_光设ZEMAX_实验讲义.doc

1、i录前言 .i第一章 ZEMAX 软件简介 .11.1 简介 .11.2 用户界面 .11.3 主视窗的操作（Main Windows Operations） .21.4 光学系统的建立 .31.4.1 设计要求 .31.4.2 初始结构 .31.4.3 其他光学特性参数输入方法 .41.4.4 ZEMAX 中像质评价方法 .9第二章 ZEMAX 优化与操作符 .212.1 Merit Function（评价函数）的构成要素 .212.2 评价函数的“默认” （缺省）构成方法 .212.3 修改成自定义评价函数法 .24第三章 像差设计在 ZEMAX 中的实现 .313.1 Default M

2、erit Function 和现有像差控制符的局限性 .323.1.1 轴上点的像差操作符的局限性 .323.1.2 轴外物点的像差操作符的局限性 .323.2 常见像差控制在评价函数中的实现 .333.2.1 轴上球差、色差的控制操作符 .333.2.2 轴外初级像差的控制操作符 .343.2.3 轴外物点视场孔径高级像差的定义及其控制操作符 .383.3 像差设计举例 .39第四章 像差设计实例 .494.1 望远镜物镜或准直物镜的设计 .49ii1第一章 ZEMAX 软件简介1.1 简介ZEMAX Optical Design Program（ZEMAX）是由美国 ZeMaX Devel

3、opment Corporation 公司开发的专用光学设计软件包，软件逐步升级，我们使用的版本是 2007。ZEMAX 是 Windows 平台上的视窗式的用户界面，操作习惯和快捷键风格如同 Windows。1.2 用户界面ZEMAX 的视窗类型，和 Windows 的基本一致，打开不同的视窗可以执行操作不同的任务，可分为： 主视窗 （Main Window）ZEMAX 启动以后，进入主视窗（图 1.1） 。主视窗顶端有标题栏（title bar） 、菜单栏（menu bar）和工具栏（ tools bar） 。 编辑视窗（Editor Window）ZEMAX 中有 6 种不同的编辑器（E

4、ditors）：即镜头数据编辑器（ Lens Data Editor） ，评价函数编辑器（Merit Function Editor） 、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor） 、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor） 、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor） 、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor） 。图 1.1 ZEMAX 主视窗界面2 图形视窗（Graphic Window）最常用的有草图（Layout） 、扇形图（Ray fans） 、调制传递函数（MT

5、F Plots）图等。 文本视窗（Text Windows）设计的文字资料，如详细数据（Prescription Data） 、像差数据等显示在文本视窗中。 对话框（Dialogs）固定大小，在过程中跳出来的视窗（鼠标拖曳不能改变大小） 。用于定义或更新视场（Fields ） 、波长（Wavelengths） 、孔径（ Apertures） 、面型（Surface types）等。1.3 主视窗的操作（Main Windows Operations） 主视窗在执行 ZEMAX 后显示出来，可以用鼠标拖动改变大小，如图 1.1 所示。上部有标题栏、菜单栏、快捷按钮。底部状态栏中显示当前镜头系统的

6、焦距（EFFL） 、F 数（WFNO） 、入瞳直径（ENPD ） 、系统总长（TOTR ） 。主视窗中的快捷按钮和状态栏中内容可以自定义，菜单栏中有： 文件（File）展开后有文件的打开（Open ） ，新建（New） ，存储（Save） ，另存为（Save as）等，偏好（Preference）可以修改文字大小，快捷按钮和状态栏中的内容。 编辑器（Editors）栏中包括 ZEMAX 中所有编辑器命令，展开后可打开 Lens data editor，Merit function editor。 系统（System）定义或更新光学系统的光学特性数据，例如相对孔径、视场和选取的工作波长等。 分析

7、（Analysis ）它是 ZEMAX 中的非常重要的菜单之一，是用来进行像质评价和分析的主要工具，对于其中的每一项的数据的含义，单位要很好地理解。主要有：Fans 中的球差（Ray aberration） ，点列图（Spot diagrams） 、调制传递函数（ MTF） 、点扩散函数（ PSF） 、波像差（Wavefront） 、圆内能量集中度（Encircled Energy） ；杂项（Miscellaneous）中的场曲与畸变（Field Curv/Dist） 、轴向球差（Longitudinal aberration）和垂轴色差（Lateral Color） 。 工具（Tools）也

8、是 ZEMAX 中的非常重要的菜单之一，分成七块：第一块用来进行光学镜头的局部优化（Optimization ） 、全局优化（Global / Search /Hammer Optimization）等；第二块分析镜头的公差，计算传递函数的点列图，波差等变化量表。第三块是材料选择，有察勘玻璃库或向库中新增添3或删除玻璃条目，寻找简单的透镜数据并插入到透镜数据编辑器中。第四块是镀膜模型。第五块是系统中镜头的孔径的定义，可以与渐晕系数配合共同使用。第六块主要用来整体设计(1)按焦距或放大率缩放当前系统；(2)在当前系统中加入或删除折转发射镜。第七块以后讨论。 报告（Report）形成镜头设计结果的

