Zemax软件在光学设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Zemax在光学设计中的应用,2015.11,1,内容提要：,常用光学设计软件简介,Zemax 用户界面,、,功能模块探究,基本像差分析及像质评价,默认评价函数设定规则,、,优化操作数详解,单透镜优化设计实例,2,一.光学设计软件简介,成像光学设计：Code V、OSLO、Zemax、 SIGMA、 LensView、SOD88、CIOES(长光),照明光学设计：ASAP、TracePro、LightTool、ProSource、ODIS(浙大),光学薄膜设计：TFCalc,激光腔体设计：LASCAD,光电器件设计：OPTISYS_DESIGN 、 BPM_CAD 、OPTIAMP_DESIGN 、FIBER_CAD 、HS_DESIGN 、FDTD_CAD 、WDM_Phasar 、 IFO_GRATINGS,3,ZEMAX,Zemax是美国zemax公司设计的专用光学设计软件包,可实现序列和非序列分析,用于光学组件设计及照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、绕射等光学模型,分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG等，也可存成文字文件*.txt,4,优化：表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用,公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义,报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件,功能不及Code V、OSLO，但其简单易学，价格便宜，在国内用得比较广泛,5,Code V,美国Optical Research Associates推出的大型光学设计软件,适用于各种序列及非序列光学系统，广泛用于照相系统、光谱仪器、空间光学系统、激光扫描系统、全息平显系统、红外成像系统、紫外光刻系统等等,6,ASAP,功能强大，已成为工业界标准的光学设计软件,用于仿真汽车车灯光学系统、生物光学系统、相干光学系统、屏幕展示系统、光学成像系统、光导管系统、照明系统及医学仪器,是一个联结了几何光学和物理光学的全方位3D光学及机械系统的模型建立软件,可处理各种光学仿真分析，包括散射效应、衍射效应、反射效应、折射效应、光吸收效应、偏极光效应和高斯光速传导之模拟分析,7,TracePro,普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析的光线仿真软件,应用领域：照明、导光管、薄膜光学、光机设计、杂散光分析、激光泵浦、背光模组、投影系统、汽车照明系统等等,处理复杂几何的能力，以定义和跟踪数百万条光线,图形显示、可视化操作、提供3D实体模型,可以导出主流CAD软件和镜头设计软件的数据格式,8,LightTool,美国ORA公司研发的三维照明仿真软件,光机一体化设计：光学和机械元件的形状的描述可通过软件提供的基本实体模型实现。遮光罩、镜筒和产品结构的设计将得益于这种光机一体的考虑方法和非顺序光线追迹提供的大量信息,复杂光路设置 ： LightTools使多光路或折叠光路系统、带有棱镜或复杂曲面的系统的光路设置和视觉建模验证变得简洁。有了LightTools，设计人员完全可以摒弃过去为了简化问题而采用的一些传统技巧，如符号规则、用多通道定义模拟变焦功能、把反射镜和棱镜展开成平板、略去非光学面和机械结构的影响、人为简化光瞳形状，等等,9,杂光分析：非序列光线追迹功能可以直观地描述在系统中任意表面上或介质中发生的任何光学现象，如折射、反射、全反射、散射、多级衍射、振幅分割、光能损耗、材料吸收等，并根据需要自动实时衍生出多路光路分支。,照明系统设计分析：LightTools中可以精确地定义各种实际光源（如发光二极管、白炽灯、弧光 灯、卤素灯等）的形状和发光特性，其计算结果与实际测量结果精确吻合。对非人眼接收的照明系统，可以把结果转换成辐射度单位。计算结果的输出形式可以是二维线图、等高线图、灰度 图、伪彩色图或三维分布图。,应用实例：投影系统、平板显示器、仪表盘照明、内窥镜照明、报警灯、汽车前灯、车厢内部照明、指示牌照明等等,10,二. ZEMAX概述,ZEMAX能做什么？,ZEMAX是一个程序，它能够建模、分析以及辅助设计光学系统,ZEMAX不能做什么？,ZEMAX只是一个工具，它不能教会你如何设计镜头和光学系统，使用工具的你才是设计师；ZEMAX不能取代工程实践，设计师的责任是检查ZEMAX模拟结果的合理性与可行性,11,ZEMAX是什么？,ZEMAX是用光线追迹的方法模拟折射、反射和衍射的序列及非序列光学系统的透镜设计程序。,ZEMAX用“面”的概念模拟序列光线追迹，用“组件”或“物体”的概念模拟非序列光线追迹。,序列和非序列光线追迹有着本质的区别，ZEMAX中可以使用三种光线追迹方式：,(1)纯序列模式,用于传统透镜及多数成像系统设计,(2)混合模式,12,适于系统中有重要的序列端口和一些非序列元件 (如 棱镜、管道等),(3)纯非序列模式,适于照明、散射、杂散光分析以及不需要端口的模型,序列光线追迹,是指,：光线从物面发出(通常是0面)，然后顺序地通过第一面、第二面，直到像面为止。