湖北汽車Zemax軟件在光學(xué)設(shè)計(jì)

1、Zemax在光學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用曾維友主要參考書(shū)目：主要參考書(shū)目： 光學(xué)設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)袁旭滄，科學(xué)出版社袁旭滄，科學(xué)出版社 實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊(cè)實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊(cè)王之江，機(jī)械工業(yè)出版社王之江，機(jī)械工業(yè)出版社 ZEMAX中文使用手冊(cè)中文使用手冊(cè)光研科學(xué)有限公司光研科學(xué)有限公司講解內(nèi)容提要： 常用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介 ZEMAX用戶界面 光學(xué)系統(tǒng)的建立舉例 基本像差分析及像質(zhì)評(píng)價(jià) 坐標(biāo)斷點(diǎn) 溫度分析、多重結(jié)構(gòu)、無(wú)熱設(shè)計(jì) 樣板測(cè)試及公差分析一.光學(xué)設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介 成像光學(xué)設(shè)計(jì)：Code V、OSLO、Zemax、 SIGMA、 LensView、SOD88、CIOES(長(zhǎng)光) 照明光學(xué)設(shè)計(jì)：ASAP、TracePro

2、、LightTool、ProSource、ODIS(浙大) 光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)：TFCalc 激光腔體設(shè)計(jì)：LASCAD 光電器件設(shè)計(jì)：OPTISYS_DESIGN 、 BPM_CAD 、OPTIAMP_DESIGN 、FIBER_CAD 、HS_DESIGN 、FDTD_CAD 、WDM_Phasar 、 IFO_GRATINGS Code V 美國(guó)Optical Research Associates推出的大型光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 適用于各種序列及非序列光學(xué)系統(tǒng)，廣泛用于照相系統(tǒng)、光譜儀器、空間光學(xué)系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、全息平顯系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)、紫外光刻系統(tǒng)等等 Code V為用戶提供了各種可能用到的像

3、質(zhì)分析手段，能夠分析優(yōu)化各種非對(duì)稱非常規(guī)復(fù) 雜光學(xué)系統(tǒng) Code V自帶的專利庫(kù)包含了多種鏡頭，可供用戶在初始設(shè)計(jì)時(shí)選擇 可以與多種機(jī)械CAD軟件交換數(shù)據(jù)，可以輸出多種標(biāo)準(zhǔn)加工圖紙 有外部程序接口，用戶可以用它根據(jù)需要對(duì) 軟件進(jìn)行擴(kuò)充和修改 成像領(lǐng)域中功能最強(qiáng)大，價(jià)格最高OSLO 用于照相機(jī)、通訊系統(tǒng)、軍事空間應(yīng)用、科學(xué)儀器中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在確定光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件的最佳大小及外形時(shí)具有突出優(yōu)勢(shì) 適用于序列及非序列系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)是以設(shè)計(jì)者為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)風(fēng)格，用戶界面直觀；功能強(qiáng)大精度高 靈活性強(qiáng)，其提供的CCL語(yǔ)言相對(duì)于其它光學(xué)軟件更靈活ZEMAX Zemax是美國(guó)zemax公司設(shè)計(jì)的專用光學(xué)設(shè)計(jì)軟

4、件包 可實(shí)現(xiàn)序列和非序列分析 用于光學(xué)組件設(shè)計(jì)及照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射、折射、繞射等光學(xué)模型 分析：提供多功能的分析圖形，對(duì)話窗式的參數(shù)選擇，方便分析，且可將分析圖形存成圖文件，例如：*.BMP, *.JPG等，也可存成文字文件*.txt 優(yōu)化：表欄式merit function參數(shù)輸入，對(duì)話窗式預(yù)設(shè)merit function參數(shù)，方便使用者定義，且多種優(yōu)化方式供使用者使用 公差分析：表欄式Tolerance參數(shù)輸入和對(duì)話窗式預(yù)設(shè)Tolerance參數(shù)，方便使用者定義 報(bào)表輸出：多種圖形報(bào)表輸出，可將結(jié)果存成圖文件及文字文件 功能不及Code V、OSLO，但其簡(jiǎn)單易學(xué)，價(jià)格便宜，

5、在國(guó)內(nèi)用得比較廣泛SOD88 北理工研究的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，適用于共軸光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以是折、反或折反系統(tǒng)，系統(tǒng)中的面型可以是球面也可為非球面 主要功能：幾何像差計(jì)算和圖形輸出；像差自動(dòng)校正；公差計(jì)算；變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)等 總體上來(lái)說(shuō)其功能和迭代收斂速度不及前述幾種軟件，但其價(jià)格便宜，還是值得推廣LensView 光學(xué)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，囊括超過(guò)18,000個(gè)在美國(guó)和日本專利局申請(qǐng)有案的多樣化的光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例 能顯示每一實(shí)例的空間位置，擁有設(shè)計(jì)者完整的信息、摘要等多種功能 能產(chǎn)生各式各樣的像差圖，做透鏡的快速診斷，繪出這個(gè)設(shè)計(jì)的剖面圖 用該軟件為設(shè)計(jì)者尋找恰當(dāng)?shù)某跏冀Y(jié)構(gòu)，便于快速的設(shè)計(jì)出符合技術(shù)指標(biāo)的系統(tǒng)ASAP

6、 功能強(qiáng)大，已成為工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 用于仿真汽車車燈光學(xué)系統(tǒng)、生物光學(xué)系統(tǒng)、相干光學(xué)系統(tǒng)、屏幕展示系統(tǒng)、光學(xué)成像系統(tǒng)、光導(dǎo)管系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及醫(yī)學(xué)儀器 是一個(gè)聯(lián)結(jié)了幾何光學(xué)和物理光學(xué)的全方位3D光學(xué)及機(jī)械系統(tǒng)的模型建立軟件 可處理各種光學(xué)仿真分析，包括散射效應(yīng)、衍射效應(yīng)、反射效應(yīng)、折射效應(yīng)、光吸收效應(yīng)、偏極光效應(yīng)和高斯光速傳導(dǎo)之模擬分析 TracePro 普遍用于照明系統(tǒng)、光學(xué)分析、輻射分析及光度分析的光線仿真軟件 應(yīng)用領(lǐng)域：照明、導(dǎo)光管、薄膜光學(xué)、光機(jī)設(shè)計(jì)、雜散光分析、激光泵浦、背光模組、投影系統(tǒng)、汽車照明系統(tǒng)等等 處理復(fù)雜幾何的能力，以定義和跟蹤數(shù)百萬(wàn)條光線 圖形顯示、可視化操作、提

7、供3D實(shí)體模型 可以導(dǎo)出主流CAD軟件和鏡頭設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)格式LightTool 美國(guó)ORA公司研發(fā)的三維照明仿真軟件 光機(jī)一體化設(shè)計(jì)：光學(xué)和機(jī)械元件的形狀的描述可通過(guò)軟件提供的基本實(shí)體模型實(shí)現(xiàn)。遮光罩、鏡筒和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將得益于這種光機(jī)一體的考慮方法和非順序光線追跡提供的大量信息 復(fù)雜光路設(shè)置 ： LightTools使多光路或折疊光路系統(tǒng)、帶有棱鏡或復(fù)雜曲面的系統(tǒng)的光路設(shè)置和視覺(jué)建模驗(yàn)證變得簡(jiǎn)潔。有了LightTools，設(shè)計(jì)人員完全可以摒棄過(guò)去為了簡(jiǎn)化問(wèn)題而采用的一些傳統(tǒng)技巧，如符號(hào)規(guī)則、用多通道定義模擬變焦功能、把反射鏡和棱鏡展開(kāi)成平板、略去非光學(xué)面和機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響、人為簡(jiǎn)化光瞳形狀

