光设ZEMAX实验讲义Word文件下载.docx

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第三章像差设计在ZEMAX中的实现31

3.1DefaultMeritFunction和现有像差控制符的局限性32

3.1.1轴上点的像差操作符的局限性32

3.1.2轴外物点的像差操作符的局限性32

3.2常见像差控制在评价函数中的实现33

3.2.1轴上球差、色差的控制操作符33

3.2.2轴外初级像差的控制操作符34

3.2.3轴外物点视场孔径高级像差的定义及其控制操作符38

3.3像差设计举例39

第四章像差设计实例49

4.1望远镜物镜或准直物镜的设计49

第一章ZEMAX软件简介

1.1简介

ZEMAXOpticalDesignProgram（ZEMAX）是由美国ZeMaXDevelopmentCorporation公司开发的专用光学设计软件包，软件逐步升级，我们使用的版本是2007。

ZEMAX是Windows平台上的视窗式的用户界面，操作习惯和快捷键风格如同Windows。

1.2用户界面

ZEMAX的视窗类型，和Windows的基本一致，打开不同的视窗可以执行操作不同的任务，可分为：

◆主视窗（MainWindow）

ZEMAX启动以后，进入主视窗（图1.1）。

主视窗顶端有标题栏（titlebar）、菜单栏（menubar）和工具栏（toolsbar）。

◆编辑视窗（EditorWindow）

ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：

即镜头数据编辑器（LensDataEditor），评价函数编辑器（MeritFunctionEditor）、多重组态编辑器（Multi-configurationEditor）、公差数据编辑器（ToleranceDataEditor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（ExtraDataEditor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequentialComponentsEditor）。

图1.1ZEMAX主视窗界面

◆图形视窗（GraphicWindow）

最常用的有草图（Layout）、扇形图（Rayfans）、调制传递函数（MTFPlots）图等。

◆文本视窗（TextWindows）

设计的文字资料，如详细数据（PrescriptionData）、像差数据等显示在文本视窗中。

◆对话框（Dialogs）

固定大小，在过程中跳出来的视窗（鼠标拖曳不能改变大小）。

用于定义或更新视场（Fields）、波长（Wavelengths）、孔径（Apertures）、面型（Surfacetypes）等。

1.3主视窗的操作（MainWindowsOperations）

主视窗在执行ZEMAX后显示出来，可以用鼠标拖动改变大小，如图1.1所示。

上部有标题栏、菜单栏、快捷按钮。

底部状态栏中显示当前镜头系统的焦距（EFFL）、F数（WFNO）、入瞳直径（ENPD）、系统总长（TOTR）。

主视窗中的快捷按钮和状态栏中内容可以自定义，菜单栏中有：

◆文件（File）

展开后有文件的打开（Open），新建（New），存储（Save），另存为（Saveas）等，偏好（Preference）可以修改文字大小，快捷按钮和状态栏中的内容。

◆编辑器（Editors）

栏中包括ZEMAX中所有编辑器命令，展开后可打开Lensdataeditor，Meritfunctioneditor。

◆系统（System）

定义或更新光学系统的光学特性数据，例如相对孔径、视场和选取的工作波长等。

◆分析（Analysis）

它是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，是用来进行像质评价和分析的主要工具，对于其中的每一项的数据的含义，单位要很好地理解。

主要有：

Fans中的球差（Rayaberration），点列图（Spotdiagrams）、调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）、波像差（Wavefront）、圆内能量集中度（EncircledEnergy）；

杂项（Miscellaneous）中的场曲与畸变（FieldCurv/Dist）、轴向球差（Longitudinalaberration）和垂轴色差（LateralColor）。