因此光线是可逆的。,非序列光线追迹,光线按实际中传输过程向前传输，一条光线可能因折射、反射、散射、衍射变为多条光线,13,SamplesNon-sequentialRay splittingBeam splitter.zmx,14,ZEMAX在设计中考虑及忽略的是什么？,ZEMAX中考虑的是：精确的光程；反射和折射；光程差和相位；像差和图像形态；偏振；薄膜的透过率和吸收率；散射；静态分光,ZEMAX中忽略的是：透镜边缘的衍射（用物理光学计算除外）,15,三ZEMAX的用户界面,ZEMAX是Windows平台上的视窗式用户界面，视窗的操作习惯与Windows平台相同，快捷键风格也与Windows相同,3.1 ZEMAX的视窗类型,ZEMAX主要有五种视窗：,主视窗(The main Window),主视窗是执行ZEMAX任务的控制中心，它包含了菜单栏、工具栏、标题栏等,16,编辑视窗(Editor Window),ZEMAX中具有六种不同的编辑器：镜头数据编辑器(Lens Data Editor)、评价函数编辑器(Merit Function Editor)、多重结构编辑器(Multi-configuration Editor)、公差数据编辑器(Tolerance Data Editor)、用于补充光学面数据的附加数据编辑器(Extra Data Editor)、无序元件编辑器(Non-Sequential Components Editor),图形视窗(Graphic Windows),主要有设计草图(Layout)、光线扇形图(Ray fans)、调制传递函数图(MTF Plots)、点列图(Spot Diagrams)等。,文本视窗(Text Windows),文本视窗用于显示文字资料，如详细数据、象差数据等,17,对话框(Diglogs),对话框是一种固定大小的跳出视窗(即不能用鼠标拖动变大或变小)。主要用于定义或更新视场(Fields)、波长（Wavelengths）、孔径（Apertures）、面型（Surface types）等,3.2 主视窗的操作,主视窗是ZEMAX打开后的弹出窗口，顶部有标题栏、菜单栏、快捷按钮，底部状态栏中有当前镜头的焦距（EFFL）、F数（WFNO）、入瞳直径（ENPD）、总长（TOTR）。,18,标题栏,菜单栏,工具栏,信息区,19,主视窗中快捷按钮和状态栏内容可以由用户重新定义。菜单栏有：,文件（File）：,用于镜头文件的打开(Open)、新建(New)、存储(Save)、重命名(Save as)等，其中Use Session Files(使用场景文件)在打开一个新文件时，新的窗口会在其原始位置打开；Preferences允许用户设置窗口中文字大小，快捷键，状态栏内容等等；,20,编辑器（Editors）：,是ZEMAX中所有编辑器打开或唤醒的汇总。通过该菜单可打开或唤醒Lens data editor、Merit function editor等。,系统（System）：,用于更新或定义光学系统的光学特性数据，如相对孔径、视场与工作波长范围等等,分析（Analysis）：,是ZEMAX中重要菜单之一，是象质评价与分析的主要工具。,21,工具（Tools）：,也是ZEMAX的重要菜单之一，用于镜头的优化、玻璃库的管理、公差分析、样板测试等等,报告（Report）：,用于形成镜头设计结果的报告,宏编程（Micros）：,用于执行已编译的宏程序。宏程序可以提取光线追迹数据、象质指标等，也可以定义新的优化设计用操作符等，执行时，宏程序作用的对象，是当前的镜头系统,22,外部程序接口(Extensions)：,在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，用于与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),23,四. 光学系统建立举例,4.1 设计要求,拟设计光学系统具有：,物距为无限远,4.2 分析：,24,25,设计要求给出了系统焦距(50mm)，视场角，相对孔径，无其它特殊要求,初始结构确定：,(1)用单透镜结构，并设光阑面与透镜第一面重合，因此系统需要四个面(物面、透镜前后面、像面)。(2)设透镜为双凸透镜，且两个曲率半径大小相等，则曲率半径可由：,算出。代入设计要求，选透镜材料为BK7(,)，则半径为51.68，取透镜厚度为6mm，则初始结构在ZEMAX中的数据为：,26,其它光学特性参数的输入方法,General 输入相对孔径,General功能可以由“SystemGeneral”选取，也可以由桌面上“Gen”快捷键来打开，打开后的General对话框如下图所示。,27,General对话框中，具有Aperture、Glass Catalog、Misc.等等选项。相对孔径的定义在Aperture中完成。下面对一些常用选项作一些说明。,Aperture中：,Aperture type用于定义相对孔径，即轴上物点光束大小。定义的种类有：,（1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）,当物体位于无限远时，可以选择它来定义相对孔径,（2）Image Space F/#（像方F数）,物体无论位于无限远，还是有限远，都可以用像方F数定义相对孔径，定义为：f/# =EFL / EPD=EFL / (2y),（3）Paraxial Working F/#（近轴工作数）,定义为f/# =1 / (2tanU),F,U,U,y,只有当物在无限远时，像方F数才与近轴F数相等,28,另外，在系统中还有一个Working F/#(工作数)，定义为f/# =1 / (2sinU)，从定义可看出三个“数”之间的差别。