雙分離物鏡設(shè)計(jì)

1、百度文庫-讓每個(gè)人平零地提升自我課程設(shè)計(jì)課程名稱光電設(shè)計(jì)課題名稱雙分離物鏡設(shè)計(jì)專 業(yè)班 級(jí)學(xué) 號(hào)姓 名指導(dǎo)教師劉建2010 年06 月 6 0一.光學(xué)概述光學(xué)（optics）是研究光（電磁波）的行為和性質(zhì)，以及光和物質(zhì)相互作用的物理學(xué) 科。傳統(tǒng)的光學(xué)只研究可見光，現(xiàn)代光學(xué)已擴(kuò)展到對(duì)全波段電磁波的研究。光是一種 電磁波，在物理學(xué)中，電磁波由電動(dòng)力學(xué)中的麥克斯韋方程組描述；同時(shí)，光具有波 粒二象性，需要用量子力學(xué)表達(dá)。狹義來說，光學(xué)是關(guān)于光和視見的科學(xué)，optics（光學(xué)）這個(gè)詞，早期只用于跟眼睛 和視見相聯(lián)系的事物。而今天，常說的光學(xué)是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見 光、紫外線直到X射線的寬

2、廣波段范圍內(nèi)的，關(guān)于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯 示，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)。光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要組成部分，也是與苴他應(yīng) 用技術(shù)緊密相關(guān)的學(xué)科。系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其仿真我們通常把光學(xué)分成幾何光學(xué)、物理光學(xué)和量子光學(xué)。幾何光學(xué)是從幾個(gè)由實(shí)驗(yàn)得來的基本原理出發(fā)，來研究光的傳播問題的學(xué)科。它 利用光線的概念、折射、反射衛(wèi)律來描述光在各種媒質(zhì)中傳播的途徑，它得出的結(jié)果 通?？偸遣▌?dòng)光學(xué)在某些條件下的近似或極限。物理光學(xué)是從光的波動(dòng)性出發(fā)來研究光在傳播過程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學(xué)科，所以 也稱為波動(dòng)光學(xué)。它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在 各向異性的媒質(zhì)中傳插時(shí)所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。波動(dòng)光學(xué)的

3、基礎(chǔ)就是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程組。波動(dòng)光學(xué)不詳論介電常數(shù) 和磁導(dǎo)率與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，而側(cè)重于解釋光波的表現(xiàn)規(guī)律。波動(dòng)光學(xué)可以解釋光在 散射媒質(zhì)和各向異性媒質(zhì)中傳播時(shí)現(xiàn)象，以及光在媒質(zhì)界而附近的表現(xiàn)；也能解釋色 散現(xiàn)象和各種媒質(zhì)中壓力、溫度、聲場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)光的現(xiàn)象的影響。呈:子光學(xué)是以輻射的量子理論研究光的產(chǎn)生、傳輸、檢測(cè)及光與物質(zhì)相互作用的 學(xué)科° 1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)，為了從理論上推導(dǎo)岀得到的與實(shí)際相符甚好 的經(jīng)驗(yàn)公式，他大膽地提岀了與經(jīng)典概念迥然不同的假設(shè)，即"組成黑體的振子的能 量不能連續(xù)變化，只能取一份份的分立值”。光的這種既表現(xiàn)出波動(dòng)性又具有粒

4、子性的現(xiàn)象既為光的波粒二象性。后來的研究 從理論和實(shí)驗(yàn)上無可爭辯地證明了：非但光有這種兩重性，世界的所有物質(zhì)，包括電 子、質(zhì)子、中子和原子以及所有的宏觀事物，也都有與英本身質(zhì)量和速度相聯(lián)系的波 動(dòng)的特性。應(yīng)用光學(xué)光學(xué)是由許多與物理學(xué)緊密聯(lián)系的分支學(xué)科組成：由于它有廣泛的應(yīng) 用，所以還有一系列應(yīng)用背景較強(qiáng)的分支學(xué)科也屬于光學(xué)范I科。例如，有關(guān)電磁輻射 的物理疑的測(cè)量的光度學(xué)、輻射度學(xué)；以正常平均人眼為接收器，來研究電磁輻射所 引起的彩色視覺，及其心理物理量的測(cè)量的色度學(xué)：以及眾多的技術(shù)光學(xué)：光學(xué)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)及光學(xué)儀器理論，光學(xué)制造和光學(xué)測(cè)試，干涉量度學(xué)、薄膜光學(xué)、纖維光學(xué)和集 成光學(xué)等；還有與其他