8、，等等 雜光分析：非序列光線追跡功能可以直觀地描述在系統(tǒng)中任意表面上或介質(zhì)中發(fā)生的任何光學(xué)現(xiàn)象，如折射、反射、全反射、散射、多級(jí)衍射、振幅分割、光能損耗、材料吸收等，并根據(jù)需要自動(dòng)實(shí)時(shí)衍生出多路光路分支。 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析：LightTools中可以精確地定義各種實(shí)際光源（如發(fā)光二極管、白熾燈、弧光 燈、鹵素?zé)舻龋┑男螤詈桶l(fā)光特性，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果精確吻合。對(duì)非人眼接收的照明系統(tǒng)，可以把結(jié)果轉(zhuǎn)換成輻射度單位。計(jì)算結(jié)果的輸出形式可以是二維線圖、等高線圖、灰度 圖、偽彩色圖或三維分布圖。 應(yīng)用實(shí)例：投影系統(tǒng)、平板顯示器、儀表盤(pán)照明、內(nèi)窺鏡照明、報(bào)警燈、汽車前燈、車廂內(nèi)部照明、指示牌照明等等

9、 TFCalc TFCalc是一個(gè)著名的光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件，用于設(shè)計(jì)和加工光學(xué)薄膜鍍膜 許多光學(xué)元件需要多層膜系設(shè)計(jì)，如棱鏡、顯示器、眼鏡片等。為了控制從X射線到遠(yuǎn)紅外線的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光的反射和透射，光學(xué)薄膜取決于它需要如何控制光的干涉和吸收，TFCalc讓您輕松的設(shè)計(jì)出您的光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件所需的薄膜層 LASCAD LASCAD用于激光腔體的設(shè)計(jì)，德國(guó)研發(fā) 可分析溫度和光學(xué)部件對(duì)固態(tài)激光的影響 LASCAD提供了介于熱學(xué)和光學(xué)之間的復(fù)雜的多物理系統(tǒng)交互分析，這種分析用于被稱之為熱透鏡效應(yīng)的固態(tài)光學(xué)器件。這種效應(yīng)的建模和它對(duì)光質(zhì)量的影響以及裝置和穩(wěn)定性和光效率等對(duì)于激光共鳴器的分析和最優(yōu)化是十

10、分必要的OPTISYS_DESIGN 光通信系統(tǒng)仿真軟件包，用于在大部分光網(wǎng)絡(luò)物理層上絕大多數(shù)的光連接形式的設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化 實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的仿真環(huán)境和對(duì)與系統(tǒng)以及器件之間的層次等級(jí)的真實(shí)界定OPTIAMP_DESIGN 用于EDFA工程師估計(jì)從光器件搭配優(yōu)化到系統(tǒng)互聯(lián)和功率損耗的各個(gè)應(yīng)用方面 應(yīng)用：用于單信道或WDM網(wǎng)絡(luò)的單一或多重放大器；反射的、分離信道區(qū)間、雙向和增益帶門(mén)限的放大器；環(huán)狀線性光纖放大器；寬帶光源 BPM_CAD：一種強(qiáng)大的，界面友好，應(yīng)用于各種集成器件和光纖導(dǎo)波計(jì)算的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包。 IFO_GRATINGS：用于帶有光柵的集成或光纖器件建模的強(qiáng)大而界面友好的設(shè)計(jì)軟件。

11、許多遠(yuǎn)程通信和傳感器的運(yùn)轉(zhuǎn)都是利用光柵來(lái)調(diào)節(jié)光導(dǎo)模式之間的耦合?？蛻糁豁毢?jiǎn)單的選擇其中一項(xiàng)即可設(shè)定器件參數(shù)。 FIBER_CAD：為設(shè)計(jì)或使用光纖、光器件和光通信系統(tǒng)的工程師、科學(xué)家和學(xué)生們推出的，此軟件包通用、強(qiáng)大，通過(guò)融合光纖色散、損耗和偏振模色散（PMD）各個(gè)模型計(jì)算所得的數(shù)值解來(lái)解決光纖模式傳輸問(wèn)題 HS_DESIGN：通過(guò)基于物理層對(duì)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)電學(xué)光學(xué)的特 性仿真來(lái)協(xié)助半導(dǎo)體光器件的設(shè)計(jì) FDTD_CAD：用于高級(jí)有源和無(wú)源光器件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) WDM_Phasar：提供了強(qiáng)大的針對(duì)基于AWG的光復(fù)用分用和路由器件的設(shè)計(jì)和建模工具。優(yōu)越的圖形用戶界面 （GUI），其作為核心的能用鼠

12、標(biāo)控制的布局設(shè)計(jì)器包含有一整套波導(dǎo)陣列模板以便最大限度的輔助設(shè)計(jì) 二. ZEMAX概述ZEMAX能做什么？ZEMAX是一個(gè)程序，它能夠建模、分析以及輔助設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)ZEMAX不能做什么？ZEMAX只是一個(gè)工具，它不能教會(huì)你如何設(shè)計(jì)鏡頭和光學(xué)系統(tǒng)，使用工具的你才是設(shè)計(jì)師；ZEMAX不能取代工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)師的責(zé)任是檢查ZEMAX模擬結(jié)果的合理性與可行性ZEMAX是什么？ZEMAX是用光線追跡的方法模擬折射、反射和衍射的序列及非序列光學(xué)系統(tǒng)的透鏡設(shè)計(jì)程序。ZEMAX用“面”的概念模擬序列光線追跡，用“組件”或“物體”的概念模擬非序列光線追跡。序列和非序列光線追跡有著本質(zhì)的區(qū)別，ZEMAX中可以使用三

13、種光線追跡方式： (1)純序列模式用于傳統(tǒng)透鏡及多數(shù)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì) (2)混合模式適于系統(tǒng)中有重要的序列端口和一些非序列元件 (如 棱鏡、管道等)(3)純非序列模式 適于照明、散射、雜散光分析以及不需要端口的模型 序列光線追跡是指：光線從物面發(fā)出(通常是0面)，然后順序地通過(guò)第一面、第二面，直到像面為止。因此光線是可逆的。 非序列光線追跡光線按實(shí)際中傳輸過(guò)程向前傳輸，一條光線可能因折射、反射、散射、衍射變?yōu)槎鄺l光線SamplesNon-sequentialRay splittingBeam splitter.zmx ZEMAX在設(shè)計(jì)中考慮及忽略的是什么？ZEMAX中考慮的是：精確的光程；反射和折

14、射；光程差和相位；像差和圖像形態(tài)；偏振；薄膜的透過(guò)率和吸收率；散射；靜態(tài)分光ZEMAX中忽略的是：透鏡邊緣的衍射（用物理光學(xué)計(jì)算除外）三ZEMAX的用戶界面ZEMAX是Windows平臺(tái)上的視窗式用戶界面，視窗的操作習(xí)慣與Windows平臺(tái)相同，快捷鍵風(fēng)格也與Windows相同3.1 ZEMAX的視窗類型 ZEMAX主要有五種視窗： 主視窗(The main Window) 主視窗是執(zhí)行ZEMAX任務(wù)的控制中心，它包含了菜單欄、工具欄、標(biāo)題欄等 編輯視窗(Editor Window)ZEMAX中具有六種不同的編輯器：鏡頭數(shù)據(jù)編輯器(Lens Data Editor)、評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器(Merit