,（4）Object Space NA（物方数值孔径）,当物位于有限远时，可用之定义相对孔径，其含义为NA=nSin(,)，n为物方介质折射率，,为高斯边缘光线孔径角。,（5）Float by stop size（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，即由LDE中STOP面的“Smi-diameter”大小来决定，此时LDE中STOP的半宽右边显示“U”，表示Stop Surface的孔径被固定。,（6）Object Cone Angle（物方锥角）,当物体位于有限远时，可用轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔，其值为物空间边缘光线的半角，单位度，可大于90度,U,29,General对话框中其他功能,(1)Apodization Type(定义光瞳上光强分布),选项：Uniform表示光瞳被均匀照明；Gaussian表示光瞳上光振幅扰动为高斯型，即： ；Cosin cubed表示光瞳上光分布为余弦型,(2)Glass Catalogs(玻璃库),ZEMAX提供了德国Schott、日本Hoya、美国Corning等玻璃生产厂商的玻璃库，还有红外、塑料材料（PMMA）、双折射材料等内建玻璃库。,2.,Fields对话框中定义视场,通过SystemFields可以打开视场定义对话框，该对话框中首先给出了视场种类定义的四个选项：角度（视场角）、物高、近轴像高、实际像高；接着给出了最多为12的视场序号，即最多可定义12个视场，X-Field与Y-Field同时选用时，适用于非旋转对称光学系统，对于旋转对称系统，一般仅在Y-Field栏中输入数据，定义子午面内的视场。Weight用于定义各个视场的权重。对于大视场光学系统，要考虑渐晕现象，由渐晕系数描述。,3. Wavelengths定义镜头工作波长,30,通过SystemWavelengths打开波长对话框，可以定义最多24个波长，波长单位为微米。典型波长的数据已经存储在对话框中，可以用Select选用。其中“Primary”定义的是主波长，用来考虑镜头系统的单色像差。,4. 本例中的光学特性数据输入方法,（1）定义像方工作数(Image Space F/#)为5，选择System General Aperture Image Space F/#，在Aper Value中输入5；,（2）定义半视场0、7.07、10，选择System Fields 在对话框中，选用1、2、3视场序号，输入Y-Field分别为0、7.07、10，不定义权重与渐晕因子等。,对场点选择的原则：,（3）定义波长。,（4）定义物距。,参数定义完后有效焦距并不等于50mm，这主要是由于透镜的厚度在ZEMAX中被考虑进去了，可以通过优化设计保证焦距达到要求。另外，焦点位置还没有确定，可用求解的方法确定，右击面2的Thickness Marginal Ray Height OK,31,在焦点位置，边缘光线的高度为0；对于近轴区域，光瞳高度对焦点位无影响，因此取0。取其它值时表示实际光线。,32,五. 基本像差分析及像质评价,前面介绍了在ZEMAX中如何输入一个光学系统，但这只是一个初始结构，其性能如何，要通过ZEMAX的像质评价功能对其进行评价。像质评价功能贯穿于光学设计的中间过程与最终设计环节之中。下面我们选取主要的像质评价指标，说明这些指标的具体含义。,Fans,光学中的Fans即光扇图，是与光学设计中的子午面和弧矢面的光线结构相对应的。由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内形成子午扇形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可统称为Fans。因此，Fans描述的是子午与弧矢两个截面内的像差曲线图。,Ray Aberration,描述几何像差的垂轴表示法曲线，它为Fields对话框中定义的每一个视场绘,33,制出像面(XOY平面)上X分量像差(X aberration)和Y分量像差(Y aberration)随光线孔径高之间的变化曲线。通常X aberration用EX表示， Y aberration用EY表示，光线孔径高用PX、PY(归一化值)表示。其作图原理见下图。,由Ray aberration图可以看出几何像差存在时的综合弥散情况，还可以看出其他独立几何像差的大小，如由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差，诸如球差、场曲、离焦的大小；由曲线边缘孔径(1.0)处的Y aberration之和，能够反映彗差的大小；如果工作波长是一光谱段，则非主波长的曲线与EY轴的交点之差反映了垂轴色差的大小，随着视场的变化，可以看出垂轴色差的变化，等等。,34,35,Spot Diagrams（几何点列图）,Ray aberration仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，点列图则能反映任一物点发出充满入瞳的光锥在像面上的交点弥散情况。