9、报告，可以作为每一个光学面的形成报告（Surface data） ；也能为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告（System data） ；还可以给出设计结果的详细数据报告（Prescription data） 。 宏编程（Macros）执行已经编译好的宏程序。宏程序的编程过程：（1）使用一般的文本编辑器或使用ZEMAX 自身的编辑功能创建扩展名为“*.ZPL”文件，该文件置于 ZEMAX 目录下的 Macros 目录中；（2 ）使用 ZEMAX 提供的命名或函数库进行程序编写；（ 3）用 Macros 菜单下的“Run/Edit Zpl Macros”执行宏程序。宏程序可以提取光线追迹数

10、据、像质指标等，可以定义新的优化设计用的操作符。执行时，宏程序作用的对象是当前显示的镜头系统。 外部程序接口（Extensions）ZEMAX 环境中，使用该接口可以执行外部扩展名为“*.EXE”的执行程序，用来与 ZEMAX交换数据，或 ZPL 宏不能完成的功能。外部程序可以用 C 语言等编程工具完成。 视窗（Windows）与帮助（Help ）菜单1.4 光学系统的建立1.4.1 设计要求如要设计的系统要求：f = 200 mm，视场角 2 = 30，D/f1/10。物距为：（1）物距位于有限远，近轴放大率为 1；（2）物距位于无限远。1.4.2 初始结构1. 选取方法初始结构选取方法有二

11、，一是从国内外的光学设计手册，专利，镜头数据库中选取；如果手中没有以上资源，则需进行计算，找出满足光焦度，视场等光学特性要求得雏形，来作为初始结构。下面以第二种方法为例，建立起满足特性的初始结构。2. 计算建立初始结构由总光焦度和视场要求：至少要有两个组份构成，有总光焦度（1.1）FBFd。设两组分光焦度相等，即 ，则（1.1）式变为4（1.2）2Fd。式（1.2）中 为已知量， 为未知量，解二次方程可得：F（1.3）1=d如果使用双凸透镜，且两个凸面曲率半径大小相等，则曲率半径为：（1.4）F(1)2nR代入设计要求，选择透镜材料为 ZF1（n d1.64767，v d33.87） ，工作波

12、长为 0.55 m， 则初始结构在 ZEMAX 中的数据为： 表 1.1 例题的初始结构参数1.4.3 其他光学特性参数输入方法1 General 输入相对孔径General 功能可以由 “System”“General”选择，还可以通过桌面上 “Gen”快捷键来打开，General 对话框如图 1.2 所示。图 1.2 General 对话框5由图 1.2 可以看出，General 对话框中具有 Environment，Polarization，Misc.，Non-Sequential，Aperture，Title/Notes，Glass Catalogs，Ray Aiming 等项。相对孔

13、径的定义在 Aperture 中设置。最常用的选项解释如下：A. ApertureAperture Type 用于定义相对孔径，即轴上物点的光束大小。定义的种类有：（1 ） Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）当物体位于无限远时，可以用它来定义相对孔径，此时的 Aper Value 中输入具体的入瞳直径数值，选择 Lens Units 为 Millimeter（毫米） 。（2 ） Image Space F/#（像方 F 数）无论物体位于无限远还是有限远，都可以用像方 F 数来定义相对孔径。其物理意义是“近轴有效焦距（EFFL）/入瞳直径” ，此时在 Aper Value

14、 中输入 F 数。（3 ） Object Space Numerical Aperture（物方数值孔径）当物体位于有限远，可被用来定义相对孔径，其含义为 N.A.nSin( )，n 为物方介质折射率， 为高斯边缘光线孔径角，如图 1.3 所示。图 1.3 Oblect Space N.A. 示意图在 Aper Value 中输入 N.A.值。（4 ） Float by Stop Size（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，由 Lens data Editor 中光阑（Stop）面的“Semi-Diameter”大小来决定，此时“Lens Data Editor”中的光阑大

15、小值右边显示“U” ，表示Stop Surface 的孔径被用户固定，无法给出 Aperture，数值输入栏则自动变暗不能被操作。（5 ） Paraxial Working F/#（近轴工作 F 数）定义式为：（1.5）1=2tannumber式中 为系统像方折射率， 为高斯边缘像方光线孔径角。在计算 过程中，认为系统无像差，n按照理想系统的边缘光线追迹方法。在 Aper Value 中输入 F 数，注意前面的 Image Space F/#区别。6（6 ） Object Cone Angle（物方锥角）亦物方孔径角。当物体位于有限远，可用轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔径，以物空间边缘光线