15、 Function Editor)、多重結(jié)構(gòu)編輯器(Multi-configuration Editor)、公差數(shù)據(jù)編輯器(Tolerance Data Editor)、用于補(bǔ)充光學(xué)面數(shù)據(jù)的附加數(shù)據(jù)編輯器(Extra Data Editor)、無(wú)序元件編輯器(Non-Sequential Components Editor) 圖形視窗(Graphic Windows)主要有設(shè)計(jì)草圖(Layout)、光線扇形圖(Ray fans)、調(diào)制傳遞函數(shù)圖(MTF Plots)、點(diǎn)列圖(Spot Diagrams)等。 文本視窗(Text Windows)文本視窗用于顯示文字資料，如詳細(xì)數(shù)據(jù)、象差數(shù)據(jù)等

16、對(duì)話框(Diglogs)對(duì)話框是一種固定大小的跳出視窗(即不能用鼠標(biāo)拖動(dòng)變大或變小)。主要用于定義或更新視場(chǎng)(Fields)、波長(zhǎng)（Wavelengths）、孔徑（Apertures）、面型（Surface types）等3.2 主視窗的操作主視窗是ZEMAX打開(kāi)后的彈出窗口，頂部有標(biāo)題欄、菜單欄、快捷按鈕，底部狀態(tài)欄中有當(dāng)前鏡頭的焦距（EFFL）、F數(shù)（WFNO）、入瞳直徑（ENPD）、總長(zhǎng)（TOTR）。標(biāo)題欄菜單欄工具欄信息區(qū)主視窗中快捷按鈕和狀態(tài)欄內(nèi)容可以由用戶重新定義。菜單欄有： 文件（File）：用于鏡頭文件的打開(kāi)(Open)、新建(New)、存儲(chǔ)(Save)、重命名(Save as

17、)等，其中Use Session Files(使用場(chǎng)景文件)在打開(kāi)一個(gè)新文件時(shí)，新的窗口會(huì)在其原始位置打開(kāi)；Preferences允許用戶設(shè)置窗口中文字大小，快捷鍵，狀態(tài)欄內(nèi)容等等； 編輯器（Editors）：是ZEMAX中所有編輯器打開(kāi)或喚醒的匯總。通過(guò)該菜單可打開(kāi)或喚醒Lens data editor、Merit function editor等。 系統(tǒng)（System）：用于更新或定義光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性數(shù)據(jù)，如相對(duì)孔徑、視場(chǎng)與工作波長(zhǎng)范圍等等 分析（Analysis）：是ZEMAX中重要菜單之一，是象質(zhì)評(píng)價(jià)與分析的主要工具。 工具（Tools）：也是ZEMAX的重要菜單之一，用于鏡頭的優(yōu)化

18、、玻璃庫(kù)的管理、公差分析、樣板測(cè)試等等 報(bào)告（Report）：用于形成鏡頭設(shè)計(jì)結(jié)果的報(bào)告 宏編程（Micros）：用于執(zhí)行已編譯的宏程序。宏程序可以提取光線追跡數(shù)據(jù)、象質(zhì)指標(biāo)等，也可以定義新的優(yōu)化設(shè)計(jì)用操作符等，執(zhí)行時(shí)，宏程序作用的對(duì)象，是當(dāng)前的鏡頭系統(tǒng) 外部程序接口(Extensions)：在ZEMAX環(huán)境中，使用該接口，可以執(zhí)行外部擴(kuò)展名為*.EXE的執(zhí)行程序，用于與ZEMAX交換數(shù)據(jù)，或ZPL宏不能完成的功能。外部程序可以用C語(yǔ)言等編程工具完成。 視窗(Windows)與幫助(Help)四. 光學(xué)系統(tǒng)建立舉例4.1 設(shè)計(jì)要求 擬設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)具有：0150,220 ,5Dfmmf 視場(chǎng)角物

19、距為無(wú)限遠(yuǎn)4.2 分析： 設(shè)計(jì)要求給出了系統(tǒng)焦距(50mm)，視場(chǎng)角，相對(duì)孔徑，無(wú)其它特殊要求 初始結(jié)構(gòu)確定：(1)用單透鏡結(jié)構(gòu)，并設(shè)光闌面與透鏡第一面重合，因此系統(tǒng)需要四個(gè)面(物面、透鏡前后面、像面)。(2)設(shè)透鏡為雙凸透鏡，且兩個(gè)曲率半徑大小相等，則曲率半徑可由： 算出。代入設(shè)計(jì)要求，選透鏡材料為BK7( )，則半徑為51.68，取透鏡厚度為6mm，則初始結(jié)構(gòu)在ZEMAX中的數(shù)據(jù)為：2(1)FRnf 1.5168,64.1673ddn其它光學(xué)特性參數(shù)的輸入方法1. General 輸入相對(duì)孔徑General功能可以由“SystemGeneral”選取，也可以由桌面上“Gen”快捷鍵來(lái)打開(kāi)，

20、打開(kāi)后的General對(duì)話框如下圖所示。General對(duì)話框中，具有Aperture、Glass Catalog、Misc.等等選項(xiàng)。相對(duì)孔徑的定義在Aperture中完成。下面對(duì)一些常用選項(xiàng)作一些說(shuō)明。Aperture中：Aperture type用于定義相對(duì)孔徑，即軸上物點(diǎn)光束大小。定義的種類有：（1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直徑）當(dāng)物體位于無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，可以選擇它來(lái)定義相對(duì)孔徑（2）Image Space F/#（像方F數(shù)）物體無(wú)論位于無(wú)限遠(yuǎn)，還是有限遠(yuǎn)，都可以用像方F數(shù)定義相對(duì)孔徑，定義為：f/# =EFL / EPD=EFL / (2y)（3）Paraxial

21、 Working F/#（近軸工作數(shù)）定義為f/# =1 / (2tanU)FUUy只有當(dāng)物在無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，像方F數(shù)才與近軸F數(shù)相等另外，在系統(tǒng)中還有一個(gè)Working F/#(工作數(shù))，定義為f/# =1 / (2sinU)，從定義可看出三個(gè)“數(shù)”之間的差別。（4）Object Space NA（物方數(shù)值孔徑）當(dāng)物位于有限遠(yuǎn)時(shí)，可用之定義相對(duì)孔徑，其含義為NA=nSin()，n為物方介質(zhì)折射率，為高斯邊緣光線孔徑角。（5）Float by stop size（由光闌大小決定）這是定義軸上物點(diǎn)光束孔徑的另一種方法，即由LDE中STOP面的“Smi-diameter”大小來(lái)決定，此時(shí)LDE中STOP

22、的半寬右邊顯示“U”，表示Stop Surface的孔徑被固定。（6）Object Cone Angle（物方錐角）當(dāng)物體位于有限遠(yuǎn)時(shí)，可用軸上物點(diǎn)發(fā)出的邊緣光線來(lái)定義光束孔，其值為物空間邊緣光線的半角，單位度，可大于90度UGeneral對(duì)話框中其他功能(1)Apodization Type(定義光瞳上光強(qiáng)分布)選項(xiàng)：Uniform表示光瞳被均勻照明；Gaussian表示光瞳上光振幅擾動(dòng)為高斯型，即： ；Cosin cubed表示光瞳上光分布為余弦型(2)Glass Catalogs(玻璃庫(kù))ZEMAX提供了德國(guó)Schott、日本Hoya、美國(guó)Corning等玻璃生產(chǎn)廠商的玻璃庫(kù)，還有紅外、