,点列图通常以主光线与像面交点为原点进行量化计算点列图的弥散情况，ZEMAX在此基础上还给出了以虚拟的“质心”、“平均”为原点的量化点列图。,使用点列图评价像质，除了观看点列图形状外，通常还要使用两个指标，即RMS Radius与GEO Radius，前者表示点列图中大多数点的分布范围，即集中的弥散半径，后者表示点列图弥散的实际几何半径。,由点列图的图案及其大小也可以估算独立几何像差的大小。,36,仅有离焦像差时的点列图及光扇图,仅有球差像差时的点列图及光扇图,37,彗差,像散,38,MTF,MTF是目前使用比较普遍的一种像质评价指标，称为调制传递函数。曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为lp/mm，纵轴表示对这些线对分辨的调制度。低频部分反映物体轮廓传递情形；中频部分反映光学物体层次传递情况；高频部分反映物体细节传递情况。,对于目视系统：MTF0.05；对于摄录系统：MTF0.15,用MTF评价像质时要注意,：（1）对每一种镜头系统，要根据物面物征、探测器象素与响应情况，确定评价时的特征频率和对比度阈值；（2）查看MTF数值时，要看多色MTF在每一视场处的子午和弧矢传函曲线，还要查看每一波长下每一个视场处的子午和弧矢单色传函曲线；（3）MTF值跟波像差、点列图一样，只反映成像清晰度，不反映变形，所以要检查物像相似程度，还要看畸变曲线。,39,单透镜设计实验,40,例：35mm照相物镜的要求：EFL=75mm，F/3，决定合适的视场角，波长F,d,C,内部光阑，初始结构玻璃用SK4和F2，玻璃最小边缘/中心厚度：3mm，玻璃最大中心厚度：15mm，空气间隙最小边缘/中心厚：0.5mm，最大空气间隙：100mm。要求：边缘视场MTF在30lp/mm达50%，在50lp/mm达20%。,设计时我们以SamplesShort coursesc_dblgauss1作为初始结构。,在这个结构中，系统的入瞳已经满足要求，EPD=EFFL / F#=75mm/3=25mm，但其视场与波长与我们的要求不同，需要设定,41,视场：35mm相机的胶片是一个矩形，长宽为36mmx24mm，对角线长43.2mm,设计时为了保证边缘的像质，像高取得略大一些，如21.7mm，我们用近轴像高定义视场，选四个场点：0、12.6、17.8、21.7，如下图,波长选用F, d, C,此时初始结构就定好了，但其像质很差，我们需要从这个结构出发设计符合要求的结果。虽然最终结果是以MTF来评价的，但我们的优化可以从默认优化函数开始。,42,构建Merit Function(评价函数)，Editors Merit Function，然后选ToolsDefault Merit Function，设置如下：,优化设计过程：,Rings,Arms,43,点击OK，得到的评价函数为：,44,设置变量：将面1-5，7-10的Radius，以及1-11的Thickness设为变量。右击然后选Variable或用快捷键Ctrl+Z，结果如图：,开始优化：ToolsOptimizationOptimization或工具栏中的Opt按钮,一段时间后其Ray aberration及Spot diagrams如下图，像差仍然存在，而且的MTF没在达到要求，这时要换另一种优化方式,45,46,优化操作的第二步：波前优化，设置如图,47,用波前差作为评价标准的评价函数为：,48,优化后可以发现波前像差下降了2倍,49,此时其MTF的性能如何呢？,打开一个几何MTF（因为其点列图还没达到衍射极限，衍射MTF的误差较大），AnalysisMTFGeometric MTF，然后改变其设置，选Max Frequency=50，Field：4,其平均响应在30lp/mm约为28%，在50lp/mm约为17%，不符设计要求，还要用MTF进行优化,在MTF图中，T表示子午面，S表示弧矢面,50,设置的MTF优化评价函数，其中GMTA为“平均几何MTF”操作数，OPGT为“大于”操作数,51,优化后MTF可以达到要求,52,上述操作是通过ZEMAX内建的评价函数进行优化操作的，我们也可以自建评价函数来校正像差。,例：设计一望远镜物镜，焦距,f,=250mm,，通光孔径 D=40mm，视场角,2,=6,，入瞳与物镜重合，物镜后棱镜系统的总厚为150mm。,要求：,这里 分别指的是轴向球差、彗差、0.707h的轴向色差，这些在ZEMAX中没有专门的像差控制操作，需要自已设置。,由于该设计的相对孔径较小，视场不大，因此可以采用简单的双胶合物镜，选择的初始结构如下：,53,系统入瞳为40mm，视场选0、2.1、3度，波长选F, d, C。其结构如图，棱镜已展开。