16、的半角，即图 1.4 中的 U 来定义，单位“度” ，可以大于 90。图 1.4 Oblect Cone Angle 定义示意图B. General 对话框中其他功能（1 ） Apodization Type（定义光瞳上光强分布）选项有： a) None 表示光瞳被均匀照明；b) Gaussian 表示光瞳上光振幅扰动为高斯型，即：（1.6）2()=GAe其中 为光瞳归一化极坐标， G 为切趾（Apodization）因子，如果 G0，表示光瞳被均匀照明，G 一般小于 40。c) Tangential 表示正切型光瞳振幅分布，即：（1.7 ）32()=)zIr其中 Z 为光瞳面上面元到点光源的

17、距离，r 为光瞳面上的位置坐标（离开光轴的距离） ，如图 1.5所示，光瞳中心（轴上）为 0，最大值一般被归一化为单位 1。图 1.5 正切型照明示意图光振幅 ，如 r 采用归一化的坐标 ，有 0 1，H 为光瞳半径。此时()AIrH为（1.8） ，其中 tan /HZ（1.8)3241()=tan)A光瞳r7（2 ） Glass Catalogs（玻璃库）ZEMAX 提供了德国的 Schott、日本 Hoya、Ohara、美国 Corning 等玻璃生产厂商的玻璃库，还有红外、塑料材料（PMMA） 、双折射晶体材料等内建玻璃库。如光学设计中，要选用中国玻璃库，有两种方法：a) 使用 Len

18、Data Editor 视窗中 Glass 栏的 Model 功能，输入 d，n d 即可；b) 导入中国玻璃库 Chinaglass 库文件到玻璃库数据库中，直接调用。（3 ） Ray Aiming适用于大视场镜头设计中，确保主光线通过孔径光阑的中心。选项有： No Ray Aiming这是 ZEMAX 预设选项 , 表示不进行光线瞄准，此时 ZEMAX 认为光瞳无像差。对于中等视场的光学系统，可以用磁此项。但是对于大相对孔径或大视场光学系统，会存在严重的光阑像差，光阑像差的表现为：（a）光瞳位置随视场值变化；（b）光瞳边缘发生变形。 Aim to aberrated (real) stop

19、 height 对于大视场光学系统，通常用此选项，用于消除光阑像差。含义是：瞄准有像差时的孔径光阑高度。选用该选项后，ZEMAX 计算像差，孔径光阑大小有来自物面中心的主波长边缘光线在光阑面上的交点决定。然后适用迭代法追迹光线，找出一根经过孔径光阑中心的光线（此时不一定经过入瞳或岀瞳中心，但经过像差校正后，也会同时经过入瞳、岀瞳的中心） ，作为主光线。 Aim to unaberrated (paraxial) stop height该选项与前一选项的明显区别，在于该项假设镜头系统没有像差，使用理想情况下的近光线追迹来瞄准光阑中心，优点是计算时间短。2 Fields 对话框中定义视场通过 Sy

20、stem Fields 可以打开视场定义对话框，如图 1.6，首先给出了视场种类定义的四个选项：角度（视场角） 、物高、近轴像高和实际像高。其中视场角单位为度，线视场的单位为 ZEMAX 选择的 Lens Units，一般为毫米（mm） 。接下来，给出最多为 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，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，一般要考虑渐晕现象，有渐晕系数来描述。ZEMAX 提供了 4 个参数，即 VDX、VD

21、Y、VCX 和 VCY 来描述渐晕现象，其中 VDX、VDY 用于定义光瞳中心位置的 x,y偏心；VCX、VCY 用来定义渐晕因子。当 VDXVDY=VCX=VCY=0，表示无渐晕现象，对于旋转对称系统，仅使用 VDY 与 VCY 即可。如轴上物点光瞳归一化坐标为 Px、P y，有渐晕时轴外光瞳归一化坐标为：（1.9）(1)xyyVDXCY8图 1.6 Fields 定义对话框例如，图 1.7 表示了旋转对称光学系统在偏心 VDY=0.3，渐晕系数 VCY= 的渐晕光oa1H瞳，其中 H 为轴上物点光瞳半径， oa 表示轴外物点光瞳渐晕时的子午面上的半径，此时，VDX=0， VDY=0.3，V

22、CX=0，VCY= 。oa1H图 1.7 渐晕定义示意图考虑渐晕后，优点为：（a）可以缩小透镜的口径，节省加工成本， （b）可以把引起严重轴外像差的光线去除掉（即选择光阑位置消除轴外像差） 。图 1.6 中底部“Set Vig”按钮，由 ZEMAX 可自动设置渐晕系数。在两种状态下可以自动设置渐晕系数：（a ） 当 Lens data Editors 中，某一光学面的通光直径固定；（b） 使用 Tools Convert Semi-Diameters to Floating Apertures。Save 与 Load 对已经建好的视场数据，可以完成存储和调用，文件扩展名为“* . Fld” 。aOOH0.3H