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1、光学设计软件应用 典型设计实例 中北大学 信息与通信工程学院 王艳红 E-mail: amyw0919 课程要求 能够利用ZEMAX软件按要求设计简单光学 系统。 主要内容 设计实例 单透镜 双透镜 牛顿望远镜 双胶合透镜 多重结构激光扩束器 非序列结构准直系统 光学系统设计 光学特性和像质的要求。 光学系统设计的步骤 初级设计：外形尺寸计算 像差设计：光学设计 初始结构的选择： 用初级像差理论求解薄透镜组的结构参数 从现有的资料中找出一个光学特性相近的系统作为原始系统。 分析初始结构像差，优化计算。 实例一：单透镜 设计一个F/4单镜片（正透镜）在光轴上使用，其focal length 为1
2、00mm，玻璃为BK7镜片。 使用波长为0.486，0.587，0.656， 单位micron。 初始结构：曲率半径为100mm和-100mm，厚度为4mm。 两种优化方式: 在surface 2，把solve type设成Marginal Ray height，调整会把在透 镜边缘的光在光轴上的height为0 。 定义Merit function，使用有效焦距优化系统。 实例二：双透镜 设计一个F/4单镜片（正透镜）在光轴上使用，其focal length 为100mm，玻璃为BK7，SF1镜片。 使用波长为0.486，0.587，0.656， 单位micron。 初始结构：以上单透镜，厚
3、度为3mm。 优化方式: 在单透镜基础上校正色差。 实例三：牛顿望远镜 牛顿望远镜是最简单的矫正所有on-axis aberrations的望眼镜。牛顿望 远镜是利用一个简单的parabolic(抛物线的) mirror完美地矫正所有order 的spherical aberration，此设计只要求在optical axis上使用，除spherical aberration外并没有其它的aberration。 Mirror、抛物面镜和坐标变换。 系统焦距：1000mm ； F number：F/5； field angel为0 ； Wavelength选用0.550um； 初始表面曲率半径为
4、-2000mm 。 学习mirror ，coordinate break的使用。 实例四：双胶镜头设计 双胶镜头： 几乎所有光学设计都有双胶合透镜，其中一块正透镜常用冕玻璃 ，负透镜用火石玻璃； 通过正确选择玻璃，可以校正 球差、彗差和轴向色差； 有些设计，可以通过将单透镜分裂为双胶合透镜得到改进。 双胶合透镜包含的结构参数有： 3个曲率半径， 3个厚度值， 2种玻璃的折射率和F-number， 光栏的位置。 设计要求 用F，d, C光 EPD=50mm F/8 FOV=10度 最小的边缘/中心厚度为4mm，最大中心厚度为18mm 使用合适的标准 选择合适的玻璃 设计过程 定义系统的孔径 定义
5、视场和波长(各3个) 定义正确的面数 增加F/# solve 假定初始玻璃为常用的冕玻璃和火石玻璃：BK7和F2 建立优化函数，用RMS spot radius优化 增加边界约束条件 优化玻璃 第一步：系统General data设置 选择“Gen”按钮，在aperture type中选择Entrance pupil diameter， Aperture value为50。 第二步：视场和波长的设置 点“Fie” 和“Wav”按钮， 视场角为0，7，10三个， 波长直接选择可见光。 第三步：建立surface data 建立6个面，包括Obj, Stop,3 lens和image surfac
6、e。 输入玻璃牌号，前面为BK7,后面为火石F2。 第四步：为F/#添加Solve 在光学面4的curvature上，增加solve： 将surface 4的radius栏上点右键， 选择F/#的solve type，输入其值为8 ， ZEMAX会自动调整这个面的曲率半径的值。 第五步：建立优化函数 打开EditorMerit Function， 打开Default merit function对话框， 选择RMS spot radius作为优化数据， 加入边界约束条件。 第六步：设置变量并优化 将2个曲率半径和4个厚度都设置为变量， 优化计算。 结果的2D layout和ray fan如下：
7、 第七步：分析 哪些像差已经校正了？哪些没有校正？哪个是主要的像差？光栏的位 置如何？ 本设计中： (1) 缺省优化函数对轴上色差有比较好的校正 (2)将光栏向离开透镜的方向移动，会引入垂轴色差 (3)边界条件基本满足 (4)可以将stop向透镜的方向移动，以减小垂轴色差。 第八步：修改设计 将光栏向透镜移动，可以将横向色差降低，但引入了像散、彗差和 spot radius的扩大。 改进设计 分析： (1)一个半径是控制EFFL的，另外二个是控制色差的， (2)光栏的位置对控制象散和彗差的效果不是太理想， (3)改变厚度的影响不是太大，特别是有边界条件约束的情况下， (4)主要要校正像差是：球
