《zemax初学手册》由会员分享，可在线阅读，更多相关《zemax初学手册（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 aspheric corrector習作五：multi-configuration laser beam expander習作六：fold mirrors 和 coordinate breaks習作七：使用 Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces前言整個中華衛星二號紅色精靈科學酬載計
2、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 Zemax E. 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 Zemax E. 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）習作一：單鏡片(Singlet)你將學到
3、：啟用 Zemax，如何鍵入 wavelength，lens data，產生 ray fan，OPD ， spot diagrams，定義 thickness solve 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 focal length 為 100mm，在可見光譜下，用 BK7 鏡片來作。首先叫出 ZEMAX 的 lens data editor(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
4、 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 primary wavelength 上點在 0.486 的位置，primary wavelength 主要是用來計算光學系統在近軸光學近似(paraxial optics，即 first-order optics)下的幾個主要參數，如 focal length，magnification，pupil sizes 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
5、的 F/#是什麼呢？F/#就是光由無限遠入射所形成的 effective focal length F 跟paraxial entrance pupil 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 system menu 上選 general data，在 aper value 上鍵入 25，而 aperture type 被 default 為 Entrance Pupil diameter。也就是說，entrance pupil 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
6、及IMA。OBJ 就是發光物，即光源，STO 即 aperture stop 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 imagine plane，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 insert cifter，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
7、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 Ray Aberration，將會把 transverse 的 ray aberration 對 pupil coordinate 作圖。其中 ra
8、y aberration 是以 chief ray 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YZ plane。同理 X 方向的 aberration 稱為 XZ plane 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
9、 的型式。如curvature 的型式有 chief ray angle，pick up，Marginal ray normal，chief ray normal，Aplanatic，Element power，concentric with surface 等。而描述chief ray angle solves 的 parameter 即為 angle，而補足 pick up solves 的parameters 為 surface，scale factor 兩項，所以 parameters 本身不是solves，要調整的變數才是 solves 的對象。在 surface 2 欄中的 thi
10、ckness 項上點兩下，把 solve type 從 fixed 變成Marginal Ray height，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 paraxial focus。再次 update ray fan，你可發現 defocus 已經不見了。但這是最佳化設計嗎？再次調整 surface 1 的 radius 項從 fixed 變成variable，依次把 surface 2 的 radius，及放棄原先的 surface 2 中 thickness的 Marginal Ray height 也變成 variable。再來我們定義一個 Merit
11、function，什麼是 Merit function 呢？Merit function 就是把你理想的光學要求規格定為一個標準(如此例中 focal length 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 Merit function 值，所以 Merit function 值愈小愈好，挑出最小值時即完成 variable 設定，理想的Merit function 值為 0。現在談談如何設 Merit function，Zemax 已經 default 一個內建的 merit function，它的功能是
12、把 RMS wavefront error 減至最低，所以先在 editors 中選 Merit function，進入其中的 Tools，再按 Default Merit Function 鍵，再按ok，即我們選用 default Merit function ，這還不夠，我們還要規定給 merit function 一個 focal length 為 100 的限制，因為若不給此限制則 Zemax 會發現focal length 為 時，wavefront aberration 的效果會最好，當然就違反我們的設計要求。所以在 Merit function editor 第 1 列中往後插入
13、一列，即顯示出第 2 列，代表 surface 2，在此列中的 type 項上鍵入 EFFL(effective focal length)，同列中的 target 項鍵入 100，weight 項中定為 1。跳出 Merit function editor，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 ray fan，這時 maximum aberration 已降至 200 microns。其他檢驗 optical performance 還可以用 Spot Diagrams 及 OPD 等。從Analysis
14、 中選 spot diagram 中的 standard，則該 spot 大約為 400 microns 上下左右交錯，與 Airy diffraction disk 比較而言，後者大約為 6 microns 交錯。而 OPD 為 optical path difference(跟 chief ray 作比較)，亦從 Analysis 中挑選，從 Fans 中的 Optical Path，發現其中的 aberration 大約為 20 waves，大都 focus，並且 spherical，spherochromatism 及 axial color。 Zemax 另外提供一個決定 first
15、 order chromatic abberation 的工具，即 the chromatic focal shift plot，這是把各種光波的 back focal length 跟在 paraxial 上用 primary wavelength 計算出 first order 的 focal length 之間的差異對輸出光波的wavelength 作圖，圖中可指出各光波在 paraxial focus 上的 variation。從Analysis 中 Miscellaneous 項的 Chromatic Focal Shift 即可叫出。習作二：雙鏡片你將學到：畫出 layouts 和
16、 field curvature plots,定義 edge thickness solves, field angles 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，the chromatic aberration 可以矯正到 first order 所以剩下的 chromatic aberration 主要的貢獻為 second order，於是我們可以期待在看 chromatic focal shift plot 圖時，應該呈現出 parabolic curve 的曲線而非一條直線，此乃 second order effect 的結果（當然其中variation 的 scale 跟 first order 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，focal length 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