23、塑料材料（PMMA）、雙折射材料等內(nèi)建玻璃庫(kù)。2. Fields對(duì)話框中定義視場(chǎng)通過(guò)SystemFields可以打開(kāi)視場(chǎng)定義對(duì)話框，該對(duì)話框中首先給出了視場(chǎng)種類定義的四個(gè)選項(xiàng)：角度（視場(chǎng)角）、物高、近軸像高、實(shí)際像高；接著給出了最多為12的視場(chǎng)序號(hào)，即最多可定義12個(gè)視場(chǎng)，X-Field與Y-Field同時(shí)選用時(shí)，適用于非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)，一般僅在Y-Field欄中輸入數(shù)據(jù)，定義子午面內(nèi)的視場(chǎng)。Weight用于定義各個(gè)視場(chǎng)的權(quán)重。對(duì)于大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，要考慮漸暈現(xiàn)象，由漸暈系數(shù)描述。3. Wavelengths定義鏡頭工作波長(zhǎng) 2GAe通過(guò)SystemWavelengths打開(kāi)

24、波長(zhǎng)對(duì)話框，可以定義最多24個(gè)波長(zhǎng)，波長(zhǎng)單位為微米。典型波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)已經(jīng)存儲(chǔ)在對(duì)話框中，可以用Select選用。其中“Primary”定義的是主波長(zhǎng)，用來(lái)考慮鏡頭系統(tǒng)的單色像差。4. 本例中的光學(xué)特性數(shù)據(jù)輸入方法（1）定義像方工作數(shù)(Image Space F/#)為5，選擇System General Aperture Image Space F/#，在Aper Value中輸入5；（2）定義半視場(chǎng)0、7.07、10，選擇System Fields 在對(duì)話框中，選用1、2、3視場(chǎng)序號(hào)，輸入Y-Field分別為0、7.07、10，不定義權(quán)重與漸暈因子等。對(duì)場(chǎng)點(diǎn)選擇的原則：（3）定義波長(zhǎng)。（4）定

25、義物距。參數(shù)定義完后有效焦距并不等于50mm，這主要是由于透鏡的厚度在ZEMAX中被考慮進(jìn)去了，可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)保證焦距達(dá)到要求。另外，焦點(diǎn)位置還沒(méi)有確定，可用求解的方法確定，右擊面2的Thickness Marginal Ray Height OK1210,.,111nfullfieldfullfieldfullfieldnnn在焦點(diǎn)位置，邊緣光線的高度為0；對(duì)于近軸區(qū)域，光瞳高度對(duì)焦點(diǎn)位無(wú)影響，因此取0。取其它值時(shí)表示實(shí)際光線。五. 基本像差分析及像質(zhì)評(píng)價(jià) 前面介紹了在ZEMAX中如何輸入一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，但這只是一個(gè)初始結(jié)構(gòu)，其性能如何，要通過(guò)ZEMAX的像質(zhì)評(píng)價(jià)功能對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。像質(zhì)評(píng)價(jià)功

26、能貫穿于光學(xué)設(shè)計(jì)的中間過(guò)程與最終設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之中。下面我們選取主要的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，說(shuō)明這些指標(biāo)的具體含義。Fans光學(xué)中的Fans即光扇圖，是與光學(xué)設(shè)計(jì)中的子午面和弧矢面的光線結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的。由任一物點(diǎn)發(fā)出的不同孔徑高的光線組分別在子午面內(nèi)和弧矢面內(nèi)形成子午扇形光線與弧矢扇形光線組，由這些扇形光線組描述跟像差有關(guān)的像質(zhì)指標(biāo)，可統(tǒng)稱為Fans。因此，F(xiàn)ans描述的是子午與弧矢兩個(gè)截面內(nèi)的像差曲線圖。Ray Aberration描述幾何像差的垂軸表示法曲線，它為Fields對(duì)話框中定義的每一個(gè)視場(chǎng)繪 制出像面(XOY平面)上X分量像差(X aberration)和Y分量像差(Y aberration)隨

27、光線孔徑高之間的變化曲線。通常X aberration用EX表示， Y aberration用EY表示，光線孔徑高用PX、PY(歸一化值)表示。其作圖原理見(jiàn)下圖。由Ray aberration圖可以看出幾何像差存在時(shí)的綜合彌散情況，還可以看出其他獨(dú)立幾何像差的大小，如由原點(diǎn)處曲線的斜率可以反映軸向像差，諸如球差、場(chǎng)曲、離焦的大小；由曲線邊緣孔徑(1.0)處的Y aberration之和，能夠反映彗差的大??；如果工作波長(zhǎng)是一光譜段，則非主波長(zhǎng)的曲線與EY軸的交點(diǎn)之差反映了垂軸色差的大小，隨著視場(chǎng)的變化，可以看出垂軸色差的變化，等等。Spot Diagrams（幾何點(diǎn)列圖）Ray aberrati

28、on僅能反映子午、弧矢面內(nèi)光線造成像的彌散情況，點(diǎn)列圖則能反映任一物點(diǎn)發(fā)出充滿入瞳的光錐在像面上的交點(diǎn)彌散情況。點(diǎn)列圖通常以主光線與像面交點(diǎn)為原點(diǎn)進(jìn)行量化計(jì)算點(diǎn)列圖的彌散情況，ZEMAX在此基礎(chǔ)上還給出了以虛擬的“質(zhì)心”、“平均”為原點(diǎn)的量化點(diǎn)列圖。使用點(diǎn)列圖評(píng)價(jià)像質(zhì)，除了觀看點(diǎn)列圖形狀外，通常還要使用兩個(gè)指標(biāo)，即RMS Radius與GEO Radius，前者表示點(diǎn)列圖中大多數(shù)點(diǎn)的分布范圍，即集中的彌散半徑，后者表示點(diǎn)列圖彌散的實(shí)際幾何半徑。由點(diǎn)列圖的圖案及其大小也可以估算獨(dú)立幾何像差的大小。僅有離焦像差時(shí)的點(diǎn)列圖及光扇圖僅有球差像差時(shí)的點(diǎn)列圖及光扇圖彗差像散 MTFMTF是目前使用比較普遍

29、的一種像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，稱為調(diào)制傳遞函數(shù)。曲線橫軸表示像面上的空間頻率，單位為lp/mm，縱軸表示對(duì)這些線對(duì)分辨的調(diào)制度。低頻部分反映物體輪廓傳遞情形；中頻部分反映光學(xué)物體層次傳遞情況；高頻部分反映物體細(xì)節(jié)傳遞情況。對(duì)于目視系統(tǒng)：MTF0.05；對(duì)于攝錄系統(tǒng)：MTF0.15用MTF評(píng)價(jià)像質(zhì)時(shí)要注意：（1）對(duì)每一種鏡頭系統(tǒng)，要根據(jù)物面物征、探測(cè)器象素與響應(yīng)情況，確定評(píng)價(jià)時(shí)的特征頻率和對(duì)比度閾值；（2）查看MTF數(shù)值時(shí)，要看多色MTF在每一視場(chǎng)處的子午和弧矢?jìng)骱€，還要查看每一波長(zhǎng)下每一個(gè)視場(chǎng)處的子午和弧矢單色傳函曲線；（3）MTF值跟波像差、點(diǎn)列圖一樣，只反映成像清晰度，不反映變形，所以要檢查物像

