光学设计实例单透镜精.ppt

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1、光学设计实例单透镜第1 页，本讲稿共21 页 通过设计实例，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用。介绍光学设计软件ZEMAX的基本使用方法，设计实例通过ZEMAX来演示。意 图2第2 页，本讲稿共21 页 光学设计软件ZEMAX简介 优化实例1-单透镜2-双胶合透镜3-非球面单透镜4-激光扩束镜5-显微镜物镜6-双高斯照相物镜 公差计算（由于时间关系，后面几个常规的设计实例不一定能讲完）主要内容3第3 页，本讲稿共21 页 美国ZEMAX Development Corporation研发 ZEMAX 是一套综合性的光学设计软件，集成了光学系统所有的概念

2、、设计、优化、分析、公差分析和文件管理功能。ZEMAX所有的这些功能都有一个直观的接口，它们具有功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。ZEMAX 可以模拟序列性（Sequential）和非序列性（non-sequential）系统，分别针对成像系统和非成像系统。可设计光学镜头、照明系统，模拟激光束传输、杂光分析，自由曲面光学设计 ZEMAX 有两种不同的版本：ZEMAX-SE：标准版，用于成像光学系统（序列光学系统）的设计；ZEMAX-EE：工程版，在ZEMAX-SE基础上，增加了物理光学、非序列光线追迹、偏振光线追迹等先进功能（只在EE版本中才具有）。ZEMAX简介4第4 页，本讲稿共21

3、页光学设计过程 计算机的出现，极大地促进了光学设计进程，但设计者的知识与经验是获得优良光学系统的基本条件；大多数光学设计程序（优化功能）的本质如下：每个变量发生少量改变或增减；计算每个变量对结果的影响（像差变化量表）；计算结果是一系列导数，p/v1,p/v2,p/v3,p:优化函数结果，v:变量；为了使残余结果的平方和最小(最小二乘法)，对每个变量联立方程求解；重复上述过程直至实现最优化。5第5 页，本讲稿共21 页光学设计人员的任务1.获得并考虑技术要求（需求分析）2.选择具有代表性的切入点 前期设计、专利、建立联系、原始推导3.建立变量和约束 变量包括：曲率半径-r、厚度-d、空气隙-d、

4、玻璃特性-n、约束可能是相关结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量4.使用程序对结果进行优化5.评价设计结果6.重复步骤3和4直至满足设计要求 如果结果不满足条件，通过添加或分离元件、变化玻璃种类等来修改设计，然后返回步骤4 另一种方法是返回步骤2选择的初始结构可能不合理，达不到预期要求7.进行公差分析，估计结果误差透镜加工、机械结构与装校要求6第6 页，本讲稿共21 页数据输入的一般过程l 输入孔径（有几种方式，如F#（物方或像方），NA（物方或像方），Aperture，）在屏上找到Button Gen，按出Dialog box，按Aperture，挑选Aperture ty

5、pe，并输入数值。可以从System 内选General，按出Dialog box。可从File 内选择Preference(或Environment）出Dialog box，将常用项目的Button 选放在屏上，如 Gen，便于直接选用。将上述过程表示为：l 输入视场：用ZEMAX进行光学系统设计n 输入光学系统结构数据System Gen ApertureSystem Field视场：半视场角、物高、近轴像高、实际像高7第7 页，本讲稿共21 页n 输入波长System Wavn 输入半径、厚度、玻璃Editor Lens data或从屏上已有的Lens data editor 改数据。如

6、屏上数据框内作double click 得有关dialog box，可对现状作出修改，例如：修改Surface type,Aperture type，改此面为光阑，即“Make surface stop”;修改Radius，由Fixed 改为Variable(优化过程中作为变量)，或由Solve 给出；修改最后一面到像面的Thickness 由Fix 改为Marginal Ray Height,Pupil zone 0.7 为0。Gen Glass catalogs n 所选玻璃表是在 内选定，可同时 挑多个表；也可打入玻璃牌号，程序自动找玻璃库 对于Surface type 和Glass C

7、atalogs，在Users Guide 内都有一章叙述。用ZEMAX进行光学系统设计n可用Select选定常用谱线；n可直接输入波长值（单位：微米）n设定谱线weightn设定主波长（Primary）8第8 页，本讲稿共21 页n 当已输入足够的结构数据后，程序就可以计算出像差并分析成像质量，这主要是Analysis 菜单中的各种功能。系统结构和光路图（Layout）：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内是否存在显著错误、光路与预期相符，等。FanOptical PathRay aberration或即按ButtonLayL3dElen 几何像差与波像差：Analysis Lay out o

8、r 3D Lay outElement drawing2D Lay out（零件图）或RMSn 各个视场的波像差均方值Analysis RMS RMS vs Field或即按ButtonRayOpd光学性能分析(Analysis)Analysis9第9 页，本讲稿共21 页n 畸变和像散、像面弯曲或FcdAnalysis Miscellaneous Field Curv/DistnSeidel 像差系数或SeiAnalysis Calculations Seidel coefficients或PsfnPSFAnalysis PSFFFT Point Spread Function或MtfnMT

9、FAnalysis MTFModulation Transfer Function光学性能分析(Analysis)10第10 页，本讲稿共21 页n 点列图Analysis Spot Diagrams Standard或Spt或Encn 能量集中度Analysis Encircled EnergyDiffraction光学性能分析(Analysis)11第11 页，本讲稿共21 页 此程序所选用积分程序不好，因为要求取样网格点（Sampling）较多，计算时间很长，使大像差系统的衍射积分不易算好。所以这里没有计算能量集中度 及Huygens Point Spread function,为能容易

