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(整理)光学设计实验指导书.

《现代光学CAD技术》实验指导书指导老师:汪胜辉湖南文理物电学院单透镜的设计(A Singlet)一、实验目的:(1)熟悉光学设计软件Zemax操作界面;(2)将知道如何键入光学系统的波长(wavelength)、镜头数据(Lens Data)、光线像差(Ray Aberration)、fan,光程差(OPD),点列图(spot diagrams )等等。

(3)确定厚度求解方法(thickness solve)和变量(variables),执行简单光学设计优化。

二、实验环境:(1)、硬件环境:普通PC机(2)、软件环境:ZEMAX软件平台三、实验内容:设计一个相对孔径F/4单镜片,在光轴上可见光谱范围内使用,其焦距(focal length)为100mm,全视场2ω为8º用冕牌BK7来作镜片。

四、实验步骤:首先,运行ZEMAX。

ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑(LDE),可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸,以适应你自己的喜好。

LDE有多行和多列组成,类似于电子表格,曲率半径(radius)、厚度(thickness)、玻璃(class)和半径口径(Aperture)等列使用最多,其他的则在特定类型的光学系统中才会用到。

LDE中的小格会以“反白”方式高亮显示,即以与其它格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。

这个反白条表示的是光标,可以用鼠标在格子上点击来操作。

然后,系统参数设置。

开始,输入系统波长,这个不一定先完成,只不过现在我们选定了这一步。

在主屏幕菜单条上,选择“系统(system)”菜单下的“波长(Wavelength)”。

屏幕中间会弹出一个“波长(Wavelength Data)”对话框。

ZEMAX中有许多这样的对话框,用来输入数据和提供选择。

用鼠标在第二和第三行的“使用(Use)”上单击一下,将会增加两个输入波长使总数成为三。

现在,第一个“波长”行中输入486,这是氢F谱线的波长,单位为微米。

ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。

现在,第二行波长列中输入0.587,最后在第三行输入0.656,这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作。

这个指示器指出了主要的波长(primary wavelength),当前为0.486微米。

在主波长的第二行上单击,指示器下移到0.587的位置。

主波长用来计算近轴参数, 主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics,即first-order optics)下的几个主要参数,如focal length,magnification,pupil sizes等。

“权重(weight)”这一列用在优化上,以及计算波长权重数据如RMS点尺寸。

现在让所有的权为1.0,单击OK保存所做的改变,然后推出波长数据对话框。

现在我们定义镜片的一个口径。

这可以使ZEMAX在处理其他的事情上,知道每个镜片该被定义多大。

我们设计一个F/4的透镜,需要一个25mm的孔径(100mm的焦距,相对孔径F/4)。

设置这个孔径值,选择“系统(system)”中的“通常(General)”菜单项,出现“通常数据(General Data)”对话框,单击“孔径值(Aper Value)”一格,输入25,孔径类型选择“入瞳直径(Entrance Pupil Diameter)”,也可以选择其它类型的孔径设置。

ZEMAX 模型光学系统使用一系列的表面,每一个表面有一个曲率半径和玻璃。

在LDE中显示有三个面。

物平面,在左边以OBJ表示;光阑面,以STO表示;像面,以IMA表示。

对我们来说,单透镜一共四个面:物平面、前镜面(光阑面)、后表面和像面。

要插入第四个表面,只需将光标移动像平面的“无限(Infinity)之上,按INSERT键。

这将会在那一行插入一个新的面,并将像平面下移,新面被标为第2面。

注意物体所在面为第0面,然后才是第1、第2、第3面。

现在输入使用的玻璃。

移动光标到第一个面的“玻璃(Glass)”列,即在左边标作STO 的面。

输入“BK7”回车。

ZEMAX有一个非常广泛的玻璃目录可用,我们所用的仅仅是BK7,ZEMAX会去查找所选定的玻璃并计算每一波长的色散系数等数据。

由于透镜的孔径是25mm,合理的镜片厚度是4mm。

移动光标到第1个面的厚度列,并输入“4”,缺省单位是毫米。

现在,需要为镜片输入每一面的曲率半径值,前面和后面的半径分别是100和-100。

在第1和2面中分别输入这些值。

在这里注意符号约定。

在镜片焦点处设置像平面的位置,所以要输入一个100的值,作为第2面的厚度。

如何判断镜片是否好呢?最有用的判断工具是光学特性曲线图。

要产生一幅光学特性曲线图,先选择“分析(Analysis)”菜单,然后选择“图(Fan)”菜单,在选择“光线像差(Ray Aberration)”将会看到光学特性曲线图在一个小窗口显示出来。