30、相似程度，還要看畸變曲線。例：35mm照相物鏡的要求：EFL=75mm，F(xiàn)/3，決定合適的視場(chǎng)角，波長(zhǎng)F,d,C內(nèi)部光闌，初始結(jié)構(gòu)玻璃用SK4和F2，玻璃最小邊緣/中心厚度：3mm，玻璃最大中心厚度：15mm，空氣間隙最小邊緣/中心厚：0.5mm，最大空氣間隙：100mm。要求：邊緣視場(chǎng)MTF在30lp/mm達(dá)50%，在50lp/mm達(dá)20%。設(shè)計(jì)時(shí)我們以SamplesShort coursesc_dblgauss1作為初始結(jié)構(gòu)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的入瞳已經(jīng)滿足要求，EPD=EFFL / F#=75mm/3=25mm，但其視場(chǎng)與波長(zhǎng)與我們的要求不同，需要設(shè)定視場(chǎng)：35mm相機(jī)的膠片是一個(gè)矩形，

31、長(zhǎng)寬為36mmx24mm，對(duì)角線長(zhǎng)43.2mm,設(shè)計(jì)時(shí)為了保證邊緣的像質(zhì)，像高取得略大一些，如21.7mm，我們用近軸像高定義視場(chǎng)，選四個(gè)場(chǎng)點(diǎn)：0、12.6、17.8、21.7，如下圖波長(zhǎng)選用F, d, C此時(shí)初始結(jié)構(gòu)就定好了，但其像質(zhì)很差，我們需要從這個(gè)結(jié)構(gòu)出發(fā)設(shè)計(jì)符合要求的結(jié)果。雖然最終結(jié)果是以MTF來(lái)評(píng)價(jià)的，但我們的優(yōu)化可以從默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)開(kāi)始。構(gòu)建Merit Function(評(píng)價(jià)函數(shù))，Editors Merit Function，然后選ToolsDefault Merit Function，設(shè)置如下：優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程：RingsArms 點(diǎn)擊OK，得到的評(píng)價(jià)函數(shù)為：設(shè)置變量：將面1-5，

32、7-10的Radius，以及1-11的Thickness設(shè)為變量。右擊然后選Variable或用快捷鍵Ctrl+Z，結(jié)果如圖： 開(kāi)始優(yōu)化：ToolsOptimizationOptimization或工具欄中的Opt按鈕一段時(shí)間后其Ray aberration及Spot diagrams如下圖，像差仍然存在，而且的MTF沒(méi)在達(dá)到要求，這時(shí)要換另一種優(yōu)化方式優(yōu)化操作的第二步：波前優(yōu)化，設(shè)置如圖 用波前差作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)函數(shù)為：優(yōu)化后可以發(fā)現(xiàn)波前像差下降了2倍此時(shí)其MTF的性能如何呢？打開(kāi)一個(gè)幾何MTF（因?yàn)槠潼c(diǎn)列圖還沒(méi)達(dá)到衍射極限，衍射MTF的誤差較大），AnalysisMTFGeometric

33、 MTF，然后改變其設(shè)置，選Max Frequency=50，F(xiàn)ield：4其平均響應(yīng)在30lp/mm約為28%，在50lp/mm約為17%，不符設(shè)計(jì)要求，還要用MTF進(jìn)行優(yōu)化在MTF圖中，T表示子午面，S表示弧矢面設(shè)置的MTF優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)，其中GMTA為“平均幾何MTF”操作數(shù)，OPGT為“大于”操作數(shù)優(yōu)化后MTF可以達(dá)到要求上述操作是通過(guò)ZEMAX內(nèi)建的評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化操作的，我們也可以自建評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)校正像差。例：設(shè)計(jì)一望遠(yuǎn)鏡物鏡，焦距 f=250mm，通光孔徑 D=40mm，視場(chǎng)角2=6，入瞳與物鏡重合，物鏡后棱鏡系統(tǒng)的總厚為150mm。要求：0.1,0.001,0.05mmFCLmm

34、SCL 這里 分別指的是軸向球差、彗差、0.707h的軸向色差，這些在ZEMAX中沒(méi)有專門(mén)的像差控制操作，需要自已設(shè)置。 由于該設(shè)計(jì)的相對(duì)孔徑較小，視場(chǎng)不大，因此可以采用簡(jiǎn)單的雙膠合物鏡，選擇的初始結(jié)構(gòu)如下：,mmFCLSCL系統(tǒng)入瞳為40mm，視場(chǎng)選0、2.1、3度，波長(zhǎng)選F, d, C。其結(jié)構(gòu)如圖，棱鏡已展開(kāi)。rd玻璃玻璃153.16K9-112.934ZF1-361.6850/150K9/球差控制LTtanTL T由TRAY得到；tan由RAGC ( Py =1.0 ) ACOSTANG得到；L由DIVI比值得到TRAY：Y面內(nèi)（子午面）的垂軸幾何像差；RAGC：全局光線z方向余弦值A(chǔ)C

35、OS：反余弦值，控制參數(shù)FLAG=1單位為度，F(xiàn)LAG=0為弧度TANG：正切值正弦差控制sKysK由垂軸幾何像差TRAY（Hy=1.0, Px=1.0）得到；y由PIMH得到；sKSCy 得到PIMH:指定波長(zhǎng)在近軸像平面上的近軸像高指定波長(zhǎng)在近軸像平面上的近軸像高 控制軸向色差TRAY（wav=1, Py=0.7071);TRAY (wav=3, Py=0.7071);DIVI TRAY(wav=1, Py=0.7071) / tan(wav=2);DIVI TRAY(wav=3, Py=0.7071) / tan(wav=2);DIFF;DIVI：兩個(gè)操作數(shù)結(jié)果的商；：兩個(gè)操作數(shù)結(jié)果的商

36、；DIFF：兩個(gè)操作數(shù)結(jié)果的差；：兩個(gè)操作數(shù)結(jié)果的差；PROD：兩個(gè)操作數(shù)之積；：兩個(gè)操作數(shù)之積；CONS：定義一個(gè)常數(shù)：定義一個(gè)常數(shù)設(shè)置的控制操作數(shù)如下：將雙膠合透鏡的曲率半徑設(shè)為變量，調(diào)整控制參數(shù)的權(quán)重，為了更好地控制球差，也可加入0.7071h處的控制參數(shù)，通過(guò)更換玻璃達(dá)到設(shè)計(jì)要求 自建評(píng)價(jià)函數(shù)與默認(rèn)評(píng)價(jià)函數(shù)的比較例：自由空間光通信中光學(xué)天線的設(shè)計(jì)說(shuō)明：自由空間光通信是一種定向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，其中光學(xué)天線相當(dāng)于一物鏡系統(tǒng)，對(duì)于接收端光學(xué)天線，其光學(xué)特點(diǎn)為：入瞳直徑大、具有一定的視場(chǎng)、相對(duì)孔徑大、工作波長(zhǎng)通常為近紅外，要求結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單以增加透過(guò)率。像質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)盡量減少?gòu)浬F(tuán)圓，光學(xué)分辨率與光

