學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件Zemax應(yīng)用——單透鏡設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

掌握zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的使用，能進(jìn)行光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和仿真。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

掌握zemax軟件的應(yīng)用，理解各種光學(xué)元件的基本工作原理；應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件zemax設(shè)計(jì)單透鏡。編寫相應(yīng)的zemax程序設(shè)計(jì)一個(gè)單透鏡，提交程序清單和仿真結(jié)果。

三、實(shí)驗(yàn)儀器

計(jì)算機(jī)、自由空間光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件Zemax。

四、實(shí)驗(yàn)原理

學(xué)習(xí)Zemax軟件的相關(guān)說(shuō)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(bào)告菜單、宏指令菜單和擴(kuò)展命令菜單的基本應(yīng)用，學(xué)會(huì)應(yīng)用zemax進(jìn)行基本的光學(xué)元件及光路的設(shè)計(jì)。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

通過(guò)簡(jiǎn)單的單透鏡設(shè)計(jì)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(jiǎn)單光學(xué)設(shè)計(jì)理想化。步驟如下：

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

然后選取需要的光波長(zhǎng)，在主選單system下，圈出wavelengths，根據(jù)設(shè)計(jì)需要鍵入波長(zhǎng)，同時(shí)可選用不同的波長(zhǎng)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(diǎn)在0.486的位置，primary wavelength主要是用來(lái)計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)在近軸光學(xué)近似下的幾個(gè)主要參數(shù)，如focal length，magnification，pupil sizes等。再來(lái)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(wú)限遠(yuǎn)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(shuō)，entrance pupil的大小就是aperture的大小。

回到LDE，可以看到3個(gè)不同的surface，依序?yàn)?/span>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(guò)來(lái)所遇到的第一個(gè)透鏡，在設(shè)計(jì)一組光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，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(biāo)前后加入你要的鏡片，于是STO就不是落在第一個(gè)透鏡上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到所要設(shè)計(jì)的單透鏡，需要4個(gè)面(surface)，于是在STO欄上，選取insert after，就在STO后面再插入一個(gè)鏡片，編號(hào)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?yàn)榭讖降拇笮?/span>25mm，則第一面鏡合理的thickness為4，也是直接鍵入。再來(lái)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(fù)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(yàn)設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求呢？選analysis中的fans，其中的Ray Aberration，將會(huì)把transverse的ray aberration對(duì)pupil coordinate作圖。其中ray aberration是以chief ray為參考點(diǎn)計(jì)算的?？v軸為EY的，即是在Y方個(gè)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(wèn)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(guān)parameters等。parameters是用來(lái)描述補(bǔ)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(bǔ)足pick up solves的parameters為surface，scale factor兩項(xiàng)，所以parameters本身不是solves，要調(diào)整的變量才是solves的對(duì)象。在surface 2欄中的thickness項(xiàng)上點(diǎn)兩下，把solve type從fixed變成Marginal Rayheight。這項(xiàng)調(diào)整會(huì)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(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)defocus已經(jīng)不見(jiàn)了。為達(dá)到理想設(shè)計(jì)需再次調(diào)整surface 1的radius項(xiàng)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(lái)定義一個(gè)Merit function，就是把你理想的光學(xué)要求規(guī)格定為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(如此例中focal length為100mm)，然后Zemax會(huì)連續(xù)調(diào)整輸入solves中的各種variable, 把計(jì)算得的值與訂的標(biāo)準(zhǔn)相減就是Merit function值，所以Merit function值愈小愈好，挑出最小值時(shí)即完成variable設(shè)定，理想的Merit function值為0。

如何設(shè)Merit function？Zemax已經(jīng)假定一個(gè)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(jìn)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(gè)focal length為100的限制。因?yàn)槿舨唤o此限制則Zemax會(huì)發(fā)現(xiàn)focal length為時(shí)，wavefront aberration的效果會(huì)最好，就違反設(shè)計(jì)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(xiàng)上鍵EFFL(effective focal length)，同列中的target項(xiàng)鍵入100，weight項(xiàng)中定為1。跳出Merit function editor，在Tools中選optimization項(xiàng)，按Automatic鍵，完畢后跳出來(lái)，此時(shí)完成設(shè)計(jì)理想化。

重新檢驗(yàn)rayfan，這時(shí)maximum aberration已降至200microns。其它檢驗(yàn)光學(xué)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(gè)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(zhǎng)計(jì)算出first order的focal length之間的差異對(duì)輸出光波的wavelength作圖。