一個focallength為100的限制,因為若不給此限制則Zemax會發現focallength為時,wavefrontaberration的效果會最好,當然就違反我們的設計要求。
所以在Meritfunctioneditor第1列中往後插入一列,即顯示出第2列,代表surface2,在此列中的type項上鍵入EFFL(effectivefocallength),同列中的target項鍵入100,weight項中定為1。
跳出Meritfunctioneditor,在Tools中選optimization項,按Automatic鍵,完畢後跳出來,此時你已完成設計最佳化。
重新檢驗rayfan,這時maximumaberration已降至200microns。
其他檢驗opticalperformance還可以用SpotDiagrams及OPD等。
從Analysis中選spotdiagram中的standard,則該spot大約為400microns上下左右交錯,與Airydiffractiondisk比較而言,後者大約為6microns交錯。
而OPD為opticalpathdifference(跟chiefray作比較),亦從Analysis中挑選,從Fans中的OpticalPath,發現其中的aberration大約為20waves,大都focus,並且spherical,spherochromatism及axialcolor。
Zemax另外提供一個決定firstorderchromaticabberation的工具,即thechromaticfocalshiftplot,這是把各種光波的backfocallength跟在paraxial上用primarywavelength計算出firstorder的focallength之間的差異對輸出光波的wavelength作圖,圖中可指出各光波在paraxialfocus上的variation。
從Analysis中Miscellaneous項的ChromaticFocalShift即可叫出。
(回內容綱目)
●習作二:
雙鏡片
你將學到:
畫出layouts和fieldcurvatureplots,定義edgethicknesssolves,fieldangles等。
一個雙鏡片是由兩片玻璃組成,通常黏在一起,所以他們有相同的curvature。
借著不同玻璃的dispersion性質,thechromaticaberration可以矯正到firstorder所以剩下的chromaticaberration主要的貢獻為secondorder,於是我們可以期待在看chromaticfocalshiftplot圖時,應該呈現出paraboliccurve的曲線而非一條直線,此乃secondordereffect的結果(當然其中variation的scale跟firstorder
比起來必然小很多,應該下降一個order)。
跟習作一一樣,我們仍然要設計一個在光軸上成像,focallength為100mm的光學系統,只不過這次我們用兩塊玻璃來設計。
選用BK7和SF1兩種鏡片,wavelength和aperture如同習作一所設,既然是doublet,你只要在習作一的LDE上再加入一面鏡片即可。
所以叫出習作一的LDE,在STO後再插入一個鏡片,標示為2,..或者你也可以在STO前在插入一面鏡片標示為1,然後在該鏡片上的surfacetype上用滑鼠按一下,然後選擇MakeSurfaceStop,則此地一面鏡就變成STO的位置。
在第一、第二面鏡片上的Glass項目鍵入BK7即SF1,因為在BK7和SF1之間並沒有空隙,所以此doublet為相黏的二鏡片,如果有空隙則需5面鏡因為在BK7和SF1間需插入另一鏡片,其glasstype為air。
現在把STO旱地二面鏡的thickness都fixed為3,僅第3面鏡的thickness為100且設為variable,既然要最佳化,還是要設meritfunction,..注意此時EFFL需設在第三面鏡上,因為第3面鏡是光線在成像前穿過的最後一面鏡,又EFFL是以光學系統上的最後一塊鏡片上的principleplane的位置起算。
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