37、電探測(cè)器分辨率要匹配；像差校正時(shí)，要考慮校正球差、彗差、場(chǎng)曲、像散，還要校正色差。1.設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一接收用光學(xué)天線，滿足：焦距 f=60mm， D / f=1 / 1.2，視場(chǎng)角2w = 0.1，激光波長(zhǎng)：0.85um，激光波長(zhǎng)漂移：0.82-0.88um。2.光學(xué)特性特點(diǎn)與像差校正要求根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該天線屬于一大相對(duì)孔徑光學(xué)系統(tǒng)，視場(chǎng)與后續(xù)的光纖直徑相當(dāng)，屬小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，可以采用望遠(yuǎn)物鏡或照相物鏡形式，工作波長(zhǎng)為近紅外，波長(zhǎng)帶寬比較小，為保證足夠透過(guò)率，天線片數(shù)要少，玻璃可選無(wú)色光學(xué)玻璃材料。像差校正主要集中在軸上點(diǎn)的單色像差及高級(jí)像差，色差估計(jì)不大，像質(zhì)評(píng)價(jià)可以采用彌散圓與MTF指標(biāo)。

38、3.初始結(jié)構(gòu)的選擇此處我們選的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：rd玻璃牌號(hào)玻璃牌號(hào)49.249.5ZK10323.960.428.728.7ZK1074.068.2QK1-184.196.3ZF618.296.338.436.3ZF1-185.89 此例的主要光學(xué)特性為：f=59.8，D/ f=1/1.23，物位于無(wú)限遠(yuǎn)。 以下是輸入?yún)?shù)的具體操作過(guò)程：（1）在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中輸入上表中的半徑、厚度、玻璃材料數(shù)據(jù)，孔徑光闌放在第1個(gè)光學(xué)面上，第8面到Image的距離可以取為近軸像距，即用Marginal Ray Height求解，Height和Pupil Zone均為零，表示近軸。（2）設(shè)置孔徑，點(diǎn)Gen圖

39、標(biāo)，Aperture Type選Entrance Pupil Diameter，Aperture Value為48。（3）設(shè)置視場(chǎng)：點(diǎn)Fie圖標(biāo)，在視場(chǎng)輸入對(duì)話框中，選擇Angle，在Y-Field框中加入兩個(gè)視場(chǎng) 0 和 0.05，權(quán)重均設(shè)為1。（4）設(shè)置波長(zhǎng)：點(diǎn)Wav圖標(biāo)，輸入三個(gè)波長(zhǎng)0.82、0.85、0.88，同時(shí)選擇主波長(zhǎng)（Primary）為0.85，權(quán)重均設(shè)為1。到這一步，我們的初始結(jié)構(gòu)就建立完成了。其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖：初始結(jié)構(gòu)點(diǎn)列圖的大小在177um，光學(xué)傳函（MTF）也很差，需要進(jìn)行優(yōu)化，改善像質(zhì)。4.優(yōu)化設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)形式可以用做變量的數(shù)據(jù)有：8個(gè)曲率半徑，6個(gè)空氣間隔，必要時(shí)還可

40、以將玻璃作為變量。要校正的像差有6個(gè)，即球差、軸向色差、正弦差、高級(jí)球差、色球差、高級(jí)彗差，同時(shí)需控制焦距。由于其可用于變量的參數(shù)個(gè)數(shù)比要校正的像差個(gè)數(shù)多，因此該系統(tǒng)具有很好的校正像差的能力。先只用先只用8個(gè)曲率半徑作為變量個(gè)曲率半徑作為變量。（1）使用ZEMAX的缺省評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化在Editors Merit Function打開(kāi)評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器，選用ToolsDefault Merit Function Spot Radius Ring=6，再在第一行前插入5行，第一行輸入EFFL返回焦距值，第二、三行輸入OPLT、OPGT控制焦距范圍；第四行輸入TTHI返回系統(tǒng)總長(zhǎng)，第五行輸入OPLT控

41、制系統(tǒng)總長(zhǎng)優(yōu)化后得到的點(diǎn)列圖與MTF圖，像質(zhì)已基本符合要求，RMS Radius在7um，MTF在50lp/mm處達(dá)45%（2）自建獨(dú)立幾何像差評(píng)價(jià)函數(shù)優(yōu)化如前所述，要校正的像差有6個(gè)：球差、軸向色差、正弦差、高級(jí)球差、色球差、高級(jí)彗差，符號(hào)如下：,mFCmsnFCsnLLSCLLSC高級(jí)球差的定義：高級(jí)彗差的定義：色球差的定義：0.707110.70711(1 )(0 )0.50.5snhhsnhhFCFChFChLLLSCSCSCLLl 評(píng)價(jià)函數(shù)如下： 優(yōu)化結(jié)果：點(diǎn)圖大小在10um，MTF接近30%。六 坐標(biāo)斷點(diǎn)、棱鏡的設(shè)計(jì) 有時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求表面傾斜或偏心，這時(shí)我們就需要用到坐標(biāo)斷點(diǎn)

42、的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如我們要設(shè)計(jì)如下的棱鏡轉(zhuǎn)折系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過(guò)程：假定入瞳大小為25mm，位于第一面上，視場(chǎng)及波長(zhǎng)用默認(rèn)值。輸入透鏡的參數(shù)：曲率半徑100，-100；面1厚4mm，面2厚30；玻璃BK7插入面3，該面為棱鏡的第一面，為平面，曲率半徑為INF；厚12.5mm；BK7；由于形狀為方形還需對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。在面3的面型(Standard)上右擊，選Aperture Aperture Type Rectangular Aperture X-Half Width/Y-Half Width 12.5將面3的通光口徑類型設(shè)為矩形棱鏡的后表面傾斜了45度，為反射面，因此需要加入坐標(biāo)斷點(diǎn)。坐標(biāo)斷點(diǎn)面只對(duì)它后

43、面的各面產(chǎn)生作用，為了使棱鏡的后表面傾斜，坐標(biāo)斷點(diǎn)面應(yīng)加在其前，為第四面。右擊面4的面型，選TypeSurface TypeCoordinate Break坐標(biāo)斷點(diǎn)面的厚為0，因?yàn)樗饔糜诶忡R的后表面，與棱鏡后表面重合。在面4的Tilt about X輸入-45，表明傾斜45度坐標(biāo)斷點(diǎn)面后的面5為棱鏡后表面，半徑INF；厚度0；玻璃MIRROR；通光口徑類型與面3類似，只是Y-Half Width設(shè)為17.7為了使光線經(jīng)過(guò)面5后發(fā)生90度的轉(zhuǎn)折，需要再加入一個(gè)坐標(biāo)斷點(diǎn)面，序號(hào)為6，設(shè)置與面4的設(shè)置類似，只是厚度設(shè)為-12.5(到棱鏡下表面的距離)面7為棱鏡下表面，通光口徑與面3相同。整個(gè)設(shè)置如

