《使用ZEMAX设计的典型实例分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《使用ZEMAX设计的典型实例分析（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析摘要光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组 (lenslet arrays) 来建构聚光镜 (condenser)。简介ZEMAX以非序列性 (non-sequential) 分析工具来结合序列性 (sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光 (stray light) 和鬼影 (ghosting) 的能力，从简单的绘图 (Layout)一直到优化（optimization）和公差分析（toleranc
2、e analysis）皆可达成。根据过去的经验，对于光学系统的端对端 （end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的 (unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。“序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到
3、一个表面上超过一次，如使用在二次描光 (double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径 (即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到
4、光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象 (object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射 (scatter)，以及从场内 (in-field) 和场外 (out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。ZEMAX的功能ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管 (light pipes) 和屋顶棱镜 (roof prisms)等。序列性系统需定义视场角 (
5、field of view)、波长范围（wavelength range）和表面数据（surface date）。序列性设计的最重要参数之一，为系统孔径 (system aperture)。系统孔径，常指入瞳 (entrance pupil) 或孔径光栏 （STO），它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。光学表面可以是折射、反射或绕射。透镜可以是由均匀或渐变折射率材质所制成。表面的下弯 (sag) 可以是球面、圆锥面 (conic)、非球面 (aspheric)或藉由多项式或其它参数函数来定义。也包含了许多绕射光学组件模型。此外，一个使用者自定表面的功能，允许设计者以撰写程序的方式来建构任何
6、实际的表面下弯或相位分布。一些功能可以用来分析系统，包括数个系统绘图 (layouts) 类型、汇出CAD格式的表面信息功能、光点图 (spot diagrams)、光扇图 (ray fan) 和光程差图、光学调制传递函数 (modulation transfer function，MTF) 和点扩散函数 (point spread function，PSF) 图、包围圆 (encircled) 和包围矩形 (ensquared) 的能量信息、像差计算 ( 塞德 (Seidel) 和泽尼克 (Zernike) )、理想或偏斜 (skew) 高斯光束参数计算、极化描光和波前传播工具。优化序列性描
7、光软件的关键功能即是可以快速且精确的优化一个光学设计。主要的优化技巧是以减幅最小均方根 (damped least squares，DLS) 的算法为基础，并使用主动减幅 (active damping)。此外，ZEMAX包括全域性优化功能，其以结合减幅最小均方根过程的优化算法为基础。优化是以使系统绩效函数 (merit function) 的总值达到最小为基础。简单的说，绩效函数为一种对一个理想光学系统的数值描述。重要的是，绩效函数代表光学系统的要求性能。对于既定的设计，可以适当的选用好几个预设的绩效函数。对于成像系统，绩效函数可用来特别地针对减小光学像差，藉由限制光线在成像面上的延伸，或使
8、从理想球面的系统波前偏差减至最小。许多其它的优化参数也用来修改标准绩效函数或建立一个使用者自定的绩效函数。当执行优化时，ZEMAX对任何使用者建构的系统或表面参数，决定最理想的值。几乎任何参数，包括曲率、厚度、玻璃特性、非球面系数和视场或波长资料，皆可设为变数。可以对可接受的参数值范围内下限制，以确保可以轻易的建构一个合理的系统。公差分析在完成光学系统的设计之后，执行公差分析是重要的。公差分析为一种统计的过程，用来有系统地引入缺陷到光学设计中，以决定任何系统参数的误差对整体而言，如何影响系统性能。公差分析是必须的，因为没光学组件是光滑的，或者当设计好时，可以精确地组装系统。公差分析可用来决定每
