光學(xué)設(shè)計軟件應(yīng)用(五)

1、光學(xué)設(shè)計軟件應(yīng)用光學(xué)設(shè)計軟件應(yīng)用典型設(shè)計實例典型設(shè)計實例中北大學(xué)中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院信息與通信工程學(xué)院王艷紅王艷紅 E-mail: E-mail: 課程要求 能夠利用能夠利用ZEMAX軟件軟件按要求設(shè)計簡單光學(xué)按要求設(shè)計簡單光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)。主要內(nèi)容 設(shè)計實例 單透鏡 雙透鏡 牛頓望遠鏡 雙膠合透鏡 多重結(jié)構(gòu)激光擴束器 非序列結(jié)構(gòu)準直系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 光學(xué)特性和像質(zhì)的要求。 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的步驟 初級設(shè)計：外形尺寸計算 像差設(shè)計：光學(xué)設(shè)計 初始結(jié)構(gòu)的選擇： 用初級像差理論求解薄透鏡組的結(jié)構(gòu)參數(shù) 從現(xiàn)有的資料中找出一個光學(xué)特性相近的系統(tǒng)作為原始系統(tǒng)。 分析初始結(jié)構(gòu)像差，優(yōu)化計算。實

2、例一：單透鏡實例一：單透鏡 設(shè)計一個F/4單鏡片（正透鏡）在光軸上使用，其focal length 為100mm，玻璃為BK7鏡片。 使用波長為0.486，0.587，0.656， 單位micron。 初始結(jié)構(gòu)：曲率半徑為100mm和-100mm，厚度為4mm。 兩種優(yōu)化方式: 在surface 2，把solve type設(shè)成Marginal Ray height，調(diào)整會把在透鏡邊緣的光在光軸上的height為0 。 定義Merit function，使用有效焦距優(yōu)化系統(tǒng)。實例二：雙透鏡實例二：雙透鏡 設(shè)計一個F/4單鏡片（正透鏡）在光軸上使用，其focal length 為100mm，玻璃為

3、BK7，SF1鏡片。 使用波長為0.486，0.587，0.656， 單位micron。 初始結(jié)構(gòu)：以上單透鏡，厚度為3mm。 優(yōu)化方式: 在單透鏡基礎(chǔ)上校正色差。實例三：牛頓望遠鏡實例三：牛頓望遠鏡牛頓望遠鏡是最簡單的矯正所有on-axis aberrations的望眼鏡。牛頓望遠鏡是利用一個簡單的parabolic(拋物線的) mirror完美地矯正所有order的spherical aberration，此設(shè)計只要求在optical axis上使用，除spherical aberration外并沒有其它的aberration。 Mirror、拋物面鏡和坐標變換。系統(tǒng)焦距：1000mm ；

4、F number：F/5；field angel為0 ；Wavelength選用0.550um；初始表面曲率半徑為-2000mm 。學(xué)習mirror ，coordinate break的使用。實例四：雙膠鏡頭設(shè)計實例四：雙膠鏡頭設(shè)計雙膠鏡頭：幾乎所有光學(xué)設(shè)計都有雙膠合透鏡，其中一塊正透鏡常用冕玻璃，負透鏡用火石玻璃；通過正確選擇玻璃，可以校正 球差、彗差和軸向色差；有些設(shè)計，可以通過將單透鏡分裂為雙膠合透鏡得到改進。雙膠合透鏡包含的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：3個曲率半徑，3個厚度值，2種玻璃的折射率和F-number，光欄的位置。設(shè)計要求用F，d, C光EPD=50mmF/8FOV=10度最小的邊緣/中心厚

5、度為4mm，最大中心厚度為18mm使用合適的標準選擇合適的玻璃設(shè)計過程定義系統(tǒng)的孔徑定義視場和波長(各3個)定義正確的面數(shù)增加F/# solve假定初始玻璃為常用的冕玻璃和火石玻璃：BK7和F2建立優(yōu)化函數(shù)，用RMS spot radius優(yōu)化增加邊界約束條件優(yōu)化玻璃第一步：系統(tǒng)General data設(shè)置選擇“Gen”按鈕，在aperture type中選擇Entrance pupil diameter，Aperture value為50。第二步：視場和波長的設(shè)置點“Fie” 和“Wav”按鈕，視場角為0，7，10三個，波長直接選擇可見光。第三步：建立surface data建立6個面，包括

6、Obj, Stop,3 lens和image surface。輸入玻璃牌號，前面為BK7,后面為火石F2。第四步：為F/#添加Solve 在光學(xué)面4的curvature上，增加solve：將surface 4的radius欄上點右鍵，選擇F/#的solve type，輸入其值為8 ，ZEMAX會自動調(diào)整這個面的曲率半徑的值。第五步：建立優(yōu)化函數(shù)打開EditorMerit Function，打開Default merit function對話框，選擇RMS spot radius作為優(yōu)化數(shù)據(jù)，加入邊界約束條件。第六步：設(shè)置變量并優(yōu)化將2個曲率半徑和4個厚度都設(shè)置為變量，優(yōu)化計算。結(jié)果的2D la