8、差、垂轴色差和轴向色差。 校正球差的可能办法：(1)增加conic constant；(2)增加透镜 校正色差的可能办法： (1)移动光栏，但在这里帮助不大；(2)用新的 玻璃。 进行玻璃优化 直接对玻璃进行优化。有几种办法： (1)直接输入几种组合，进行优化， (2)采用“substitute”的方法优化。容易、速度快，推荐使用 。 Glass substitution方法 这种方法更容易、更可靠。它可以用global optimization算法，也可以 用hammer算法，找到更好的玻璃。 步聚： (1)将所有玻璃设置“substitute”solve，在Schott公司的玻璃，然后运行
9、 hammer， (2)以BK7/F2开始。可能会得到其它组合， 实例五：多重结构激光扩束器 multi-configuration 可以在同一系统中同时设定不同的configuration， 以适应不同的工作环境或要求。 设计一个在波长 =1.053m下操作的激光扩束器，光束输入直径为 100mm，输出直径为20mm，输入输出均为准直光。 设计 条件： 只能使用两个镜片； 没有内聚焦； 只能使用一个非球面； 同时能在0.6328 m波长下使用。 初始结构各参数值 Paraxial面型使准直光会聚； 出瞳孔径的控制REAY（实际光线在某面的Y坐标）； 球差优化非球面（suf 1）； OPD p
10、lot观察像差 多重结构建立 设计另一波长0.6328 m下的结构； 改变镜头空间距离的方法消除离焦； 建立多重结构，插入不同结构的参数：波长WAVE和面型厚度THIC 。 建立多重结构下的优化函数，并在结构1加入REAY操作数。 重新设置变量，优化。 实例六：非序列系统匀光系统 非序列模式主要用于非成像系统，如照明系统和杂散光分析。 要求：建立一个细丝光源，用抛物面反射镜准直，产生准直光，经过 平凸透镜耦合进入方形光管。整个系统光学追迹，通过探测器观察光 学系统不同点的光强分布。 波长：0.6320um Creating the Reflector（focus 50mm） Material:
11、 Mirror Radius: 100 Conic: -1 (parabola) Max Aper: 150 Min Aper: 20 (center hole in the reflector) Creating the source Radius：5 Length：20 10圈，每圈间隔2mm Z position: 50 (focus of the parabolic reflector) Layout Rays 20 # Analysis Rays 5000000 Length: 20 Radius 5 Turns 10 Rotating the Source Placing a De
12、tector1 Z position: 800 Material: Blank X Half Width: 150 Y Half Width: 150 # X Pixels: 150 # Y Pixels: 150 Color: 1 (detector displays inverse greyscale) Adding a Plano-Convex Lens Ref Object: 3 Z Position: 10 Material: N-BK7 Radius 1: 300 Clear 1: 150 Edge 1: 150 Thickness: 70 Clear 2: 150 Edge 2:
13、 150 Placing a Detector2 Ref Object: 4 Z position: 650 Material: Blank X Half Width: 100 Y Half Width: 100 # X Pixels: 150 # Y Pixels: 150 Color: 1 考虑反射和透镜吸收。 Adding a Rectangular Lightpipe Ref Object: 5 Z position: 20 Material: Acrylic X1 Half Width 70 Y1 Half Width: 70 Z length: 2000 X2 Half Width
14、: 70 Y2 Half Width: 70 Placing a Detector3 Ref Object: 6 Z position: 0 Material: Absorb X Half Width: 100 Y Half Width: 100 # X Pixels: 150 # Y Pixels: 150 Color: 1 Setting Detector3 Z value is 2010mm 实例六：非序列系统准直系统 非序列模式主要用于非成像系统，如照明系统和杂散光分析。 要求：准直激光光束，发光面积1um*100um，发散角40和12； 准直后光斑在6-20mm小于2mm 波长：0.45um 第1行所有接收器清零；第2行从1号光源开始追击；第3、4行寻找接 收器X、Y的角度质心；第5行所有光线角度趋向0；第6、7行代表通 过接收器的能量不小于10W。