9、个系统参数的可接受值范围。这个信息之后可以用来决定任何系统的可能性、以公差范围内来制造、在指定的性能水平之上工作。ZEMAX包括一个广泛的、完整的公差分析算法，允许设计者自由完成任何光学设计的公差。可以决定出相对于任何性能尺寸的公差，且可以包括任何补偿因子的影响，甚至机构的部分或光学的部分将被用来组装，或系统的使用。波前传播几何光线追迹为一般用来描述光的传播通过一个光学系统的方法。如同先前所描述的，光线追迹对于分析许多光学系统来说，为一种非常精确的方法，然而这个模型的实用性有一些限制。光线模型的限制是因为光线追迹而产生，每条光线是独立的，即：一条光线传播的路径是可以完全决定的，而不受其它光线的
10、影响。光线之间不会发生干涉 （interference）。若光线与一个限制孔径或遮挡物的表面相交，光线不是被挡住就是通过，但在其它方面，光线路径是不受影响的，光线不会发生绕射现象。ZEMAX包含了数个光线为基础的绕射计算，包括PSF和MTF，为包括单阶的夫琅和费（Fraunhofer）计算，波前从近场 (出瞳) 传播到远场 (成像面)。这些计算只可以在成像系统中执行，且在非常接近成像的表面。当以光线为基础的方法不适用时，ZEMAX中的物理光学传播 (Physical Optics Propagation，POP) 工具可用来分析系统，包括表面非常接近焦点、表面远离焦点但接近绕射孔径（diffr
11、acting apertures）和平行光的传播，或行经长距离后的近似平面波前。使用POP，任何波前，包括高斯和混合的高阶模态光束、帽盖形 (top hat) 分布或任意的使用者自定波前，皆可以传播通过任何ZEMAX的设计档案。几乎支持所有表面型态。从任何场点来的波前可插入光学系统中的任何位置（不会仅能在已定义的物面位置）。波前传播通过每个表面，且相位强度的信息可以在每个表面被计算。POP功能非常有用地被用于空间滤波 (spatial filters)、分析光束成形的光学系统或任何其它与干涉和绕射有关的光学系统，如绕射菲涅耳区域平板 (Fresnel Zone Plates)。极化光线追迹光可
12、以用光线来模拟，并以位置、方向、相位和振幅来表示之。然而，光也与电场有关。电场的方向与传播方向互相垂直，且随着时间的改变，其方向和大小亦会有所变化。当光线传播通过一个光学系统时，其极化状态一般并无需有守恒的关系存在。当极化光线传播通过一个光学系统时，极化光线追迹可追踪光线极化的状态。介质间的界面，包括空气、玻璃和金属，会导致衰减 (attenuation) 和延缓 （retardance） 的变化产生，和改变极化椭圆 (polarization ellipse) 的形状。而入射角和波长的关系则会减少表面的传输。这些在传输相位上的变化，称为极化像差(polarization aberration
13、s)。这些像差会导致MTF和斯奈尔比（Strehl ratio）值变小，此外亦会使得系统性能降低。实际上，这些像差并没有不同于任何其它成像的像差。ZEMAX可以在任何类型的光学表面上，完整建构出任何薄膜干涉的镀膜层。极化光线追迹的计算，包括薄膜镀膜层、体积吸收 (volumetric absorption) 和波长与入射角的影响，能更精确地预测真实系统的性能。非序列性分析使用非序列性分析，光学组件必须以真实对象来表示，而不是以表面来表示。并允许以光线追迹的方法来决定对象被光线打到的顺序。这不仅包括对象的顺序，也包括对象上的特殊表面或小刻面 (facet) 的顺序。控制杂散光、分析成像系统中的鬼
14、影、设计照明和其它非成像光学系统时，这样的功能是重要的。非序列性分析不会被已定义的系统孔径所限制。任何光分布种类的光源可以放置在光学空间中的任何位置。从任何光源发射出的光线可以朝任何有实际意义的方向传播。打到光学或机构组件上的一条特定光线的顺序，可藉由光线的位置、目前传播的方向和其它组件的位置来决定。被光打到的对象将是沿光线传播方向上最接近光源的对象。此外，在非序列性空间中，在每个光线表面交点上，任何光线可以分裂 (split) 成任何数目的子光线。每条子光线将与父段中的一些能量有关。这样一来，便允许追迹所有的折射、反射、散射和绕射能量路径。建构诸如菲涅耳反射的影响来分析成像系统的鬼影，和在粗
15、糙的或光滑的机构或光学组件上建构散射面来研究杂散光影响皆是必须的。每一条子光线的能量可以藉由极化光线追迹来决定，这对研究鬼影的相对强度和建构诸如干涉仪 (interferometers) 的系统，包括整形平板 (shearing plates) ，是很重要的。对于散射特性，使用者可自由的指定任何表面粗糙的种类，然后分裂子光线的散射分布模型。检测面装置是用在非序列性分析中。检测面为奇特的表面，不是平的就是弯曲的，是用来量测入射在检测面位置上的能量。可以赋予检测面表面性质来模仿真实检测器的效果，包括用于Narcissus分析的反馈 (self-reflection)。可量测包括非同调或同调发光、同
16、调相位和发光强度。并提供幅射度 (Radiometric) 或光度 (photometric) 信息。复杂的筛选功能可用于从指定的光源而来所截取的能量信息，包括仅观看鬼影、折射、反射、散射或绕射能量，并在所指定的对象上做限制。在追踪杂散光和鬼影问题上，这些筛选功能 (filters) 是很重要的。所筛选的光线信息也可以用来产生以通过筛选功能为基础的光源光线数据。这个功能可以用于反向光线追迹的分析。以上所述为ZEMAX的概述。有许多其它的功能还没有提到。我们现在将应用ZEMAX于特定问题：一个投影系统的设计和分析，包括聚光镜 (condenser) 和投影机的设计。投影系统的设计和分析我们将看到使用ZEMAX来设计和分析由一聚光镜配件所组成的投影系统，其能在投影镜头的输入端提供均匀的照明。一个8 mm长的灯丝光源所发出的光在经过聚光镜后，将在底片闸 (film gate) 上形成均匀的能量分布。投影机会产生一个640 480 mm的影像