其中ray aberration是以chief ray为参考点计算的。

纵轴为EY的,即是在Y方个的aberration,称作tangential或者YZ plane。

同理X方向的aberration称为XZ plane或sagittal。

光线特性图如图E1-1所示。

图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差(指的是以主光线为基准)。

左边的图形Y方向的像差,右图为XZ面上的像差。

此光学特性曲线表示出了一个明显的设计错误,光学特性曲线通过原点的倾斜表示有离焦现象存在。

E1-1为了纠正离焦,在镜片的后面的Solve来进行。

为了将像面设置在近轴焦点上,在第2面的厚度上双击,弹出SOLVE对话框,它只简单显示“固定(Fixed)”。

在下拉框上单击,将SOLVE类型改变为“边缘光线(Marginal Ray Height)”,然后单击OK。

用这样的求解办法将会调整厚度使像面上的边缘光线高度为0,即是近轴焦点。

注意第2面的厚度会自动调整到约为96mm。

现在,更新光学特性曲线图看其变化,如图E1-2所示,离焦已消失,主要的像差是球差。

现在是否最佳设计呢?E1-2下面要用优化来完成本设计的工作。

首先,设一些变量,然后设置设计要求(目标Targets)或操作数(Operands)。

有三个变量是镜片的前、后曲率和第二面的厚度,这些变量可以用离焦补偿球差。

将光标移到第一面的半径列,双击,得到一下拉的选择列,其中包括变量状态,注意:“V”表示一个可变的变量。

再在第2面半径及厚度上设置变化的标志。

第2面的厚度变化时,它的值会覆盖先前用求解定出的值。

现在给镜片定义以“评价函数(Merit Function)”。

一个理想的镜头它的评价函数的值为0。

从主菜单中选择“编辑(Editors)”菜单下的“评价函数”,会出现一个表格。

从这个新的窗口的菜单条上,选择“工具(Tools)”菜单下的“缺省评价函数”。

再在出现的对话框中,点击Reset,然后OK,ZEMAX就会建立一个合理的缺省评价函数。

它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追迹光线组成,但这不够,因为除了使弥散斑尺寸最小外,还需要是镜头的焦距为100mm。

在第一行中的任何一处单击鼠标,使光标移动到评价函数编辑的第一行,按下INSERT 键插入新的一行。

现在,在“TYPE”列下,输入“EFFL”然后按回车。

此操作数控制有效焦距。

移动光标到“Target”列,输入“100”然后按回车。

其“权重(Weight)”输入一个值:1。

这就完成了评价函数的定义,可以在窗口的左上角双击,评价函数编辑器从屏幕中移走评价函数不会丢失,ZEMAX会自动将它保存。

现在主菜单条中选择“工具”菜单下的“最佳优化(Optimization)”,会显示最优化工具对话框。

在复选框中选择自动更新,然后单击“自动(Automatic)”。

ZEMAX会很快减少评价函数。

单击“退出”关闭最优化对话框。

最佳化的结果是使镜片弯曲。

结果所得出的镜片曲率使焦距大致为100mm,并且使这个简单的系统具有了一个尽可能小的RMS波前差。

因为EFFL限制是一个被看做与其他的像差一样的“权重”指标。

现在分析一下光学特性曲线图研究计算结果,最佳化的设计结果的最大的像差为200微米,如图E1-3所示。

E1-3衡量光学性能的另一个方法是产生一个点列图。

选择“分析”菜单下的“点列图”选项,然后选其中的“标准(Standard)”,点列图将会显示在另一个窗口中。

此点列图的弥散大小是400微米。

作为比较,艾利衍射斑的大小粗略约为6微米。

另一个有用的判断工具光程差OPD图。

这是以光瞳坐标为函数的分布图,选择“分析”菜单下的“图(Fan)”再选择“光程(Optical Path)”。

如图E1-4所示。

这个系统大约有20个波长波像差,大部分为焦面上的球差、色球差和轴上色差。

E1-4从光线图中,明显看出,色差是其主要像差。

ZEMAX为一阶色差的大小提供了另一种简便的工具:多色光焦点漂移图。

这种图形把焦距作为一种波长的函数,它指出了近轴焦点的变化。

选择“分析”菜单中的“多方面(Miscella-neous)”,然后再选“多色光焦点漂移0图(Chromatic Focal Shift)”。

如图E1-5所示,注意纵坐标表示波长范围,覆盖定义的波长段,焦距的最大变化范围约为1540微米。

对于但透镜镜片来说,其曲线的单调变化类型是很典型的。

为了修正一阶多色差,要求更换另一种玻璃材料。

这就是实验二要解决的问题。

E1-5思考题:结合附录的常见专业英文词汇,认真熟悉ZEMAX软件?实验二双胶合透镜的设计(A Doublet)一、实验目的:(1)熟悉光学设计软件Zemax操作界面;(2)将知道如何产生图层、视场曲率图、定义视场角等等。

(3)用离焦来平衡球差的方法和定义边缘厚度求解。

二、实验环境:(1)、硬件环境:普通PC机(2)、软件环境:ZEMAX软件平台三、实验内容:设计一个相对孔径F/4双交合透镜镜片,在光轴上可见光谱范围内使用,其焦距(focal length)为100mm,全视场2ω为10º用冕牌BK7和火石玻璃SF1来作镜片。

四、实验步骤:一个双透镜包括两片玻璃,通常(但不一定)是胶合的,因此它们有一个共同的曲率,通过使用两片具有不同色散特性的玻璃,一阶色差可以被矫正。

也就是说,我们需要得到抛物线形的多色光焦点漂移图,而不是直线的。

这反过来会产生较好的像质。

现在,我们保持先前100mm焦距和在轴上的设计要求,下面将会加入视场角。

如何选择这两片玻璃需要一些技巧,参考Smith的《现代光学工程学(Modem Optical Engineening)》里有关的例子。

由于此例的目的是教你如何使用ZEMAX,而不是设计镜片,这里只建议选择BK7和SF1这两种玻璃。

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