7、yout和ray fan如下：第七步：分析哪些像差已經(jīng)校正了？哪些沒有校正？哪個是主要的像差？光欄的位置如何？本設(shè)計中：(1) 缺省優(yōu)化函數(shù)對軸上色差有比較好的校正(2)將光欄向離開透鏡的方向移動，會引入垂軸色差(3)邊界條件基本滿足(4)可以將stop向透鏡的方向移動，以減小垂軸色差。第八步：修改設(shè)計將光欄向透鏡移動，可以將橫向色差降低，但引入了像散、彗差和spot radius的擴大。改進設(shè)計分析：(1)一個半徑是控制EFFL的，另外二個是控制色差的，(2)光欄的位置對控制象散和彗差的效果不是太理想，(3)改變厚度的影響不是太大，特別是有邊界條件約束的情況下，(4)主要要校正像差是：球差、

8、垂軸色差和軸向色差。校正球差的可能辦法：(1)增加conic constant；(2)增加透鏡校正色差的可能辦法： (1)移動光欄，但在這里幫助不大；(2)用新的玻璃。進行玻璃優(yōu)化 直接對玻璃進行優(yōu)化。有幾種辦法： (1)直接輸入幾種組合，進行優(yōu)化， (2)采用“substitute”的方法優(yōu)化。容易、速度快，推薦使用。Glass substitution方法這種方法更容易、更可靠。它可以用global optimization算法，也可以用hammer算法，找到更好的玻璃。步聚：(1)將所有玻璃設(shè)置“substitute”solve，在Schott公司的玻璃，然后運行hammer，(2)以B

9、K7/F2開始?？赡軙玫狡渌M合，實例五：多重結(jié)構(gòu)實例五：多重結(jié)構(gòu)激光擴束器激光擴束器multi-configuration 可以在同一系統(tǒng)中同時設(shè)定不同的configuration，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境或要求。設(shè)計一個在波長 =1.053m下操作的激光擴束器，光束輸入直徑為100mm，輸出直徑為20mm，輸入輸出均為準直光。設(shè)計條件：只能使用兩個鏡片；沒有內(nèi)聚焦；只能使用一個非球面；同時能在0.6328 m波長下使用。初始結(jié)構(gòu)各參數(shù)值Paraxial面型使準直光會聚；出瞳孔徑的控制REAY（實際光線在某面的Y坐標）；球差優(yōu)化非球面（suf 1）； OPD plot觀察像差多重結(jié)構(gòu)建立設(shè)計另

10、一波長0.6328 m下的結(jié)構(gòu)；改變鏡頭空間距離的方法消除離焦；建立多重結(jié)構(gòu)，插入不同結(jié)構(gòu)的參數(shù)：波長WAVE和面型厚度THIC。建立多重結(jié)構(gòu)下的優(yōu)化函數(shù)，并在結(jié)構(gòu)1加入REAY操作數(shù)。重新設(shè)置變量，優(yōu)化。實例六：非序列系統(tǒng)實例六：非序列系統(tǒng)勻光系統(tǒng)勻光系統(tǒng)非序列模式主要用于非成像系統(tǒng)，如照明系統(tǒng)和雜散光分析。要求：建立一個細絲光源，用拋物面反射鏡準直，產(chǎn)生準直光，經(jīng)過平凸透鏡耦合進入方形光管。整個系統(tǒng)光學(xué)追跡，通過探測器觀察光學(xué)系統(tǒng)不同點的光強分布。 波長：0.6320umCreating the Reflector（focus 50mm） Material: MirrorRadius: 1

11、00Conic: -1 (parabola)Max Aper: 150Min Aper: 20 (center hole in the reflector) Creating the source Radius：5 Length：20 10圈，每圈間隔2mm Z position: 50 (focus of the parabolic reflector) Layout Rays 20 # Analysis Rays 5000000 Length: 20 Radius 5 Turns 10 Rotating the Source Placing a Detector1 Z position:

12、800 Material: Blank X Half Width: 150 Y Half Width: 150 # X Pixels: 150 # Y Pixels: 150 Color: 1 (detector displays inverse greyscale) Adding a Plano-Convex Lens Ref Object: 3Z Position: 10Material: N-BK7Radius 1: 300Clear 1: 150Edge 1: 150Thickness: 70Clear 2: 150Edge 2: 150 Placing a Detector2 Ref

13、 Object: 4Z position: 650Material: BlankX Half Width: 100Y Half Width: 100# X Pixels: 150# Y Pixels: 150Color: 1 考慮反射和透鏡吸收。Adding a Rectangular Lightpipe Ref Object: 5Z position: 20Material: AcrylicX1 Half Width 70Y1 Half Width: 70Z length: 2000X2 Half Width: 70Y2 Half Width: 70 Placing a Detector3 Ref Object: 6Z position: 0 Material: Absorb X Half Width: 100Y Half Width: 100# X Pixels: 150# Y Pixels: 150Color: 1 Setting Detecto