光学系统设计Zemax初学手册.docx

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光学系统设计Zemax初学手册

光學系統設計（Zemax初學手冊）

蔡長青

ISUAL計畫團隊

國立成功大學物理系

（第一版，1999年7月29日）

內容綱目:

前言

習作一：

單鏡片（Singlet）

習作二：

雙鏡片

習作三：

牛頓望遠鏡

習作四：

Schmidt-Cassegrain和asphericcorrector

習作五：

multi-configurationlaserbeamexpander

習作六：

foldmirrors和coordinatebreaks

習作七：

使用ExtraDateEditor,OptimizationwithBinarySurfaces

前言

　　整個中華衛星二號「紅色精靈」科學酬載計畫，其量測儀器基本上是個光學儀器。

所以光學系統的分析乃至於設計與測試是整個酬載發展重要一環。

　　這份初學手冊提供初學者使用軟體作光學系統設計練習，整個需要Zemax光學系統設計軟體。

它基本上是Zemax使用手冊中tutorial的中文翻譯，由蔡長青同學完成，並在ZemaxE.E.7.0上測試過。

由於蔡長青同學不在參與「紅色精靈」計畫，所以改由黃曉龍同學接手進行校稿與獨立檢驗，整個內容已在ZemaxE.E.8.0版上測試過。

我們希望藉此初學手冊（共有七個習作）與後續更多的習作與文件，使團隊成員對光學系統設計有進一步的掌握。

（陳志隆註）

（回內容綱目）

習作一：

單鏡片（Singlet）

　　你將學到：

啟用Zemax，如何鍵入wavelength，lensdata，產生rayfan，OPD，spotdiagrams，定義thicknesssolve以及variables，執行簡單光學設計最佳化。

　　設想你要設計一個F/4單鏡片在光軸上使用，其focallength為100mm，在可見光譜下，用BK7鏡片來作。

　　首先叫出ZEMAX的lensdataeditor（LDE），什麼是LDE呢？

它是你要的工作場所，譬如你決定要用何種鏡片，幾個鏡片，鏡片的radius，thickness，大小，位置……等。

　　然後選取你要的光，在主選單system下，圈出wavelengths，依喜好鍵入你要的波長，同時可選用不同的波長等。

現在在第一列鍵入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，然後在primarywavelength上點在0.486的位置，primarywavelength主要是用來計算光學系統在近軸光學近似（paraxialoptics，即first-orderoptics）下的幾個主要參數，如focallength，magnification，pupilsizes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/#是什麼呢？

F/#就是光由無限遠入射所形成的effectivefocallengthF跟paraxialentrancepupil的直徑的比值。

所以現在我們需要的aperture就是100/4=25（mm）。

於是從systemmenu上選generaldata，在apervalue上鍵入25，而aperturetype被default為EntrancePupildiameter。

也就是說，entrancepupil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就是發光物，即光源，STO即aperturestop的意思，STO不一定就是光照過來所遇到的第一個透鏡，你在設計一組光學系統時，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這一欄上按滑鼠，可前後加入你要的鏡片，於是STO就不是落在第一個透鏡上了。

而IMA就是imagineplane，即成像平面。

回到我們的singlet，我們需要4個面（surface），於是在STO欄上，選取insertcifter，就在STO後面再插入一個鏡片，編號為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，反之為負值。

而再令第2面鏡的thickness為100。

　　現在你的輸入資料已大致完畢。

你怎麼檢驗你的設計是否達到要求呢？

選analysis中的fans，其中的RayAberration，將會把transverse的rayaberration對pupilcoordinate作圖。

其中rayaberration是以chiefray為參考點計算的。

縱軸為EY的，即是在Y方個的aberration，稱作tangential或者YZplane。

同理X方向的aberration稱為XZplane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，它的輸入變數為curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相關的parameters等。

parameters是用來描述或補足輸入變數solves的型式。

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

而描述chiefrayanglesolves的parameter即為angle，而補足pickupsolves的parameters為surface，scalefactor兩項，所以parameters本身不是solves，要調整的變數才是solves的對象。