44、下圖：注意：坐標(biāo)斷點(diǎn)面通常是成對(duì)出現(xiàn)，且其后的厚度及曲率的符號(hào)會(huì)改變，通常的規(guī)則是奇數(shù)對(duì)坐標(biāo)斷點(diǎn)后的符號(hào)改變，偶數(shù)對(duì)后的符號(hào)不變(相對(duì)于沒(méi)有坐標(biāo)斷點(diǎn)時(shí)情形)涉及到棱鏡等形狀復(fù)雜的成像系統(tǒng)時(shí)，更好的方法是使用混合模式，即將棱鏡等多面體作為非序列元件，用POB文件定義其形狀，這樣更簡(jiǎn)潔些。如下面的分光棱鏡：這是上述分光棱鏡的透鏡編輯表，可以看出這里沒(méi)有用坐標(biāo)斷點(diǎn)，而是用的非序列元件七. 溫度分析、多重結(jié)構(gòu)、無(wú)熱設(shè)計(jì)溫度及壓力的變化會(huì)引起玻璃的折射率、曲率半徑、厚度的變化，這些參數(shù)的變化將引起成像質(zhì)量的波動(dòng)，因此需要對(duì)設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度和壓力分析，分析中用到的方法是多重結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)不受溫度影響的結(jié)構(gòu)

45、就是無(wú)熱設(shè)計(jì)下面以SamplesShort Coursesc_temp1為例說(shuō)明熱分析過(guò)程首先查看一下BK7玻璃的折射率數(shù)據(jù)(Analysis Glass and Gradient Index Dispersion Diagram Text , 選BK7玻璃)標(biāo)態(tài)下（20，1個(gè)大氣壓）BK7在波長(zhǎng)0.486um的折射率為1.5223859，注意sc_temp1的EFL為100，且有一個(gè)為求解近軸焦點(diǎn)位置的面4先來(lái)看看在真空中透鏡有什么變化，選SystemGeneralEnvironment將“Use Temperature, Pressure”選中，注意其默認(rèn)值是20, 1，此時(shí)折射率、后焦點(diǎn)

46、、有效焦距都沒(méi)有變化然后將ATM改為0，此時(shí)后焦點(diǎn)位置變了，而且EFL下降了約0.1%。這就說(shuō)明了壓力對(duì)透鏡的影響。 再讓我們看看溫度變化的情況，先將壓力設(shè)為1個(gè)大氣壓。然后用MCE定義兩種結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度。有兩種方法實(shí)現(xiàn)：方法1：增加第二種結(jié)構(gòu)(Editors Muti-Configuration Edit Insert Config)增加七個(gè)操作數(shù)(TEMP、3個(gè)CRVT(1, 2, 3)、3個(gè)THIC(1, 2, 3)設(shè)置TEMP 1為20，TEMP 2為100對(duì)結(jié)構(gòu)2的2-7操作數(shù)增加“Thermal Pick Up”方法2（用Make Thermal）：在MCE Tools

47、 Make Single Config，先將方法1設(shè)置的結(jié)構(gòu)清除然后選Tools Auto Thermal，將Number of thermal configuration設(shè)為1；Min Temp：100；Max Temp：100假設(shè)透鏡支架為鋁材，其熱膨脹系數(shù)為23.5010-6，在LDE中的面3的TCE中加入23.5用Ctrl+A在兩種之間轉(zhuǎn)換，查看參數(shù)變化情況。EFL、Radii、Thickness都有變化。進(jìn)行熱性能分析，在分析之前要固定像面，因此將面4刪除。用Ctrl+A查看兩種結(jié)構(gòu)的點(diǎn)圖與光程圖，可以發(fā)現(xiàn)：點(diǎn)圖的RMS在3與11之間變化而OPD在0.5、2波長(zhǎng)之間變化無(wú)熱設(shè)計(jì)方法：

48、（1）重新優(yōu)化透鏡，使其在各個(gè)結(jié)構(gòu)之間平衡；（2）用熱膨脹系數(shù)更好的材料；（3）用更好的玻璃（1）重新優(yōu)化設(shè)計(jì)打開(kāi)評(píng)價(jià)函數(shù)編輯表(F6)，Default MF RMS, wavefront, centroid，不用邊界控制，得到兩個(gè)結(jié)構(gòu)的MF，值為0.314。在CONF 1中的DMFS前插入EFFL，Target 100, weight 1，然后在MCE中定義config 1的3個(gè)CRVT為變量?jī)?yōu)化，MF下降到0.19，OPD在1個(gè)波長(zhǎng)，說(shuō)明溫度的變化已經(jīng)得到了一些平衡。（2）選用膨脹系數(shù)小的材料將面3的TCE設(shè)為變量，優(yōu)化，MF下降到0.059，結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2的OPD幾乎相同，在半個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)。

49、此時(shí)TCE變?yōu)?.5610-6：因此鏡筒用硅(3.5010-6)或復(fù)合材料能得到更好的設(shè)計(jì)。（3）使用熱膨脹系數(shù)相近的玻璃用熱膨脹系數(shù)相近的玻璃也可改善熱影響。先將面3的TCE改回23.5，并設(shè)其為不變。在評(píng)價(jià)函數(shù)中加入兩個(gè)GTCE，分別對(duì)應(yīng)一種玻璃，用DIFF控制其差值，然后再在MCE的結(jié)構(gòu)1中將玻璃設(shè)為“Substitute”，使用全局優(yōu)化或錘形工具(Hammer)尋找玻璃。八. 樣板測(cè)試、公差分析設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，僅僅滿足所有的性能指標(biāo)還不算完成了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者還要考慮如何使成本最低，還要考慮所有影響光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的因素。前者要求設(shè)計(jì)者盡量使用已有的系統(tǒng)和元件，或者設(shè)計(jì)的元件其曲率是工廠現(xiàn)有

50、能力能夠加工的(樣板測(cè)試) ；后者要求設(shè)計(jì)者進(jìn)行公差分析。本節(jié)以一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。設(shè)計(jì)一個(gè)定焦數(shù)碼鏡頭，技術(shù)指標(biāo)如下：1. 鏡頭用13片的玻璃或塑料制作2. 圖像傳感器(CCD)指標(biāo)像素：640X480，像元：7.4umX7.4um，成像面積：3.55X4.74mm2(對(duì)角線長(zhǎng)6mm)3. 物鏡定焦，焦距6.0mm，畸變 90% (中心) 85% (邊緣) 51 lp/mm 30% (中心) 25% (邊緣)漸暈：中心相對(duì)照度 60 %分析：EFL=6mm，像高y=3mm，因此無(wú)限遠(yuǎn)入射光線的半視場(chǎng)角為Semi-FOV=arctan( y/ f)=arctan(0.5) =26.5CCD的特征頻

51、率為1/ (2 * 0.0074)=67.6 lp/mm設(shè)計(jì)時(shí)從已有專利中選取初始結(jié)構(gòu)(選時(shí)f數(shù)取小點(diǎn)而場(chǎng)角取大點(diǎn))，另命名為MyDigital_1.zmx，其FOV=26.5，F(xiàn)/# = 3.5，EFL=0.95將其焦距縮放到要求的6mm：Tools Miscellaneous Make Focal，填入希望的焦距6。對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：1. 一般要求(F/#、EFL、像高等)：Reports System Data2. 畸變：Analysis Miscellaneous Field Curv/Dist3. 銳度：Analysis MTF FFT MTF4. 漸暈/照度：Analysis I