5、學(xué)科交叉的分支，如天文光學(xué)、海洋光學(xué)、遙感光學(xué)、大氣光 學(xué)、生理光學(xué)及兵器光學(xué)等 二. ZMAX簡介ZEMAX提供了十分強(qiáng)大的優(yōu)化功能，他有能力去改善那些給出一個(gè)合理的起始 點(diǎn)和一系列的鏡頭設(shè)計(jì)。參變量可以是曲率，厚度，玻璃，圓錐系數(shù)，參數(shù)數(shù)據(jù)，特 殊數(shù)據(jù)，和一些多種結(jié)構(gòu)的數(shù)值數(shù)據(jù)。ZEMAX使用了活動(dòng)的阻尼最小二乘法，這個(gè) 運(yùn)算則能夠優(yōu)化有加了權(quán)重的目標(biāo)組成的評(píng)價(jià)函數(shù)，這些目標(biāo)被稱為“操作數(shù)”。 ZEMAX有一些不同的默認(rèn)評(píng)價(jià)函數(shù)，在評(píng)價(jià)函數(shù)編輯界面中可以很容易的改變這些 評(píng)價(jià)函數(shù)。優(yōu)化需要三個(gè)步驟：1）一個(gè)可以進(jìn)行光線追跡的合理光學(xué)系統(tǒng)；2）變量的設(shè)左; 3）評(píng)價(jià)函數(shù)的設(shè)泄。合理的光學(xué)系統(tǒng)

6、是個(gè)比較模糊的概念，它僅僅意味著通過優(yōu)化運(yùn) 算則將一個(gè)缺乏考慮的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化成一個(gè)特殊的方案是不可能的。變量和那些為了 優(yōu)化運(yùn)算則能去的一些進(jìn)展而至少有一個(gè)的因素。三.系統(tǒng)設(shè)計(jì)及英仿真1.基本參數(shù)設(shè)苣按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要達(dá)到的參數(shù)要求，可以將雙分離物鏡的參數(shù)初步設(shè)汁為:RadiusthicknessglassOBJinfinityinfinityStoinfinity02BAK1342F35100IMAinfinity百度文庫讓每個(gè)人平等地提升自我SfurXiTypQCog。"P.cuUusnblckEi&ssClassOBJStandardInfinityInfmicyInf

7、 miry幺TOStandardInfinity0.000000s.oooooo2Stxncljtrd£0.4800004.SOOOOOBAK丄S.01624b3EucUxG-44.5300000.200000S. 110343sefindAr<3-44.5300002.000000F38.11033?SStandard-153.190000100.0000005.169812ZXA-HU8996Idj i SdIvbm Opiaaa* H«lpIdj i SdIvbm Opiaaa* H«lp18由于系統(tǒng)對(duì)像空間的要求為：F/ #二4,所以我們將2號(hào)鏡片的

8、Radius上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵在彈出的對(duì)話框中將F值設(shè)為4。設(shè)置過程和設(shè)置后參數(shù)變化如下圖所示RadiusThicknessGlassZiicanicyfind 切0.000000L6.876399F4.500000BAKl-44.53QODQO ZODOOO-44.5300002.000000-153.190000100.000000Infinity-2波長設(shè)置系統(tǒng)要求的波長為。點(diǎn)擊菜單欄下方的Wav,在下拉菜單中選擇需要的波長后單 擊Select,即可獲得所需的波長。操作后可得如下結(jié)果：avereniWavctength (gm)OSUJUU0 5500000(0 5500000 12 123

