ZEMAX光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)	Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)從基礎(chǔ)到實(shí)踐	成像衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)及應(yīng)用	現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)技術(shù)
訊技光電:VirtualLab Fusion獨(dú)家供應(yīng)商	微小光學(xué)與微透鏡陣列	光學(xué)設(shè)計(jì)與光學(xué)元件	計(jì)算光學(xué)帶來的成像革命

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只看樓主倒序閱讀樓主發(fā)表于: 2007-07-25

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Zemax初學(xué)手冊(cè)）
蔡長青
ISUAL 計(jì)畫團(tuán)隊(duì)
國立成功大學(xué)物理系
（第一版，1999年7月29日）
前言
整個(gè)中華衛(wèi)星二號(hào)“紅色精靈”科學(xué)酬載計(jì)畫，其量測(cè)儀器基本上是個(gè)光學(xué)儀器。所以光學(xué)系統(tǒng)的分析乃至于設(shè)計(jì)與測(cè)試是整個(gè)酬載發(fā)展重要一環(huán)。
這份初學(xué)手冊(cè)提供初學(xué)者使用軟體作光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)練習(xí)，整個(gè)需要Zemax光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟體。它基本上是Zemax使用手冊(cè)中tutorial的中文翻譯，由蔡長青同學(xué)完成，并在Zemax E. E. 7.0上測(cè)試過。由于蔡長青同學(xué)不在參與“紅色精靈”計(jì)畫，所以改由黃曉龍同學(xué)接手進(jìn)行校稿與獨(dú)立檢驗(yàn)，整個(gè)內(nèi)容已在Zemax E. E. 8.0版上測(cè)試過。我們希望藉此初學(xué)手冊(cè)（共有七個(gè)習(xí)作）與后續(xù)更多的習(xí)作與文件，使團(tuán)隊(duì)成員對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有進(jìn)一步的掌握。（陳志隆注）
(回內(nèi)容綱目)
習(xí)作一：單鏡片(Singlet)
你將學(xué)到：啟用Zemax，如何鍵入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(xué)設(shè)計(jì)最佳化。
設(shè)想你要設(shè)計(jì)一個(gè)F/4單鏡片在光軸上使用，其focal length 為100mm，在可見光譜下，用BK7鏡片來作。
首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作場(chǎng)所，譬如你決定要用何種鏡片，幾個(gè)鏡片，鏡片的radius，thickness，大小，位置……等。
然后選取你要的光，在主選單system下，圈出wavelengths，依喜好鍵入你要的波長，同時(shí)可選用不同的波長等�，F(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主要是用來計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)在近軸光學(xué)近似(paraxial optics，即first-order optics)下的幾個(gè)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。既然指定要F/4的透鏡，所謂的F/#是什么呢？F/#就是光由無限遠(yuǎn)入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直徑的比值。所以現(xiàn)在我們需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是從system menu上選general data，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(gè)不同的surface，依序?yàn)镺BJ，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(gè)透鏡，你在設(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這一欄上按滑鼠，可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�；氐轿覀兊膕inglet，我們需要4個(gè)面 (surface)，于是在STO欄上，選取insert cifter，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。
再來如何輸入鏡片的材質(zhì)為BK7。在STO列中的glass欄上，直接打上BK7即可。又
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(fù)值。而再令第2面鏡的thickness為100。
現(xiàn)在你的輸入資料已大致完畢。你怎么檢驗(yàn)?zāi)愕脑O(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。縱軸為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，就是幫我們矯正defocus，用solves就可以解決這些問題。solves是一些函數(shù)，它的輸入變數(shù)為curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相關(guān)的parameters等。parameters是用來描述或補(bǔ)足輸入變數(shù)solves的型式。如curvature的型式有chief ray angle，pick up，Marginal ray normal，chief ray normal，Aplanatic，Element power，concentric with surface等。而描述chief ray angle 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)整的變數(shù)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 Ray height，然后OK。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update ray fan，你可發(fā)現(xiàn)defocus已經(jīng)不見了。但這是最佳化設(shè)計(jì)嗎？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。再來我們定義一個(gè)Merit function，什么是Merit function呢？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)整你輸入solves中的各種variable, 把計(jì)算得的值與你訂的標(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。
現(xiàn)在談?wù)勅绾卧O(shè)Merit function，Zemax 已經(jīng)default 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Default Merit Function 鍵，再按ok，即我們選用default Merit function ，這還不夠，我們還要規(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，當(dāng)然就違反我們的設(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)上鍵入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，此時(shí)你已完成設(shè)計(jì)最佳化。重新檢驗(yàn)ray fan，這時(shí)maximum aberration已降至200 microns。
其他檢驗(yàn)optical performance還可以用Spot Diagrams及OPD等。從Analysis中選spot diagram中的standard，則該spot大約為400 microns上下左右交錯(cuò)，與Airy diffraction disk比較而言，后者大約為6 microns交錯(cuò)。
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 chromatic abberation 的工具，即 the chromatic focal shift plot，這是把各種光波的back focal length跟在paraxial上用primary wavelength 計(jì)算出first order的focal length之間的差異對(duì)輸出光波的wavelength 作圖，圖中可指出各光波在paraxial focus上的variation。從Analysis中Miscellaneous項(xiàng)的Chromatic Focal Shift即可叫出。
(回內(nèi)容綱目)