ZEMAX光学设计讲义.docx

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ZEMAX光学设计讲义

实验一：

单镜头设计（Singlet）

实验目的：

1、学习如何启用Zemax

2、学习如何输入波长〔wavelength〕、镜头数据〔lensdata〕

3、学习如何观察系统性能〔opticalperformance〕，如rayfan，OPD，点列图〔spotdiagrams〕，

MTF等。

4、学习如何定义thicknesssolve以与变量〔variables〕

5、学习如何进展优化设计〔optimization〕

实验仪器：

微机、zemax光学设计软件

实验步骤：

1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距〔focallength〕为100mm，波长为可见光，

用BK7玻璃为材料。

2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lensdataeditor（LDE）。

什么是LDE呢？

它是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。

3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelengthdata，键入你要的波长，在第一行输入，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。

在第二、三行键入0.587与0.656，然后在primarywavelength上点在0.587的位置，primarywavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似（paraxialoptics，即first-orderoptics）下的几个主要参数，如focallength，magnification，pupilsizes等。

4、确定透镜的孔径大小。

既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？

F/#就是光由无限远入射所形成的effectivefocallengthF跟paraxialentrancepupil的直径的比值。

所以现在我们需要的aperture就是100/4=25（mm）。

于是从systemmenu上选generaldata，aperturetype里选择entrancepupil，在apervalue上键入25，然后点击ok。

5、回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO与IMA。

OBJ就是发光物，即光源，STO即孔径光阑aperturestop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，假设不是如此，如此可在STO这一栏上按鼠标，可前后参加你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。

而IMA就是imagineplane，即成像平面。

回到我们的singlet，我们需要4个面（surface），于是点击IMA栏，选取insert，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。

6、输入镜片的材质为BK7。

在STO列中的glass栏上，直接键入BK7即可。

7、孔径的大小为25mm，如此第一镜面合理的thickness为4，在STO列中的thickness栏上直接键入4。

Zemax的默认单位是mm

8、确定第1与第2镜面的曲率半径，在此分别选为100与-100，但凡圆心在镜面之右边为正值，反之为负值。

再令第2面镜的thickness为100。

9、现在数据已大致输入完毕。

如何检验你的设计是否达到要求呢？

选analysis中的fans，然后选择其中的RayAberration，将会出现如图1-1所示的TRANSVERSERAYFANPLOT。

图1-1

其中rayaberration是以chiefray为参考点计算的。

纵轴为EY的，即是在Y方向的aberration，称为tangential或者YZplane。

同理X方向的aberration称为XZplane或sagittal。

rayfan在原点处的倾斜说明存在离焦defocus

10、Zemax主要的目的，就是帮我们矫正defocus，用solves就可以解决这些问题。

solves是一些函数，它的输入变量为curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以与相关的parameters等。

parameters是用来描述或补足输入变量solves的型式。

如curvature的型式有chiefrayangle，pickup，Marginalraynormal，chiefraynormal，Aplanatic，Elementpower，concentricwithsurface等。

而描述chiefrayanglesolves的parameter即为angle，而补足pickupsolves的parameters为surface，scalefactor两项，所以parameters本身不是solves，要调整的变量才是solves的对象。

在surface2栏中的thickness项上点两下，出现solve对话框，把solvetype从fixed变成MarginalRayheight，然后OK。

这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0，即paraxialfocus。

此时surface2的厚度自动调整为96mm。

再次updaterayfan，将出现图1-2，defocus不见了。

11、但这是最优化设计吗？

再次调整surface1的radius项从fixed变成variable，依次把surface2的radius从fixed变成variable，与surface2中thickness的MarginalRayheight也变成variable。

12、我们再来定义一个Meritfunction，什么是Meritfunction呢？

Meritfunction就是把你理想的光学要求规格定为一个标准（如此例中focallength为100mm），然后Zemax会连续调整你输入solves中的各种variable,把计算得的值与你订的标准相减就是Meritfunction值，所以Meritfunction值愈小愈好，挑出最小值时即完成variable设定，理想的Meritfunction值为0。