9、4567891 11 gF/廠廠廠廠廠廠廠廠廠廠廠n Rr/innrtnriV/cightUseWavelength (um)V/c腳1r 13廠141 1W Bl I廠15r 16b i11 11 n | 1 1r 170 55000000廠181 | 11 1r i91r 2011r 2i1 / 11 1V.1廠22U. uOvUUuUU1廠231r 24q 550000001IE二SHSai I F(o.6328)QKHelpLoad3入瞳直徑設(shè)宜首先根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算物方孔徑EPDo提供的有效焦距efl為100mm,像空間F,#=4。由公式：EPD得物方孔徑EPD約等于25。我們可以通過

10、以下步驟實(shí)現(xiàn)此操作：單擊菜單下方的Gen/Aperture/Aperture Type: Entrance Pupil DiameterAperture Value: 25操作結(jié)果如下：環(huán)旳T? XFil«« Ap«rtur«Apeiture T* <1|； Rey Ai«ki r»<| N>T>| Uru"| GIass do" |Berrof QApodtrotKxi TypoApodiza*»on Facto:iT elocEx Object Spoco4視場(chǎng)設(shè)泄在菜單欄下方

11、的Fic/Anglc中，我們可以對(duì)系統(tǒng)視場(chǎng)進(jìn)行設(shè)置，這樣有利于我們更 好的觀察設(shè)計(jì)結(jié)果。在這里將視場(chǎng)設(shè)置為：(0, 0)(0,)(0, 5)結(jié)果如下圖所示:灰"； - -3T01 V»3Save5優(yōu)化前系統(tǒng)性能分析我們首先對(duì)未優(yōu)化前的雙分離物鏡進(jìn)行性能分析，從而尋找需要改進(jìn)的部分。1二維圖 2D layout單擊菜單欄下方的L巧可以得到以下圖像:Lpout二衛(wèi) X.Upciate Settings Irir.t WiLdov 7 ex: LcotiLO/DITnon mN 1 1 2D1GTOTA- LEHDTH*7CG3D MHuoaH ZMXCO4 匚工 CUR 口 T

12、：I61 。匚 12波像圖OPD Fan單擊菜單欄下方的OPD可以得到如下圖像:3點(diǎn)列圖 Spot Diagram單擊菜單欄下方的？pt可以得到如下圖像:4> Shaded model選中Analysis/Layout/Shaded mode,可以得到如下圖像:5調(diào)制傳遞函數(shù)MIF單擊菜單欄下方的Mtf可得以下波形:四.系統(tǒng)性能優(yōu)化經(jīng)過對(duì)上圖的分析可以發(fā)現(xiàn)，雙分離物鏡的性能并沒有達(dá)到最優(yōu)水準(zhǔn)。此時(shí)，我 們可以通過對(duì)某些參數(shù)的修改來進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。1快速對(duì)焦quick focus在 Tools/Miscellaneous 中選中 Quick Focus<>可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生

13、了變化。Lena: D*ta EditorSurf:TypeCoxnrnbPadiusThiels JVJ53GlassScoli-D lexeme rOBJ3t.jtndj«xdInfIn£nit.yIn£xmtyS700.0000005.000000ZSandrd16.876399r4.500000BAK15.069133SandArcL-<4.530000O.ZOOOOO4.85971943t.«ncUrd44.S300002.000000B34.82£6£9S-153.1SOOOO22.3551S54.70Z73Zi a

14、x業(yè)仙4InXUxly-目的：通過調(diào)整后截距對(duì)光學(xué)系統(tǒng)快速調(diào)焦。本功能調(diào)整像平而前而的厚度。厚度是依照RMS像差最小化的原則選擇的。最佳 調(diào)焦位置與標(biāo)準(zhǔn)的選擇有關(guān)。RMS用定義的視場(chǎng)，波長和權(quán)因子計(jì)算整個(gè)視場(chǎng)的多色 光的平均值。2.設(shè)置可變參數(shù)評(píng)價(jià)函數(shù)是一個(gè)如何使一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)接近一組指左的目標(biāo)的數(shù)值表示。ZEMAX使 用了一系列操作數(shù)，它們分別代表系統(tǒng)不同的約束和目標(biāo)。操作數(shù)代表的目標(biāo)如像質(zhì), 焦距，放大率等等。這些評(píng)價(jià)函數(shù)與列表中的每個(gè)操作數(shù)的目標(biāo)值和實(shí)際值之差平方 的加權(quán)和的平方根成比例。在需要設(shè)垃可變參數(shù)的數(shù)值上點(diǎn)擊右鍵，從下拉框中選取VariableoSJvr f r '&qu