◆工具（Tools）

也是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，分成七块：

第一块用来进行光学镜头的局部优化（Optimization）、全局优化（Global/Search/HammerOptimization）等；

第二块分析镜头的公差，计算传递函数的点列图，波差等变化量表。

第三块是材料选择，有察勘玻璃库或向库中新增添或删除玻璃条目，寻找简单的透镜数据并插入到透镜数据编辑器中。

第四块是镀膜模型。

第五块是系统中镜头的孔径的定义，可以与渐晕系数配合共同使用。

第六块主要用来整体设计

（1）按焦距或放大率缩放当前系统；

（2）在当前系统中加入或删除折转发射镜。

第七块以后讨论。

◆报告（Report）

形成镜头设计结果的报告，可以作为每一个光学面的形成报告（Surfacedata）；

也能为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告（Systemdata）；

还可以给出设计结果的详细数据报告（Prescriptiondata）。

◆宏编程（Macros）

执行已经编译好的宏程序。

宏程序的编程过程：

（1）使用一般的文本编辑器或使用ZEMAX自身的编辑功能创建扩展名为“*.ZPL”文件，该文件置于ZEMAX目录下的Macros目录中；

（2）使用ZEMAX提供的命名或函数库进行程序编写；

（3）用Macros菜单下的“Run/EditZplMacros…”执行宏程序。

宏程序可以提取光线追迹数据、像质指标等，可以定义新的优化设计用的操作符。

执行时，宏程序作用的对象是当前显示的镜头系统。

◆外部程序接口（Extensions）

ZEMAX环境中，使用该接口可以执行外部扩展名为“*.EXE”的执行程序，用来与ZEMAX交换数据，或ZPL宏不能完成的功能。

外部程序可以用C语言等编程工具完成。

◆视窗（Windows）与帮助（Help）菜单

1.4光学系统的建立

1.4.1设计要求

如要设计的系统要求：

f’=200mm，视场角2ω=30º

，D/f’＝1/10。

物距为：

（1）物距位于有限远，近轴放大率为1；

（2）物距位于无限远。

1.4.2初始结构

1.选取方法

初始结构选取方法有二，一是从国内外的光学设计手册，专利，镜头数据库中选取；

如果手中没有以上资源，则需进行计算，找出满足光焦度，视场等光学特性要求得雏形，来作为初始结构。

下面以第二种方法为例，建立起满足特性的初始结构。

2.计算建立初始结构

由总光焦度和视场要求：

至少要有两个组份构成，有总光焦度

（1.1）

设两组分光焦度相等，即，则（1.1）式变为

（1.2）

式（1.2）中为已知量，为未知量，解二次方程可得：

（1.3）

如果使用双凸透镜，且两个凸面曲率半径大小相等，则曲率半径为：

（1.4）

代入设计要求，选择透镜材料为ZF1（nd＝1.64767，vd＝33.87），工作波长为λ＝0.55μm，则初始结构在ZEMAX中的数据为：

表1.1例题的初始结构参数

1.4.3其他光学特性参数输入方法

1．General输入相对孔径

General功能可以由“System”→“General…”选择，还可以通过桌面上“Gen”快捷键来打开，General对话框如图1.2所示。

图1.2General对话框

由图1.2可以看出，General对话框中具有Environment，Polarization，Misc.，Non-Sequential，Aperture，Title/Notes，GlassCatalogs，RayAiming等项。

相对孔径的定义在Aperture中设置。

最常用的选项解释如下：

A.Aperture

ApertureType用于定义相对孔径，即轴上物点的光束大小。

定义的种类有：

（1）EntrancePupilDiameter（入瞳直径）

当物体位于无限远时，可以用它来定义相对孔径，此时的AperValue中输入具体的入瞳直径数值，选择LensUnits为Millimeter（毫米）。

（2）ImageSpaceF/#（像方F数）

无论物体位于无限远还是有限远，都可以用像方F数来定义相对孔径。

其物理意义是“近轴有效焦距（EFFL）/入瞳直径”，此时在AperValue中输入F数。

（3）ObjectSpaceNumericalAperture（物方数值孔径）

当物体位于有限远，可被用来定义相对孔径，其含义为N.A.＝nSin（θ），n为物方介质折射率，θ为高斯边缘光线孔径角，如图1.3所示。

图1.3OblectSpaceN.A.示意图

在AperValue中输入N.A.值。

（4）FloatbyStopSize（由光阑大小决定）

这是定义轴上物点光束孔径的另一种方法，由LensdataEditor中光阑（Stop）面的“Semi-Diameter”大小来决定，此时“LensDataEditor”中的光阑大小值右边显示“U”，表示StopSurface的孔径被用户固定，无法给出Aperture，数值输入栏则自动变暗不能被操作。

（5）ParaxialWorkingF/#（近轴工作F数）

定义式为：

（1.5）

式中为系统像方折射率，θ为高斯边缘像方光线孔径角。

在计算θ过程中，认为系统无像差，按照理想系统的边缘光线追迹方法。

在AperValue中输入F数，注意前面的ImageSpaceF/#区别。

（6）ObjectConeAngle（物方锥角）

亦物方孔径角。

当物体位于有限远，可用轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔径，以物空间边缘光线的半角，即图1.4中的U来定义，单位“度”，可以大于90º

。

图1.4OblectConeAngle定义示意图

B.General对话框中其他功能

（1）ApodizationType（定义光瞳上光强分布）

选项有：

a）None表示光瞳被均匀照明；

b）Gaussian表示光瞳上光振幅扰动为高斯型，即：

（1.6）

其中ρ为光瞳归一化极坐标，G为切趾（Apodization）因子，如果G＝0，表示光瞳被均匀照明，G一般小于40。

c）Tangential表示正切型光瞳振幅分布，即：

（1.7）

其中Z为光瞳面上面元到点光源的距离，r为光瞳面上的位置坐标（离开光轴的距离），如图1.5所示，光瞳中心（轴上）为0，最大值一般被归一化为单位1。

图1.5正切型照明示意图

光振幅，如r采用归一化的坐标，有0<

ρ<

1，H为光瞳半径。

此时为（1.8），其中tanθ＝

（1.8