學系統(tǒng)設計軟件Zemax應用——單透鏡設計

設計性實驗

一、實驗目的

掌握zemax光學設計軟件的使用，能進行光學器件的設計和仿真。

二、實驗內(nèi)容

掌握zemax軟件的應用，理解各種光學元件的基本工作原理；應用光學系統(tǒng)設計軟件zemax設計單透鏡。編寫相應的zemax程序設計一個單透鏡，提交程序清單和仿真結果。

三、實驗儀器

計算機、自由空間光學系統(tǒng)設計軟件Zemax。

四、實驗原理

學習Zemax軟件的相關說明，掌握文件菜單、編輯菜單、系統(tǒng)菜單、分析菜單、工具菜單、報告菜單、宏指令菜單和擴展命令菜單的基本應用，學會應用zemax進行基本的光學元件及光路的設計。

五、實驗步驟

通過簡單的單透鏡設計掌握啟用Zemax，鍵入wavelength，lens data，產(chǎn)生ray fan，OPD，spot diagrams，定義thickness solve以及variables，執(zhí)行簡單光學設計理想化。步驟如下：

首先打開Zemax的lens data editor(LDE)，它是工作場所，譬如決定要用何種鏡片，幾個鏡片，鏡片的radius，thickness，大小，位置等。

然后選取需要的光波長，在主選單system下，圈出wavelengths，根據(jù)設計需要鍵入波長，同時可選用不同的波長等。現(xiàn)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，然后在primary wavelength上點在0.486的位置，primary wavelength主要是用來計算光學系統(tǒng)在近軸光學近似下的幾個主要參數(shù)，如focal length，magnification，pupil sizes等。再來我們要決定透鏡的孔徑有多大。例如指定F/4的透鏡，所謂F/#就是光由無限遠入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直徑的比值。所以需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是從system menu上選generaldata，在aper value上鍵入25，而aperture type被default為Entrance Pupil diameter。也就是說，entrance pupil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(fā)光物即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照過來所遇到的第一個透鏡，在設計一組光學系統(tǒng)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這一欄上按鼠標前后加入你要的鏡片，于是STO就不是落在第一個透鏡上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到所要設計的單透鏡，需要4個面(surface)，于是在STO欄上，選取insert after，就在STO后面再插入一個鏡片，編號為2，通常OBJ為0，STO為1，而IMA為3。

接著輸入鏡片的材質(zhì)為BK7。在STO列中的glass欄上，直接打上BK7即可。因為孔徑的大小為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?，F(xiàn)在輸入數(shù)據(jù)已大致完畢。如何檢驗設計是否達到要求呢？選analysis中的fans，其中的Ray Aberration，將會把transverse的ray aberration對pupil coordinate作圖。其中ray aberration是以chief ray為參考點計算的?？v軸為EY的，即是在Y方個的aberration，稱作tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration稱為XZ plane或sagittal。Zemax主要的目的，就是矯正defocus，用solves就可以解決這些問題。solves是一些函數(shù)，它的輸入變量為curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相關parameters等。parameters是用來描述補足輸入變量solves型式。如curvature的型式有chief ray angle，pick up，Marginal ray normal，chief raynormal，Aplanatic，Element power，concentric with surface。 

而描述chief rayangle solves的parameter即為angle，而補足pick up solves的parameters為surface，scale factor兩項，所以parameters本身不是solves，要調(diào)整的變量才是solves的對象。在surface 2欄中的thickness項上點兩下，把solve type從fixed變成Marginal Rayheight。這項調(diào)整會把在透鏡邊緣的光在光軸上的height為0，即paraxial focus。再次調(diào)整ray fan時會發(fā)現(xiàn)defocus已經(jīng)不見了。為達到理想設計需再次調(diào)整surface 1的radius項從fixed變成variable，依次把surface 2的radius，及放棄原先的surface 2中thickness的Marginal Ray height也變成variable。再來定義一個Merit function，就是把你理想的光學要求規(guī)格定為一個標準(如此例中focal length為100mm)，然后Zemax會連續(xù)調(diào)整輸入solves中的各種variable, 把計算得的值與訂的標準相減就是Merit function值，所以Merit function值愈小愈好，挑出最小值時即完成variable設定，理想的Merit function值為0。

如何設Merit function？Zemax已經(jīng)假定一個內(nèi)建的merit function，它的功能是把RMS wavefront error減至最低，所以先在editors中選Merit function，進入其中的Tools，再按假定的 Merit Function鍵，即選用default Meritfunction，還要規(guī)定給merit function一個focal length為100的限制。因為若不給此限制則Zemax會發(fā)現(xiàn)focal length為時，wavefront aberration的效果會最好，就違反設計要求。所以在Merit function editor第1列中往后插入一列，即顯示出第2列，代表surface 2，在此列中的type項上鍵EFFL(effective focal length)，同列中的target項鍵入100，weight項中定為1。跳出Merit function editor，在Tools中選optimization項，按Automatic鍵，完畢后跳出來，此時完成設計理想化。

重新檢驗rayfan，這時maximum aberration已降至200microns。其它檢驗光學性能還可以用Spot Diagrams及OPD等。從Analysis中選spotdiagram中的standard，則該spot大約為400 microns上下左右，與Airy diffractiondisk比較而言，后者大約為6 microns。而OPD為optical path difference(跟chief ray作比較)，亦從Analysis中挑選，從Fans中的Optical Path，發(fā)現(xiàn)其中的aberration大約為20 waves，大都focus，并且spherical，spherochromatism及axial color。Zemax另外提供一個決定first order chromaticabberation的工具即the chromatic focal shift plot，這是把各種光波的back focallength跟在paraxial上用主波長計算出first order的focal length之間的差異對輸出光波的wavelength作圖。