　　在surface2欄中的thickness項上點兩下，把solvetype從fixed變成MarginalRayheight，然後OK。

這項調整會把在透鏡邊緣的光在光軸上的height為0，即paraxialfocus。

再次updaterayfan，你可發現defocus已經不見了。

但這是最佳化設計嗎？

再次調整surface1的radius項從fixed變成variable，依次把surface2的radius，及放棄原先的surface2中thickness的MarginalRayheight也變成variable。

再來我們定義一個Meritfunction，什麼是Meritfunction呢？

Meritfunction就是把你理想的光學要求規格定為一個標準（如此例中focallength為100mm），然後Zemax會連續調整你輸入solves中的各種variable,把計算得的值與你訂的標準相減就是Meritfunction值，所以Meritfunction值愈小愈好，挑出最小值時即完成variable設定，理想的Meritfunction值為0。

　　現在談談如何設Meritfunction，Zemax已經default一個內建的meritfunction，它的功能是把RMSwavefronterror減至最低，所以先在editors中選Meritfunction，進入其中的Tools，再按DefaultMeritFunction鍵，再按ok，即我們選用defaultMeritfunction，這還不夠，我們還要規定給meritfunction一個focallength為100的限制，因為若不給此限制則Zemax會發現focallength為時，wavefrontaberration的效果會最好，當然就違反我們的設計要求。

所以在Meritfunctioneditor第1列中往後插入一列，即顯示出第2列，代表surface2，在此列中的type項上鍵入EFFL（effectivefocallength），同列中的target項鍵入100，weight項中定為1。

跳出Meritfunctioneditor，在Tools中選optimization項，按Automatic鍵，完畢後跳出來，此時你已完成設計最佳化。

重新檢驗rayfan，這時maximumaberration已降至200microns。

　　其他檢驗opticalperformance還可以用SpotDiagrams及OPD等。

從Analysis中選spotdiagram中的standard，則該spot大約為400microns上下左右交錯，與Airydiffractiondisk比較而言，後者大約為6microns交錯。

　　而OPD為opticalpathdifference（跟chiefray作比較），亦從Analysis中挑選，從Fans中的OpticalPath，發現其中的aberration大約為20waves，大都focus，並且spherical，spherochromatism及axialcolor。

Zemax另外提供一個決定firstorderchromaticabberation的工具，即thechromaticfocalshiftplot，這是把各種光波的backfocallength跟在paraxial上用primarywavelength計算出firstorder的focallength之間的差異對輸出光波的wavelength作圖，圖中可指出各光波在paraxialfocus上的variation。

從Analysis中Miscellaneous項的ChromaticFocalShift即可叫出。

（回內容綱目）

●習作二：

雙鏡片

　　你將學到：

畫出layouts和fieldcurvatureplots,定義edgethicknesssolves,fieldangles等。

　　一個雙鏡片是由兩片玻璃組成，通常黏在一起，所以他們有相同的curvature。

藉著不同玻璃的dispersion性質，thechromaticaberration可以矯正到firstorder所以剩下的chromaticaberration主要的貢獻為secondorder，於是我們可以期待在看chromaticfocalshiftplot圖時，應該呈現出paraboliccurve的曲線而非一條直線，此乃secondordereffect的結果（當然其中variation的scale跟firstorder比起來必然小很多，應該下降一個order）。

　　跟習作一一樣，我們仍然要設計一個在光軸上成像，focallength為100mm的光學系統，只不過這次我們用兩塊玻璃來設計。

　　選用BK7和SF1兩種鏡片，wavelength和aperture如同習作一所設，既然是doublet，你只要在習作一的LDE上再加入一面鏡片即可。

所以叫出習作一的LDE，在STO後再插入一個鏡片，標示為2，或者你也可以在STO前在插入一面鏡片標示為1，然後在該鏡片上的surfacetype上用滑鼠按一下，然後選擇MakeSurfaceStop，則此地一面鏡就變成STO的位置。

在第一、第二面鏡片上的Glass項目鍵入BK7即SF1，因為在BK7和SF1之間並沒有空隙，所以此doublet為相黏的二鏡片，如果