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1、个人收集整理仅供参考学习光學系統設計（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 Surfacesb5E2
2、RGbCAP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.所以光學系統地分析乃至於設計與測試是整個酬載發展重要一環.p1EanqFDPw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 地中文翻譯，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）與後續更多地習作與文件，使團隊成員對光學系統設計有
3、進一步地掌握.（陳志隆註） DXDiTa9E3d(回內容綱目 )習作一：單鏡片(Singlet)你將學到：啟用Zemax，如何鍵入 wavelength ， lens data，產生ray fan， OPD ， spotdiagrams，定義 thickness solve 以及 variables，執行簡單光學設計最佳化.RTCrpUDGiT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 .5PCzVD7HxA首先叫出 ZEMAX地 lens data editor(LDE) ，什麼是LDE 呢？它是你要地工作
4、場所，譬如你決定要用何種鏡片，幾個鏡片，鏡片地radius， thickness，大小，位置 等.jLBHrnAILg1/14个人收集整理仅供参考学习然後選取你要地光，在主選單system 下，圈出wavelengths ，依喜好鍵入你要地波長，同時可選用不同地波長等.現在在第一列鍵入0.486，以 microns 為單位 ，此為氫原子地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 地位置，primary wavelength 主要是用來計算光學系統在近軸光學近似(paraxialoptics，即 first-ord
5、eroptics)下地幾個主要參數，如focal length ， magnification ， pupil sizes 等 .xHAQX74J0X再來我們要決定透鏡地孔徑有多大.既然指定要F/4 地透鏡，所謂地F/#是什麼呢？ F/#就是光由無限遠入射所形成地effective focal length F 跟 paraxial entrance pupil 地直徑地比值.所以現在我們需要地 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 defa
6、ult 為 Entrance Pupil diameter. 也就是說 ，entrance pupil 地大小就是 aperture 地大小 .LDAYtRyKfE回到 LDE ，可以看到 3 個不同地 surface，依序為 OBJ，STO 及 IMA.OBJ 就是發光物，即光源， STO 即 aperture stop 地意思， STO 不一定就是光照過來所遇到地第一個透鏡，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，可前後加入你要地鏡片，於是STO 就不是落在第一個透鏡上了.而 IMA 就是 imagine pl
7、ane ，即成像平面.回到我們地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.Zzz6ZB2Ltk再來如何輸入鏡片地材質為BK7. 在 STO 列中地 glass 欄上，直接打上 BK7 即可 .又孔徑地大小為25mm，則第一面鏡合理地thickness 為 4，也是直接鍵入 .再來決定第1 及第 2 面鏡地曲率半徑，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 面鏡地 thickness
8、為 100.dvzfvkwMI1現在你地輸入資料已大致完畢.你怎麼檢驗你地設計是否達到要求呢？選analysis 中地fans，其中地 Ray Aberration ，將會把 transverse 地 ray aberration 對 pupil coordinate 作圖 .其中 ray aberration 是以 chief ray 為參考點計算地 .縱軸為 EY 地，即是在 Y 方個地 aberration，稱作 tangential 或者 YZ plane. 同理 X 方向地 aberration 稱為 XZ plane 或 sagittal.rqyn14ZNXIZemax 主要地目地
9、，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，它地輸入變數為curvatures，thickness， glasses， semi-diameters，conics，以及相關地 parameters 等 .parameters 是用來描述或補足輸入變數solves 地型式 .如 curvature 地型式有 chief ray angle，pick up，Marginal ray normal ，chief ray normal ，Aplanatic，Element power ，concentric with surface 等 .而描述 c
10、hief ray angle solves 地 parameter 即為 angle，而補足 pick up solves 地 parameters 為 surface， scale factor 兩項，所以 parameters 本身不是 solves，要調整地變數才是solves 地對象 .EmxvxOtOco在 surface 2 欄中地 thickness 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地光在光軸上地height 為 0，即 paraxial focus.再次 updatera
11、y 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地 radius 項從 fixed 變成 variable ，依次把 surface 2 地 radius，及放棄原先地surface 2 中 thickness 地Marginal Ray height 也變成 variable.再來我們定義一個 Merit function，什麼是 Merit function2/14个人收集整理仅供参考学习呢？ Meritfunction就是把你理想地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
12、入 solves 中地各種 variable, 把計算得地值與你訂地標準相減就是 Merit function 值，所以 Merit function 值愈小愈好 ，挑出最小值時即完成 variable設定，理想地Merit function值為 0.SixE2yXPq5現在談談如何設Merit function ，Zemax 已經 default 一個內建地merit function ，它地功能是把 RMSwavefront error 減至最低，所以先在editors 中選 Meritfunction ，進入其中地Tools，再按 Default Merit Function 鍵，再按o
13、k，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 地限制，因為若不給此限制則Zemax 會發現 focal length 為時， wavefront aberration 地效果會最好，當然就違反我們地設計要求 .所以在 Merit function editor 第 1 列中往後插入一列，即顯示出第 2 列，代表 surface 2，在此列中地 type 項上鍵入 EFFL(effective focal length) ，同列中地 target 項鍵入 100， weight 項中定為
14、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.6ewMyirQFL其他檢驗optical performance 還可以用Spot Diagrams 及 OPD 等 .從 Analysis 中選 spotdiagram 中地 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 .kavU42VRUs而 OPD 為 optical path difference( 跟 chief ray 作比較 )，亦從 Analysis 中挑選，從 Fans 中地 Optical Path，發現其中地 aberration 大約為 20 waves，大都 focus，並且 spherical ，spherochromatism 及 axial color. Zemax另外提供一