,54,55,球差控制,由,TRAY,得到；,由,RAGC ( Py =1.0 ),ACOS,TANG,得到；,由DIVI比值得到,TRAY,：Y面内（子午面）的垂轴几何像差；,RAGC,：全局光线z方向余弦值,ACOS,：反余弦值，控制参数FLAG=1单位为度，FLAG=0为,弧度,TANG,：,正切值,56,正弦差控制,由垂轴几何像差,TRAY,（Hy=1.0, Px=1.0）得到；,由,PIMH,得到；,得到,PIMH,:指定波长在近轴像平面上的近轴像高,57,控制轴向色差,TRAY（wav=1, Py=0.7071);,TRAY (wav=3, Py=0.7071);,DIVI TRAY(wav=1, Py=0.7071) / tan,(wav=2);,DIVI TRAY(wav=3, Py=0.7071) / tan,(wav=2);,DIFF;,DIVI：两个操作数结果的商；,DIFF：两个操作数结果的差；,PROD：两个操作数之积；,CONS：定义一个常数,58,设置的控制操作数如下：,59,将双胶合透镜的曲率半径设为变量，调整控制参数的权重，为了更好地控制球差，也可加入0.7071h处的控制参数，通过更换玻璃达到设计要求,自建评价函数与默认评价函数的比较,例：自由空间光通信中光学天线的设计,说明：自由空间光通信是一种定向的点对点通信，其中光学天线相当于一物镜系统，对于接收端光学天线，其光学特点为：入瞳直径大、具有一定的视场、相对孔径大、工作波长通常为近红外，要求结构尽量简单以增加透过率。,像质评价时应尽量减少弥散团圆，光学分辨率与光电探测器分辨率要匹配；像差校正时，要考虑校正球差、彗差、场曲、像散，还要校正色差。,60,设计要求,设计一接收用光学天线，满足：焦距 f=60mm， D / f=1 / 1.2，视场角2w = 0.1，激光波长：0.85um，激光波长漂移：0.82-0.88um。,光学特性特点与像差校正要求,根据设计要求，该天线属于一大相对孔径光学系统，视场与后续的光纤直径相当，属小视场光学系统，可以采用望远物镜或照相物镜形式，工作波长为近红外，波长带宽比较小，为保证足够透过率，天线片数要少，玻璃可选无色光学玻璃材料。,像差校正主要集中在轴上点的单色像差及高级像差，色差估计不大，像质评价可以采用弥散圆与MTF指标。,初始结构的选择,此处我们选的初始结构参数如下：,61,62,此例的主要光学特性为：f=59.8，D/ f=1/1.23，物位于无限远。,以下是输入参数的具体操作过程：,（1）在透镜数据编辑器中输入上表中的半径、厚度、玻璃材料数据，孔径光阑放在第,1,个光学面上，第,8,面到,Image,的距离可以取为近轴像距，即用,Marginal Ray Height,求解，,Height,和,Pupil Zone,均为零，表示近轴。,（2）设置孔径，点,Gen,图标，,Aperture Type,选,Entrance Pupil Diameter,，,Aperture Value,为,48,。,63,（3）设置视场：点,Fie,图标，在视场输入对话框中，选择,Angle,，在,Y-Field,框中加入两个视场,0,和,0.05,，权重均设为,1,。,（4）设置波长：点,Wav,图标，输入三个波长,0.82,、,0.85,、,0.88,，同时选择主波长（,Primary,）为,0.85,，权重均设为,1,。,到这一步，我们的初始结构就建立完成了。其结构参数如下图：,64,初始结构点列图的大小在177um，光学传函（MTF）也很差，需要进行优化，改善像质。,65,优化设计,该结构形式可以用做变量的数据有：8个曲率半径，6个空气间隔，必要时还可以将玻璃作为变量。要校正的像差有6个，即球差、轴向色差、正弦差、高级球差、色球差、高级彗差，同时需控制焦距。由于其可用于变量的参数个数比要校正的像差个数多，因此该系统具有很好的校正像差的能力。,先只用8个曲率半径作为变量,。,（1）使用ZEMAX的缺省评价函数进行优化,在,Editors Merit Function,打开评价函数编辑器，选用,ToolsDefault Merit Function Spot Radius Ring=6，,再在第一行前插入,5,行，第一行输入,EFFL,返回焦距值，第二、三行输入,OPLT,、,OPGT,控制焦距范围；第四行输入,TTHI,返回系统总长，第五行输入,OPLT,控制系统总长,66,67,68,优化后得到的点列图与MTF图，像质已基本符合要求，RMS Radius在,7,um，MTF在50lp/mm处达,45%,69,（2）自建独立几何像差评价函数优化,如前所述，要校正的像差有6个：,球差、轴向色差、正弦差、高级球差、色球差、高级彗差，符号如下：,高级球差的定义：,高级彗差的定义：,色球差的定义：,70,评价函数如下：,71,72,73,优化结果：点图大小在10um，MTF接近30%。,74,六 坐标断点、棱镜的设计,有时我们设计的系统要求表面倾斜或偏心，这时我们就需要用到坐标断点的概念来实现，比如我们要设计如下的棱镜转折系统。,75,设计过程：,假定入瞳大小为25mm，位于第一面上，视场及波长用默认值。,输入透镜的参数：曲率半径100，-100；面1厚4mm，面2厚30；玻璃BK7,插入面3，该面为棱镜的第一面，为平面，曲率半径为INF；厚12.5mm；BK7；由于形状为方形还需对其进行设置。在面3的面型(Standard)上右击，选Aperture Aperture Type Rectangular Aperture X-Half Width/Y-Half Width 12.5,将面3的通光口径类型设为矩形,76,棱镜的后表面倾斜了45度，为反射面，因此需要加入坐标断点。坐标断点面只对它后面的各面产生作用，为了使棱镜的后表面倾斜，坐标断点面应加在其前，为第四面。右击面4的面型，选TypeSurface TypeCoordinate Break,坐标断点面的厚为0，因为它作用于棱镜的后表面，与棱镜后表面重合。