52、llumination Relative Illumination初步分析該透鏡似乎已經(jīng)很好了，但是觀察一下各個(gè)透鏡的大小及厚度，這些透鏡的厚度相對(duì)于它們的大小太小了，另外，所有的玻璃都是以模型給出的，還要將其替換為實(shí)際玻璃。下面就對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將各個(gè)透鏡的半徑及厚度設(shè)為變量，玻璃設(shè)為替代(此時(shí)右邊有S標(biāo)計(jì))邊界條件控制：Glass：0.9、1.6、0.8 Air：0.1、10、0.025 GCOS：0 GCOS Optimization Hammer Opti注意：使用錘形工具優(yōu)化時(shí)要選擇Hammer，如果選項(xiàng)Auto DLS就只是用最小二乘法優(yōu)法，玻璃不能被替換。結(jié)果MyDigital

53、_1_3.zmx對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析：F/# =3.5，實(shí)際像高：2.93，近軸像高2.99，EFL=5.99998這些都符合要求畸變 Test Plates Test Plate Fitting，其對(duì)話框如下：File Name ：用于選擇不同的樣板列表。通常一個(gè)文件就是一個(gè)廠家提供的半徑樣板Method of Fit：套樣板的方法。(1)Try all Method: 償試下述所有的方法，使用可以產(chǎn)生最小評(píng)價(jià)函數(shù)的方法(2)Best to Worst：首先用最接近的曲率半徑套樣板，最常用的方法(3)Worst to Best：首先用最不接近的曲率半徑套樣板(4)Long to Short：首先用

54、最大的曲率半徑套樣板(5)Short to Long：首先用最小的曲率半徑套樣板在套樣板過(guò)程中，如果與某一半徑最匹配的樣板半徑被替代進(jìn)來(lái)作為實(shí)際曲率半徑，則該半徑的可變性被去掉，鏡頭將再次被優(yōu)化，優(yōu)化使用的是當(dāng)前的評(píng)價(jià)函數(shù)。3. 我們選用 LIEBMANN.TPD文件作為樣板文件，方法用Try All Method，這樣可以看出不同方法之間的差異，同時(shí)也可找出最適宜的方法。4.套樣板后將產(chǎn)生一個(gè)文本，里面記錄了套樣板的順序、樣板ID、新舊半徑值、套樣板后的MF值及其改變量。通常MF值改變?cè)叫?、最終MF值越小結(jié)果越好。5.套樣板后要檢查各項(xiàng)指標(biāo)有無(wú)異常，有些半徑可能廠家沒(méi)有相應(yīng)的樣板，這時(shí)要么自

55、已設(shè)定樣板，要么重新設(shè)計(jì)。6.半徑固定之后，就需要固定玻璃厚度和空氣間隙，原則上是先固定玻璃厚度然后再固定空氣間隙，先固定變化最小的厚度。并且每固定一個(gè)厚度都要重新優(yōu)化，MF值不能有顯著的上漲。通常保留一到兩位小數(shù)。結(jié)果為MyDigital_Testplate.zmx。使用的評(píng)價(jià)函數(shù)及結(jié)果如下：下面看看各種指標(biāo)：MTF、畸變、相對(duì)照度、圈入能量畸變小于1%，MTF滿足要求相對(duì)照度大于60%，在一個(gè)像素內(nèi)(7.4umx7.4um)，圈入能量大于85%系統(tǒng)參數(shù)：公差分析：沒(méi)有公差的系統(tǒng)是無(wú)法生產(chǎn)、無(wú)法裝配的，因此在做公差分析之前，設(shè)計(jì)仍沒(méi)有完成。最好的設(shè)計(jì)并不是那些完好滿足設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)，而是能夠

56、被裝配裝配成完好滿足設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)。誤差的來(lái)源：制造、裝配、材料、環(huán)境因素、設(shè)計(jì)中的殘余誤差。由于各種誤差的存在，因此設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)指標(biāo)必須比設(shè)計(jì)要求高，要留有足夠的余量公差分析的步驟：1）為鏡頭定義一組適當(dāng)?shù)墓睿?）修改默認(rèn)的公差值或加入新值以適合系統(tǒng)的需要；3）添加補(bǔ)償器，并設(shè)定補(bǔ)償器的允許范圍，默認(rèn)為后焦距；4）選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如RMS點(diǎn)圖半徑、波前差、MTF或視軸誤差等；5）選技適當(dāng)?shù)姆治瞿Ｊ?，敏感分析或反敏感分析?）執(zhí)行公差分析；7）檢驗(yàn)由公差分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，考慮公差平衡。如果需要，修訂公差值并重復(fù)進(jìn)行分析。常見(jiàn)的公差參數(shù)范圍：操作數(shù)商用精密高精密波前差0.25RMS0.1 R

57、MS0.07 RMS2 P-V0.5 P-V0.25 P-V厚度0.1mm0.05mm0.005mm半徑0.5%0.1%0.02%折射率0.0010.00020.00001表面偏心0.1mm0.01mm0.001mm表面傾斜1弧分30弧秒3弧秒球狀度2 fringes0.5 fringes0.1 fringes非規(guī)則度1 fringes0.25 fringes Tolerance Data Tools Default Tolerances，彈出如下對(duì)話框。選擇需要的公差，并設(shè)定其公差值，點(diǎn)擊OK。然后將第二行的波長(zhǎng)改為我們?cè)赪av中設(shè)定的參考波長(zhǎng)。下面對(duì)該對(duì)話框的內(nèi)容作一些簡(jiǎn)要的說(shuō)明。在該對(duì)話

58、框中，左邊是表面公差，右邊是元件公差。Fringes是指由在測(cè)試波長(zhǎng)處能量的光圈來(lái)指定，該公差只能被放在那些有光能的表面上，這樣就排除了兩邊有相同折射率的虛擬面。如果表面是一個(gè)平面，則默認(rèn)公差值被指定為一個(gè)以光圈表示的變化量，即使選擇了其它選項(xiàng)也是這樣。S+A不規(guī)則度：如果選中，將在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)面型上指定一個(gè)球形和像散不規(guī)則度。Zern不規(guī)則度：如果選中，將在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)面型上指定一個(gè)澤尼克不規(guī)則度。Start At Row：指出默認(rèn)公差放在公差數(shù)據(jù)編輯器中的哪個(gè)地方。如果行號(hào)大于1，那就從指定的行號(hào)開(kāi)始附加新的默認(rèn)公差。Use Focus Comp：使用聚焦補(bǔ)償器。如果選中，則將定義一個(gè)默認(rèn)后焦距補(bǔ)償器。使用補(bǔ)償器可以大大緩解某些公差。補(bǔ)償器的使用要根據(jù)具體情況來(lái)定。選用默認(rèn)的公差后還可根據(jù)需要其它定義補(bǔ)償器：在公差編輯器中插入操作數(shù)COMP定義補(bǔ)償器，其中Code=0補(bǔ)償器為厚度；Code=1補(bǔ)償器為曲率半徑；Code=2補(bǔ)償器為圓錐曲線公差定義完后，接下來(lái)就是執(zhí)行公差分析。但在執(zhí)行公差分析之前還需作一些準(zhǔn)備工作。將所有變量及解都移除。因?yàn)楣罘治鰰r(shí)不能改變?cè)O(shè)計(jì)打開(kāi)場(chǎng)編輯對(duì)話框，添加-Y方向的場(chǎng)點(diǎn)。因?yàn)槠幕騼A斜使結(jié)構(gòu)已不對(duì)稱。同時(shí)由于我們最終結(jié)果是以MTF來(lái)評(píng)價(jià)的，因此暫時(shí)先只取邊界場(chǎng)點(diǎn)，使公差首先