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1、Zemax在光学设计中的应用,曾维友E-mail：,上课期间将严格考勤，早上8：10，下午14：10迟到三次及以上或缺勤一次者，成绩为不及格缺勤二次及以上者，成绩以零分计上课期间浏览网页等无关内容三次及以上者，成绩为不及格损坏物品者成绩为不及格课程设计报告在课设结束后的规定时间内提交，过期则不接收所交报告，成绩相应地记为零分,主要内容简介：,光学设计软件简介完整光学设计结果应有的数据内容光学系统建立示例基本像差分析及像质评价望远物镜的设计目镜设计坐标断点、棱镜设计温度分析、多重结构、无热设计红外系统的设计样板测试、公差分析,主要参考书目：,现代光学设计方法袁旭沧，科学出版社光学设计袁旭沧，科学
2、出版社实用光学技术手册王之江，机械工业出版社ZEMAX中文使用手册光研科学有限公司,CodeV,美国OpticalResearchAssociates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CodeV为用户提供了各种可能用到的像质分析手段，能够分析优化各种非对称非常规复,杂光学系统CodeV自带的专利库包含了多种镜头，可供用户在初始设计时选择可以与多种机械CAD软件交换数据，可以输出多种标准加工图纸有外部程序接口，用户可以用它根据需要对软件进行扩充和修改成像领域中功能最强大，价格最
3、高,OSLO,用于照相机、通讯系统、军事空间应用、科学仪器中的光学系统设计，在确定光学系统中光学元件的最佳大小及外形时具有突出优势适用于序列及非序列系统优点是以设计者为导向的设计风格，用户界面直观；功能强大精度高灵活性强，其提供的CCL语言相对于其它光学软件更灵活,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,优化：表栏式meritfunc
4、tion参数输入，对话窗式预设meritfunction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CodeV、OSLO，但其简单易学，价格便宜，在国内用得比较广泛,SOD88,北理工研究的光学设计软件，适用于共轴光学系统，系统可以是折、反或折反系统，系统中的面型可以是球面也可为非球面主要功能：几何像差计算和图形输出；像差自动校正；公差计算；变焦系统设计等总体上来说其功能和迭代收敛速度不及前述几种软件，但其价格便宜，还是值得推广,Le
5、nsView,光学设计数据库，囊括超过18,000个在美国和日本专利局申请有案的多样化的光学设计实例能显示每一实例的空间位置，拥有设计者完整的信息、摘要等多种功能能产生各式各样的像差图，做透镜的快速诊断，绘出这个设计的剖面图用该软件为设计者寻找恰当的初始结构，便于快速的设计出符合技术指标的系统,光学系统结构图主要参数：焦距、相对孔径、视场、倍率、物距、像距等光学系统结构参数成像质量：初级像差、轴上点像差、轴外点像差像差曲线：球差曲线、点图、传函图等等,二.完整光学设计结果应有的数据内容,三.光学系统建立举例,3.1设计要求拟设计光学系统具有：,物距为无限远,3.2分析：,设计要求给出了系统焦距
6、(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：,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。,General对话框中，具有Aperture、GlassCatalo
7、g、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：Aperturetype用于定义相对孔径，即轴上物点光束大小。定义的种类有：（1）EntrancePupilDiameter（入瞳直径）当物体位于无限远时，可以选择它来定义相对孔径（2）ImageSpaceF/#（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）ParaxialWorkingF/#（近轴工作数）定义为f/#=1/(2tanU),只有当物在无限远时，像方F数才与近轴F数相等,另外，在系统中还
8、有一个WorkingF/#(工作数)，定义为f/#=1/(2sinU)，从定义可看出三个“数”之间的差别。（4）ObjectSpaceNA（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）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，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StopSurface的孔径被固定。（6）ObjectConeAngle（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
9、光束孔，其值为物空间边缘光线的半角，单位度，可大于90度,General对话框中其他功能(1)ApodizationType(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：；Cosincubed表示光瞳上光分布为余弦型(2)GlassCatalogs(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
10、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,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
11、光学特性数据输入方法（1）定义像方工作数(ImageSpaceF/#)为5，选择SystemGeneralApertureImageSpaceF/#，在AperValue中输入5；（2）定义半视场0、7.07、10，选择SystemFields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ThicknessMar
12、ginalRayHeightOK,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。,四.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
13、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。RayAberration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,制出像面(XOY平面)上X分量像差(Xaberration)和Y分量像差(Yaberration)随光线孔径高之间的变化曲线。通常Xaberration用EX表示，Yaberration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Rayaberration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
14、、场曲、离焦的大小；由曲线边缘孔径(1.0)处的Yaberration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。,SpotDiagrams（几何点列图）Rayaberration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
15、RMSRadius与GEORadius，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。,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,彗差,像散,MTFMTF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
16、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。,五.望远物镜的设计,望远物镜的光学特性：,1、双胶合望远物镜的设计设计一望远镜物镜，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。,(1)初始结构的选择,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：,（2）对初始结构分析：焦距：251.085，球差：-0.0755mm正弦差，ZEMAX中没有直接数据，可通过其它数据估计,轴向色差：,（3）用实际玻璃替换玻璃参数：BK7：1.5168，64.1673SF2：1.647689，33.8482曲率半径缩放：,缩放