在面4的Tilt about X输入-45，表明倾斜45度,坐标断点面后的面5为棱镜后表面，半径INF；厚度0；玻璃MIRROR；通光口径类型与面3类似，只是Y-Half Width设为17.7,为了使光线经过面5后发生90度的转折，需要再加入一个坐标断点面，序号为6，设置与面4的设置类似，只是厚度设为-12.5(到棱镜下表面的距离),77,面7为棱镜下表面，通光口径与面3相同。整个设置如下图：,注意：坐标断点面通常是成对出现，且其后的厚度及曲率的符号会改变，通常的规则是奇数对坐标断点后的符号改变，偶数对后的符号不变(相对于没有坐标断点时情形),78,涉及到棱镜等形状复杂的成像系统时，更好的方法是使用混合模式，即将棱镜等多面体作为非序列元件，用POB文件定义其形状，这样更简洁些。如下面的分光棱镜：,79,这是上述分光棱镜的透镜编辑表，可以看出这里没有用坐标断点，而是用的非序列元件,80,七. 温度分析、多重结构、无热设计,温度及压力的变化会引起玻璃的折射率、曲率半径、厚度的变化，这些参数的变化将引起成像质量的波动，因此需要对设计好的结构进行温度和压力分析，分析中用到的方法是多重结构，设计不受温度影响的结构就是无热设计,下面以SamplesShort Coursesc_temp1为例说明热分析过程,首先查看一下BK7玻璃的折射率数据(Analysis Glass and Gradient Index Dispersion Diagram Text , 选BK7玻璃),标态下（20，1个大气压）BK7在波长0.486um的折射率为1.5223859，注意sc_temp1的EFL为100，且有一个为求解近轴焦点位置的面4,先来看看在真空中透镜有什么变化，选SystemGeneralEnvironment,将“Use Temperature, Pressure”选中，注意其默认值是20, 1，此时折射率、后焦点、有效焦距都没有变化,然后将ATM改为0，此时后焦点位置变了，而且EFL下降了约0.1%。这就说明了压力对透镜的影响。,81,再让我们看看温度变化的情况，先将压力设为1个大气压。然后用MCE定义两种结构，每种结构对应一个温度。有两种方法实现：,方法1：,增加第二种结构(Editors Muti-Configuration Edit Insert Config),增加七个操作数(TEMP、3个CRVT(1, 2, 3)、3个THIC(1, 2, 3),设置TEMP 1为20，TEMP 2为100,对结构2的2-7操作数增加“Thermal Pick Up”,82,方法2（用Make Thermal）：,在MCE Tools Make Single Config，先将方法1设置的结构清除,然后选Tools Auto Thermal，将Number of thermal configuration设为1；Min Temp：100；Max Temp：100,假设透镜支架为铝材，其热膨胀系数为23.5010-6，在LDE中的面3的TCE中加入23.5,83,用Ctrl+A在两种之间转换，查看参数变化情况。EFL、Radii、Thickness都有变化。,进行热性能分析，在分析之前要固定像面，因此将面4删除。用Ctrl+A查看两种结构的点图与光程图，可以发现：点图的RMS在3与11之间变化,84,而OPD在0.5、2波长之间变化,85,无热设计方法,：（1）重新优化透镜，使其在各个结构之间平衡；（2）用热膨胀系数更好的材料；（3）用更好的玻璃,（1）重新优化设计,打开评价函数编辑表(F6)，Default MF RMS, wavefront, centroid，不用边界控制，得到两个结构的MF，值为0.314。在CONF 1中的DMFS前插入EFFL，Target 100, weight 1，然后在MCE中定义config 1的3个CRVT为变量,86,优化，MF下降到0.19，OPD在1个波长，说明温度的变化已经得到了一些平衡。,（2）选用膨胀系数小的材料,将面3的TCE设为变量，优化，MF下降到0.059，结构1与结构2的OPD几乎相同，在半个波长内。,此时TCE变为3.5610-6：因此镜筒用硅(3.5010-6)或复合材料能得到更好的设计。,（3）使用热膨胀系数相近的玻璃,用热膨胀系数相近的玻璃也可改善热影响。先将面3的TCE改回23.5，并设其为不变。在评价函数中加入两个GTCE，分别对应一种玻璃，用DIFF控制其差值，然后再在MCE的结构1中将玻璃设为“Substitute”，使用全局优化或锤形工具(Hammer)寻找玻璃。,87,88,八. 样板测试、公差分析,设计一个光学系统，仅仅满足所有的性能指标还不算完成了设计，设计者还要考虑如何使成本最低，还要考虑所有影响光学系统质量的因素。前者要求设计者尽量使用已有的系统和元件，或者设计的元件其曲率是工厂现有能力能够加工的(样板测试) ；后者要求设计者进行公差分析。,本节以一个例子来说明。,设计一个定焦数码镜头，技术指标如下：,镜头用13片的玻璃或塑料制作,图像传感器(CCD)指标,像素：640X480，像元：7.4umX7.4um，成像面积：3.55X4.74mm,2,(对角线长6mm),物镜,定焦，焦距6.0mm，畸变 90% (中心) 85% (边缘),51 lp/mm 30% (中心) 25% (边缘),渐晕：中心相对照度 60 %,89,分析：EFL=6mm，像高y=3mm，因此无限远入射光线的半视场角为,Semi-FOV=arctan( y/ f)=arctan(0.5) =26.5,CCD的特征频率为1/ (2 * 0.0074)=67.6 lp/mm,设计时从已有专利中选取初始结构(选时f数取小点而场角取大点)，另命名为MyDigital_1.zmx，其FOV=26.5，F/# = 3.5，EFL=0.95,将其焦距缩放到要求的6mm：Tools Miscellaneous Make Focal，填入希望的焦距6。