如何设Meritfunction，Zemax已经default一个建的meritfunction，它的功能是把RMSwavefronterror减至最低，所以先在editors中选Meritfunction，进入其中的Tools，再按DefaultMeritFunction键，再按ok，即我们选用defaultMeritfunction，这还不够，我们还要规定给meritfunction一个焦距focallength为100的限制，因为假设不给此限制如此Zemax会发现focallength为infinit时，wavefrontaberration的效果会最好，当然就违反我们的设计要求。

所以在Meritfunctioneditor第行中往后插入一行，即显示出第2行，代表surface2，在此列中的type项上键入EFFL（effectivefocallength），并回车，同列中的target项键入100，并回车，weight项中定为1，并回车。

跳出Meritfunctioneditor，在Tools中选optimization项，按Automatic键，完毕后跳出来，此时你已完成设计最优化。

重新检验rayfan，将出现图1-3，这时maximumaberration已降至200microns。

图1-2

图1-3

13、其它检验opticalperformance还可以用SpotDiagrams与OPD等。

从Analysis中选spotdiagram中的standard，如此该spot大约为400microns上下左右交织，与Airydiffractiondisk比拟而言，后者大约为6microns交织。

而OPD为opticalpathdifference（跟chiefray作比拟），从Analysis中选泽Fans，然后选泽OpticalPath，将出现图1-4，其中的aberration大约为20waves，大都focus，spherical，spherochromatism与axialcolor。

Zemax提供一个确定firstorderchromaticabberation的工具，即thechromaticfocalshiftplot，这是把各种光波的focallength跟用primarywavelength计算出firstorder的focallength之间的差异对输出光波的wavelength作图，图中可指出各光波在paraxialfocus上的variation。

从Analysis中Miscellaneous项的ChromaticFocalShift即可得出图1-5。

图1-4

图1-5

实验二：

双胶合镜头〔doublet〕

实验目的：

1、学习如何画出layouts和fieldcurvatureplots

2、学习如何定义edgethicknesssolves,fieldangles等

实验仪器：

微机、zemax光学设计软件

实验原理：

一个双胶合镜头doublet是由两片玻璃组成，通常粘在一起，所以他们有一样的曲率curvature。

利用不同玻璃的色散性质dispersion，色差thechromaticaberration可以矫正到firstorder，所以剩下的chromaticaberration主要的贡献为secondorder，于是我们可以期待在看chromaticfocalshiftplot图时，应该呈现出抛物线paraboliccurve的曲线而非一条直线，此乃secondordereffect的结果〔当然其中variation的scale跟firstorder比起来必然小很多，应该下降一个order〕。

实验步骤：

1、选用BK7和SF1两种镜片，wavelength和aperture如同实验一所设，既然是doublet，你只要在实验一的LDE上再参加一面镜片即可。

所以调出实验一的LDE，在STO后再插入一个镜片，表示为2，或者你也可以在STO前在插入一面镜片标示为1，然后在该镜片上的surfacetype上用鼠标按一下，然后选择MakeSurfaceStop，如此此第一面镜就变成STO的位置。

在第一、第二面镜片上的Glass栏分别键入BK7和SF1。

2、现在把STO和第二面镜的thickness都fixed为3，仅第3面镜的thickness为100且设为variable，如图2-1所示。

图2-1

3、既然要优化，还要设meritfunction，注意此时EFFL需设在第三面镜上，因为第3面镜是光线在成像前穿过的最后一面镜，又EFFL是以光学系统上的最后一块镜片上的principleplane的位置起算。

其它的meritfunction设定就一切照旧。

4、现在选择Tools，optimization，程序如同实验一，在optimization完毕后，点击Exit。

你再选择Analysis中Miscellaneous项的ChromaticFocalShift即可得出图2-2。

你会发现firstorder的chromaticaberration已经被reduced，剩下的是secondorderchromaticaberration在主宰，所以图形呈现出来的是一个paraboliccurve。