10、完成这类计算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一个波长，否则必须加大Sampling 点数，增长时间。计算Seidel 像差的作用和目的是了解像差是在什么地方产生出来的，这对于将来校正或优化常会有帮助。由于Zemax程序不能直接计算和优化望远镜系统（如伽利略望远镜，不宜将物镜目镜分开设计），程序中在Surface内建立一个Paraxial Surface，即一个理想光学系统，把平行光束聚焦于一点，可以规定为一个任意的焦距值，从而计算望远系统的像差。Enc光学性能分析(Analysis)12第12 页，本讲稿共21 页n 按Button，按出dialog box，预定优化次数，即可进行优化，但

11、之前须规定Merit Function（优化目标函数）及变量。关于变量，将结构数据框作double click，得有关dialog box，就可以将此结构数据作为变量（variable）或改为Fixed 不变。n 关于Merit Function，最简单的做法是用程序内的Default Merit Function，通过下列方法，即可调用适当的Default Merit Function：OptEditors Merit function ToolsDefault Merit Function按出dialog box，后按LoadReset Ok即可，实际上此dialog box 中还有许多选

12、项可改，这也是改变优化过程的方法之一。光学系统结构优化（Optimization）13第13 页，本讲稿共21 页n 可以按实际情况作其他选择，改变优化过程。l 还可以自行构造自己认为更好的Merit Function 或修改当前的Merit Function,这就要在 框内输入适当的“Operand”，在Optimization 这一章内规定了一批Operand，所用符号如：First-order：焦距EFFL，像高PIMH，Aberrations：初级球差SPHA，垂轴像差TRAC，l 另外还有各种边界条件Operand。l 也可以将MTF 值或Encircled energy 作为Mer

13、it Function，原则上这与实际使用目标有更直接联系，应更好。但是实际上由于必须用更多时间去算，作为优化的开始是不可取的。Oper#光学系统结构优化14第14 页，本讲稿共21 页初始结构变量优化目标函数程序（算法）结果 整个优化过程可以表示为以下框图，即优化结果是由初始结构、变量及优化目标函数所决定，（已确定了算法程序）三者不变时，结果通常是唯一的。对此结果不满意时，就须作人工干预，人工改变结构初始值、变量，或改变优化函数。下面，通过一些具体的例子来看优化的做法和问题光学系统结构优化15第15 页，本讲稿共21 页 光学设计软件ZEMAX简介 优化实例1-单透镜2-双胶合透镜3-非球面

14、单透镜4-激光扩束镜5-显微镜物镜6-双高斯照相物镜 公差计算主要内容16第16 页，本讲稿共21 页 目的1）如果初始结构选不好，则再简单的系统也难得到好的结果；2）利用默认优化函数再作少量添加或修改就可以得到较好的结果；3）一开始不要提很多要求或限定条件，可逐步提出与逼近。优化实例17第17 页，本讲稿共21 页优化实例（1）p 单透镜1 采用Default merit function，加一行EFFL=100，Weight=1。l 并不是用任意的初始结构都能得到实用的解，例如取r1=60，r2=，玻璃为BK7，此时所得“局部极小解”，焦距、像差都与预期差很大（MF=116.52）l 初始

15、结构取 r1=r2=就已可得到好的解：r1=61.2，r2=357.5（d=5)，这是处于球差极小位置，彗差近于零的解，光阑最佳位置在透镜前数毫米。较大NA、小视场的聚焦透镜 f=100、D/f=1:4、2=3，平行光入射，取Entrance Pupil Diameter=25，Field data:Y-field=0、3，=0.55 m（只校单色像差，因为单透镜不能消色差）18第18 页，本讲稿共21 页优化实例（1）p 单透镜1l 通过离焦，即调整最后一个间隔（Back focal length），进一步改善像质：1）将最后一个Thickness 设为变量，进行优化，得到最佳像面位置；2）

16、也可在Tools 菜单中选Quick focus，得到最佳像面位置。较大NA、小视场的聚焦透镜 f=100、D/f=1:4、2=3，平行光入射，取Entrance Pupil Diameter=25，Field data:Y-field=0、3，=0.55 m（只校单色像差，因为单透镜不能小色差）未离焦离焦后19第19 页，本讲稿共21 页优化实例（1）小NA、大视场的照相透镜 f=100,D/f=1:10，2=30，平行光入射 取Entrance Pupil Diameter=10，Field data:Y-field=0、30，用同一Merit function，可以得校正彗差和子午弯曲的

17、两种解（光阑位置作为变量），当入瞳直径由10 减到5 时，所得解与Kinslake 书中的Landscape lens 解一致，即：p 单透镜220第20 页，本讲稿共21 页两种结构的比较：这二个解的透镜弯曲方向相反（都朝向光阑），前者略优，但要程序将后者自动变为前者，则几乎是不可能的，必须人工强烈修改（倾向）才行。这三组解都可以从像差理论算出来，但优化的结果则略好于初级像差理论的解，这里都没有把透镜厚度作为变量。优化程序可以使焦距与预定相符，在大像差系统中，为使像差变小，程序倾向于使焦距变长，不能完全保证预定焦距。为保证焦距相符，还可以采用“Solves”定半径从而使焦距与预期一致，在Radius 的dialog box 中取Solve type 为 Element power 即透镜焦距倒数 1/f（可在保持单透镜焦距的条件下弯曲透镜），也可以用Marginal Ray angle 使本组的组合焦距保持不变，“Solve”这个工具，时常有利于设计方便，如Edge thickness 有利于优化过程中保持透镜厚度合理。优化实例（1）21第21 页，本讲稿共21 页