,对初始结构进行分析：,一般要求(,F/#、EFL,、像高等)：,Reports System Data,畸变：,Analysis Miscellaneous Field Curv/Dist,锐度：Analysis MTF FFT MTF,渐晕/照度：,Analysis,Illumination Relative Illumination,初步分析该透镜似乎已经很好了，但是观察一下各个透镜的大小及厚度，这些透镜的厚度相对于它们的大小太小了，另外，所有的玻璃都是以模型给出的，还要将其替换为实际玻璃。下面就对其进行优化设计。,90,将各个透镜的半径及厚度设为变量，玻璃设为替代(此时右边有S标计),边界条件控制：,Glass：0.9、1.6、0.8,Air：0.1、10、0.025,GCOS：0 GCOS Optimization Hammer Opti,注意：使用锤形工具优化时要选择Hammer，如果选项Auto DLS就只是用最小二乘法优法，玻璃不能被替换。结果MyDigital_1_3.zmx,对结果进行分析：F/# =3.5，实际像高：2.93，近轴像高2.99，EFL=5.99998,这些都符合要求,畸变 Test Plates Test Plate Fitting，其对话框如下：,95,：用于选择不同的样板列表。通常一个文件就是一个厂家提供的半径样板,Method of Fit：套样板的方法。,(1)Try all Method: 偿试下述所有的方法，使用可以产生最小评价函数的方法,(2)Best to Worst：首先用最接近的曲率半径套样板，最常用的方法,(3)Worst to Best：首先用最不接近的曲率半径套样板,(4)Long to Short：首先用最大的曲率半径套样板,(5)Short to Long：首先用最小的曲率半径套样板,在套样板过程中，如果与某一半径最匹配的样板半径被替代进来作为实际曲率半径，则该半径的可变性被去掉，镜头将再次被优化，优化使用的是当前的评价函数。,我们选用 LIEBMANN.TPD文件作为样板文件，方法用Try All Method，这样可以看出不同方法之间的差异，同时也可找出最适宜的方法。,96,套样板后将产生一个文本，里面记录了套样板的顺序、样板ID、新旧半径值、套样板后的MF值及其改变量。通常MF值改变越小、最终MF值越小结果越好。,97,套样板后要检查各项指标有无异常，有些半径可能厂家没有相应的样板，这时要么自已设定样板，要么重新设计。,半径固定之后，就需要固定玻璃厚度和空气间隙，原则上是先固定玻璃厚度然后再固定空气间隙，先固定变化最小的厚度。并且每固定一个厚度都要重新优化，MF值不能有显著的上涨。通常保留一到两位小数。结果为MyDigital_Testplate.zmx。使用的评价函数及结果如下：,98,下面看看各种指标：MTF、畸变、相对照度、圈入能量,99,畸变小于1%，MTF满足要求,100,相对照度大于60%，在一个像素内(7.4umx7.4um)，圈入能量大于85%,101,系统参数：,102,公差分析：,没有公差的系统是无法生产、无法装配的，因此在做公差分析之前，设计仍没有完成。,最好的设计并不是那些完好满足设计要求的设计，而是能够被,装配,成完好满足设计要求的设计。,误差的来源：制造、装配、材料、环境因素、设计中的残余误差。由于各种误差的存在，因此设计时的技术指标必须比设计要求高，要留有足够的余量,公差分析的步骤：1）为镜头定义一组适当的公差；2）修改默认的公差值或加入新值以适合系统的需要；3）添加补偿器，并设定补偿器的允许范围，默认为后焦距；4）选择适当的评价标准，如RMS点图半径、波前差、MTF或视轴误差等；5）选技适当的分析模式，敏感分析或反敏感分析；6）执行公差分析；7）检验由公差分析产生的数据，考虑公差平衡。如果需要，修订公差值并重复进行分析。,103,常见的公差参数范围：,104,下面就对前面结果MyDigital_Testplate.zmx进行公差分析。,点击 Editors Tolerance Data Tools Default Tolerances，弹出如下对话框。选择需要的公差，并设定其公差值，点击OK。然后将第二行的波长改为我们在Wav中设定的参考波长。下面对该对话框的内容作一些简要的说明。,105,在该对话框中，左边是表面公差，右边是元件公差。Fringes是指由在测试波长处能量的光圈来指定，该公差只能被放在那些有光能的表面上，这样就排除了两边有相同折射率的虚拟面。如果表面是一个平面，则默认公差值被指定为一个以光圈表示的变化量，即使选择了其它选项也是这样。,S+A不规则度：如果选中，将在每个标准面型上指定一个球形和像散不规则度。,Zern不规则度：如果选中，将在每个标准面型上指定一个泽尼克不规则度。,Start At Row：指出默认公差放在公差数据编辑器中的哪个地方。如果行号大于1，那就从指定的行号开始附加新的默认公差。,Use Focus Comp：使用聚焦补偿器。