现在shift的大小为74microns，实验一为1540microns。

图2-2

5、再看其它的performance效果，调出Rayaberration，如图2-3所示。

此时maximumtransverserayaberration已由实验一的200microns降至20microns。

而且3个不同波长通过原点的斜率大约一致，这告诉我们对每个wavelength的relativedefocus为很小。

再者，此斜率不为0（比拟实验一图1-2），这告诉我们什么讯息呢？

如果斜率为0，如此在pupilcoordinate原点附近作一些变动如此并不产生aberration，代表defocus并不严重，而aberration产生的主要因素为sphericalaberration。

图2-3

故相对于实验一（比拟它们坐标的scale与通过原点的斜率），现在sphericalaberration已较不严重（因为aberrationscale已降很多），而允许一点点的defocus出现，而出现在rayfancurve的S形状，是典型的sphericalbalancedbydefocus的情况。

6、现在我们已确定得到较好的performance，但实际上的光学系统长的什么样子呢？

选择Analysis，Layout，2DLayout，除了光学系统的摆设外，你还会看到3条分别通过entrancepupil的top，center，bottom在空间被trace出来，如图2-4。

它们的波长是一样的，就是你定的primarywavelength（在此为surface1）。

这是Zemaxdefault的结果。

但是现在还有一个问题，我们凭直觉定出STO的thickness为3，但是真正在作镜片的时候，STO和surface2镜面会不会互相交织穿出，即在edge的thickness值为正数或负数，还有是不是应该改一下设计使lens的aperature比diameter小，如此我们可预留些边缘空间来磨光或架镜。

图

图2-4

实验三：

施密特-卡塞格伦望远镜Schmidt-Cassegrain和

asphericcorrector非球面矫正

实验目的：

学习使用多项式非球面polynomialasphericsurface，obscurations,apertures,solves,optimization,layouts,MTFplots。

实验仪器：

微机、zemax光学设计软件

实验原理：

本实验是完成施密特-卡塞格伦望远镜Schmidt-Cassegrain与多项式非球面矫正片polynomialasphericcorrectorplate。

这个设计是要在可见光谱中使用。

我们要一个10inches的aperture和10inches的backfocus。

实验步骤：

1、点击System,General,在aperturevalue中键入10，同在一个screen把单位unit“Millimeters〞改为“Inches〞。

2、把Wavelength设为3个，分别为，，，定为primarywavelength。

你可以在wavelength的screen中按底部的“select〞键，即可完成所有动作。

3、目前我们将使用default的fieldanglevalue，其值为0。

4、依序键入如图3-1所示的数据，此时theprimarycorrector为MIRROR球镜片。

你可以打开2Dlayout，呈现出如图3-2之图形。

图3-1

图3-2

5、现在我们在参加第二个corrector，并且决定imagineplane的位置。

键入如图3-3的数据，primarycorrector的thickness变为-18，比原先的-30小，这是因为要放secondcorrector并考虑到其size大小的因素。

在surface4的radius设定为variable，通过优化optimization,Zemax可以定下它的值。

图3-3

6、打开2Dlayout，呈现出如图3-3之图形。

图3-4

7、打开meritfunction,reset后，改变〞Rings〞option到5。

ringsoption决定光线的采样密度samplingdensity,defaultvalue为3，在此设计，我们要求他为5。

执行optimization,点击Automatic即可，你会发现meritfunction的值为，不是很理想。

这是residualRMSwaveerror所致。

8、退出meritfunction,从system中选UpdateAll,如此secondarycorrector的radius已变成。

从Analysis,fans,中选OpticalPath,OPDplot如图3-5所示，发现其为defocus且为spherical,大概约有4个waveaberration需要矫正。

9、现在利用指定polynomialasphericcofficients来作asphericcorrection。

改变surface1的surfacetype双击surface1的standard，将surfacetype改为〞EvenAsphere〞，按OK后返回到surface1行中，将光标往右移到4thOrderTerm,把此项设为变数，同样将6thOrderTerm,8thOrderTerm设为变数,然后再次执行optimization。