15、ot;Tp.GlaceOBJSc And* v elIr>ea*Mtyr*fSTDScMidACdIneanltyo.aDDOoaSScMiciAcd16.O7G333F4.sooooavDAK1S2t：MadAcd-44.S30000V0.200000y4-44.530000V2.000000VF3S3t：Madj»cd-1S3.19QOOOV22.360860VIMAiAEdcZy-可以得到這樣的結(jié)果:Loxi0 D&t a Editor然后選中Editors/Merit functionTools/default merit function進(jìn)行參數(shù)設(shè)立：設(shè)置后如

16、下:然后點(diǎn)擊菜單欄下方的Opt,可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化得岀結(jié)果:3 優(yōu)化后波形1二維圖 2D layout從圖中可以看出，總長度為亳米。鏡頭完成對(duì)焦調(diào)整像平而前而的厚度。厚度 是依照RMS像差最小化的原則選擇的。有多種不同的RMS訃算方法。最佳調(diào)焦位宜與標(biāo) 準(zhǔn)的選擇有關(guān)。RMS用左義的視場(chǎng)，波長和權(quán)因子il算整個(gè)視場(chǎng)的多色光的平均值。2調(diào)制傳遞函數(shù)MIFHB®UpdaSett ings Print Window Te>: t ZoomIS 5.QMD CGCILLn一luHllLD mnlnaDz875M3210D.G0H71.20SPATIAL FREQUENCY IN CYCL

17、ES 尸ER MILLIMETKIS D.(ZQ30 DE：TS 3.5030 DEG9H2.HGPCLYCHROMRTIC DIFFRACTION MTFHON1 1 2D1«3ATA POR 0.461 TO D.M9tl SURFACE： IMADE£ Oft“ ZMXCONFXCURATIOrj 1 DF 13>點(diǎn)列圖 Spot DiagramRMS點(diǎn)尺寸是徑向尺寸的均方根。先把每條光線和參考點(diǎn)之間的距離的平方，求出所有光線的平均值，然后取平方根。點(diǎn)列圖的RMS尺寸取決于每一根光線，因而它 給出光線擴(kuò)散的粗略概念。GEO點(diǎn)尺寸只給出距離參考點(diǎn)最遠(yuǎn)的光線的信息。

18、艾利圓環(huán)的半徑是乘以主波長乘 以系統(tǒng)的F# ,它通常依賴于視場(chǎng)的位置和光睡的方向。對(duì)于均勻照射的環(huán)形入睡， 這是艾利圓環(huán)的第一個(gè)暗環(huán)的半徑。4>波像圖OPDFan:盤 OPD Fan二巨，區(qū)1Wpi < »Pr :n<r.do* 7»x»T*<2 cnOPTICAL PATH DIFFERENCEMON J-RK I S010MAXIMUM SCALE： t S.000 URUES. 0 HB6SURFACE* IMAGE亡DA“ZMXCONRIGURATIOH I OF I用光睡坐標(biāo)函數(shù)表示的光程差。垂軸刻度在圖形的下端給出。繪圖的數(shù)據(jù)是光程差，它是光線的光程和主光線的光程 的差，通常，計(jì)算以返回到系統(tǒng)出瞳上的光程差為參考。每個(gè)曲線的橫向刻度是歸一 化的入瞳坐標(biāo)。若顯示所有波長，那么圖形以主波長的參考球面和主光線為參照基準(zhǔn) 的。若選擇單色光那么被選擇的波長的參考球而和主光線被參照。由于這個(gè)原因，在 單色光和多色光切換顯示時(shí)，非主波長的數(shù)據(jù)通常被改變。5> Shaded model五. 心得體會(huì)為期兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)很快就要畫上完滿的句號(hào)了，在這里有太多的感慨與感 動(dòng)在這其中。記得剛拿到課題