如果选中，则将定义一个默认后焦距补偿器。使用补偿器可以大大缓解某些公差。补偿器的使用要根据具体情况来定。,选用默认的公差后还可根据需要其它定义补偿器：在公差编辑器中插入操作数COMP定义补偿器，其中Code=0补偿器为厚度；Code=1补偿器为曲率半径；Code=2补偿器为圆锥曲线,106,公差定义完后，接下来就是执行公差分析。但在执行公差分析之前还需作一些准备工作。,将所有变量及解都移除。因为公差分析时不能改变原设计,打开场编辑对话框，添加-Y方向的场点。因为偏心或倾斜使结构已不对称。同时由于我们最终结果是以MTF来评价的，因此暂时先只取边界场点，使公差首先满足边界MTF，然后再考虑所得公差能否满足中心视场要求，如果不满足，对公差进行缩紧。,打开两个MTF图，使其分别对应一个视场，频率设置为51,107,选择 Tools Tolerancing Tolerancing，打开公差分析对话框,对话框各项的意义如下：,Mode有四种：Sensitivity计算,每一个公差极值对评价标准的,改变；Inverse Limit计算每一公,差值，该公差值产生一个与极,值参数指定值相等的评价函数；,Inverse Increment计算每一公,差值，该公差会产生一个等于,增量值的评价标准的改变量；,Skip Sensitivity忽略敏感度分,析，直接进行蒙特卡罗分析。,需注意的是：极值或增量是使,每一个公差达到指定的值，而,不是使整体公差达到指定值。,108,Increment(增量)：当Mode选Inverse limit或Inverse Increment被激活，可输入要求的极值或改变量，点击“?“可查询当前评价标准(Criteria)的值。,#Monte Carlo Runs：蒙特卡罗运行次数。此操作用Statistics指定的统计分布随机分析运行次数指定的数量的镜头，这些镜头是符合指定公差的。该操作模拟了实际生产装配中各种公差对镜头的影响，利用它可以估计成品率。,Save Monte Carlo Runs：保存蒙特卡罗分析结果的个数。,Criteria：指定公差评价标准。应根据需要选用合适的评价标准。,Sampling：采样率。数值越大计算越准确，计算速度越慢。,Comp：评估补偿器，Paraxial Focus只考虑近轴后焦点的误差，计算速度快，但不如Optimize All精确。,Fields：视场，通常用于优化和分析的视场对于公差是不适合的。当使用渐晕因子、分析多重结构时推荐使用User Defined,Script：用户用脚本语言定义的评价标准，与Criteria中的User Script联合使用,MTF Frequency；当使用MTF作为评价标准时需要定义MTF频率。,Config：分析多重组态时需指定组态序号，只有选中的组态才被考虑。,109,Cycles：循环次数，当Comp选Optimize All时有效。,Separate Fields/Configs：如果选中此项，则ZEMAX就会分别计算每个组态的每一视场的评价标准，并验证每一视场是否符合极限值或是增量值。,Force Ray Aiming On：强制光线瞄准，使用光线瞄准通常可以获得更精确的结果，但计算速度也更慢。,Show Descriptions：显示每个公差操作数意义的完整描述。,Show Compensators：选中此项，则每个补偿器值将和每个公差在评价函数中一起被打印出来。,Overlay MC Graphics：选中此项，则打开的图形分析窗口将被蒙特卡罗分析所产生的镜头的图形覆盖，这对于显示相似文件的性能范围很有用。,Hide All But Worst：仅打印性能最差的镜头个数(Show Worst定义)。,Statistics：统计分布函数类型，有高斯正态分布(Normal)、均匀分布(Uniform)、抛物线分布(Parabolic),Status：公差分析过程中的状态,110,我们使用”Inverse Increment”来设置公差，增量初步使用0.032，评价函数使用平均几何MTF(Geom. MTF Avg)，如果使用衍射MTF，则在公差较宽时，基于衍射的MTF可能会有问题，因为光程差太大时，衍射MTF可能不能计算或没有意义。MTF的频率选择51，这是指标中要求的。,运行完成之后得到如下的MTF图，公差编辑器的数据也有变化。,111,从MTF图看，相当多的MTF值太低，在蒙特卡罗结果中可看出具体的比例：,只有50%的MTF值大于23%。这说明利用增量得到的公差太松，增量太大。,下一步就对公差进行紧缩，减小增量值。下面我们用RMS点列图评价标准来确定公差。先将所有视场都加上，将公差重新设置为默认值。,打开三个MTF，使其分别对应0视场及两个边界视场，频率设为51,选择 Tools Tolerancing Tolerancing，Mode使用Inverse Limit，点击“？”查看当前的点图大小，其值为0.00378mm，有公差时点列图将增大，我们将其值限制为0.0041mm。蒙特卡罗分析的数量增加到50。从结果看，有90%的RMS小于0.00683mm，这比CCD的像元小，CCD可以分辨。,112,从中心视场及边界视场的MTF看，只有少数几个结构的MTF不满足要求。因此在这种公差设置下，成品率是比较高的。,最终公差值可由 Tools Tolerance Tolerance Summary 得出。最后还要对公差进行检察，看看有没有需要调整的。,113,