调出OPDplotupdate,其图应如图3-6所示，你会发现sphericalaberration已被大大地减少。

仔细观察，不同的三个波长其相对的aberration有不同的sphericalamount,这就是spherichromatism,是下一个要矫正的目标。

依据经验所得，我们要用axialcolor来矫正

图3-5

图3-6

spherochromatism,即axialcolorbalance。

10、要怎么引进axialcolor呢？

我们改变surface1的curvature来达到axialcolor的效果。

把surface1的radius设为variable,进展optimization，然后看看update后OPDplot图，如图3-7所示，这就是我们所要设计的，剩余的像差residualaberration小于1/20波长，这结果良好。

图3-7

11、现在让我们些微改变fieldangle,从system,field中，把y方向的fieldangle的值设为3个，分别是。

现在y方向的fieldangle已改变，等于boundarycondition已改变，所以你需要复位你的meritfunction。

把meritfunction的“Rings〞改变为“4〞后退出，进展optimization,如此新的OPDplot应如图3-8所示，虽有不同的fieldangle,但是所有的aberrations却可以承受。

说明此设计还不错。

图3-8

12、下面我们看看该光学系统的成像质量如何？

我们看看它的MTF〔ModulationTransferFunction〕如何？

点击analysis的ModulationTransferFunction，即呈现如图3-9。

图3-9

实验四：

多结构的激光扩束器multi-configurationlaserbeamexpander

实验目的：

学习使用多结构系统

实验仪器：

微机、zemax光学设计软件

实验原理：

　设计一个在波长λ＝下工作的激光扩束器laserbeamexpander，Inputdiameter为100mm，而outputdiameter为20mm，且Input和output皆为准直collimated。

在此设计中，我们遵守如下设计条件：

1、只能使用2个镜片。

2、本设计在形式上必须是伽利略系统Galilean〔没有internalfocus〕。

3、两个透镜之间的距离必须小于250mm。

4、只有一个asphericsurface可以使用。

5、此光学系统必须在λ328μ下完成测试。

　　本设计任务不只是要矫正aberration而已，而是在两个不同wavelengths的情况下都要做到。

先谈谈条件2中什么是Galilean呢？

Galilean就是光线从入射到离开光学系统，在光学系统部不能有focus现象，在本例中即beams在两个镜片之间不能有focus。

好在本系统不是同时在2个wavelengths下操作，所以在操作时我们可以变动某些组合conjugates。

实验步骤：

1、现在开始设计，依据图4-1键入各surface的相关值。

其中surface5的surfacetype从Standard改为Paraxial，这时在镜片后面的focallength项才会出现。

注意到使用paraxiallens的目的是把collimatedlight〔平行光〕给focus。

同时把surface5的thickness与focallength皆设为25，

图4-1

2、entrancepupil的diameter定为100，wavelength只选一个1.microns即可，记住不要再设第二个wavelength。

3、弹出meritfunction，在第1行中把type改为REAY这表示realrayY将用来作为一种约束constraint，在本设计中，我们被要求Inputdiameter为100而outputdiameter为20，其比值为100：

20＝5：

1，即入射beam被压缩了5倍，在surf中键入5，表示在surface中我们要控制他的rayheight，而Py上如此键入。

把targetvalue定为10，这将会给我们一个diametercollimated为20mm的outputbeam。

为什么呢？

因为Py是normalized的pupilcoordinate，即入射光的semi-diameter为50。

Py＝1即现在的入射光isaimedtothetopoftheentrancepupil，把targetvalue定为10，就是输出光的semi-diameter为10，所以50：

10＝5：

1，光被压缩了5倍，达到我们的要求。

现在选Tools，Update，你会看到在valuecolumn上出现50的值，这就是entrancepupilradius即表示coordinates是座落在一个单位圆〔unitcircle〕上，而其半径为50，当Px＝0，Py＝1即表示在y轴的pupil大小为50，而在x轴的如此为0。

4、从editmenubar选Tools，DefaultMeritFunction，按Reset后把“StartAt〞的值改为2，这表示以后的operands会从第二列开始，而不会影响已建立的REAYoperand。

执行optimization后，把OPDplot调出来，如图4-2所示，你会发现performance很差，大约为7个waves。

图4-2

5、这个aberratio