ZEMAX实例--手把手教你使用

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手把手用实例教你使用zemax,包含了7个例子,2005以上版本都适合。
为了纠止离焦,我们用在镜 口RT 日FG 片的后面的 Solve来进行。 E S(参考“ SOLVES”这一章 动态地调整特定的镜片数据。为 了将像平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,它只简单地显示 固定( Fixed)”。在下拉框上 单击,将 SOLVE类型改变为“边 缘光高( Margina1Ra sleight)”,然后单击0K。用这 HFNE∵5Pr卜FNHL 样的求解办法将会调整厚度使 HE3FUN SCHLE +/-1040, 020 FICRONS 像面上的边缘光线高度为0, 即是近轴焦点。注意第面的厚 图E1-2 度会自动地调整到约 现 在,我们需要更新光线特性曲线 图看其变化。从光线特性曲线窗口菜单,单击“史新()”(在窗口任何地方双击也可更新), 其光线特性曲线图如图所示。现在,离焦已消失,⊥要的像差是球差。注意图中比例的改 变 这是不是所能得到的最佳的设计呢?我们下面就要用优化来完成本设计的工作。首先,我们 将告诉 ,哪个参量在设计中是自由的(这些被称为变量),然后我们将告诉它设计的要 求(这些被称为目标()或操作数( ))。有三个变量可以供我们利用,它门是: 镜片的前、后曲率,和第二面的厚度,这些变量可以用离焦来补偿球差。将光标移到第面的半 径这列,然后按(如果你喜欢用来单界面,单击“半径”,然后选择 再从 菜单中选变量“ ”;你也可以在“半径”上双击,得到一个下拉的选择列,其中包 括了变量状态)。注意,出现“”表示一个可变的参量。按与菜单的功能相同。再在第 面半径以及第面的厚度上设置变化的标志,。第面的厚度变化时,它的值会复盖( 先前用解定出的值 现在我们需要为镜片定义个“评价函数( )”。评价函数从数学理念上指出 什么样的镜片是好的。评价函数就象是髙尔夫球赛的得分,分数越低越好。一个理想的镜头(对 于一个指定的应用)它的评价函数的值应为。 为了定义评价函数,从主菜单中选择“编辑()”菜单卜的“评价函数”。出现一个 与类似的电子表格。从这个新的窗口的菜单条上,选择“工具()”菜单下的“缺省评 价函数”。再在出现的对话框中,点击,然后。你最终将会明白这些操作的功能,但现 在你只需接受缺省值 很擅长于决定一个和合理的缺省评价函数 已经为你构建了一个缺省的评价函数,它由一系列的可以使得波前差最小的追 迹光线组成。但这并不够,因为除了使弥散斑尺寸最小外,我们还需要使镜头的焦距为 如不限定镜头的焦距, 会很快地发现,设定焦距无穷人(镜片相当于一个窗玻璃)会得 到很好的波前像差 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 键插 入新的一行。现在,在“”列下,输入“”然后按冋车。此操作数控制有效焦距。移 动光标到“”列,输入“”然后按回车。其“校重( )”输入个值:。这样 我们就完成了评价函数的定义,你可以在窗口的左上角双击,将评价函数编辑器从屏幕中移走, 评价函数不会丢大, 会自动将它保存。 现在从主菜单条中选择“L 口ET:.mD回囗E口 具”菜单下的“最佳化 )”,会显示最佳 化工只对话框。注意“自动吏新 )”复选框。如果 中以这个选项被选中,屏幕上当前所 显示的窗口(如光学特性曲线图) 会按最佳化过程中镜头的改变而 被自动更新。在该复选框中单击 选择自动更新,然后单击“自动 )”, 会很快 I TTLE ↓-回,PR 地减少评价函数。单击“退出 ()”关闭最佳化对话框。 最佳化的结果是使镜片弯 曲。结果所得出的镜片曲率使得 焦距大致为 并且使这个简单的系统具有了一个尽可能小的波前差 也许不 会很确切地将焦距优化到 ,因为限制是一个破看作与其他的像差一样的“权重”目 标 我们现在可以用光线特性 囗:区RDE囗 曲线图来研究计算结果。最佳 化的设计结果的最大的像差约 为微米,如图所小。 衡量光学性能的另一个方 法的是产生·个点列图。为了 PI 得到点列图,选择“分析”菜 单下的“点列图”选项,然后 选其中的“标准( 点列图将会显示在另一个窗口 中。此点列图的弥散大小是 微米。作为比较,艾利() 宀F:HF户 LE 衍射斑的大小粗略地约为微 BF程 米 另一个有用的判断工具是 图 图。这是以光瞳坐标为函 数的光程差(以主光线为基准) 分布图,它的光瞳坐标与光学特性曲线图中相同。为了看图,选择“分析”菜单下的“图”, 再选择“光程( )”。你可以参考图中的图。这个系统中有大约个波长的 波像差,人部分为焦面上的,球差,色球差和轴上色差。 你大概会意识 到,当波像差约等 于或小于四分之 T 波长时,镜片要考 虑“衍射极限”(可 参考有关此概念的旦 更为详细的讨论)。 显然,我们的单透 .〓 镜并没有达到衍射aB 极限。为了提高此 光学系统(或任何 ,■■ 光学系统)的性能, ECRL HFT工HP:,R 设计者必须判断哪哥E 种像差限制了其亚 R扫起 性能,以及什么操 作可以用米改正。 从光线图(图 )中,可较明显地看出,色差( )是其主要像差。(另一方面,它可能 不明显,可再看其他的一些能够提供有关光线图的建议的好书。) 为一阶色差的大小提供了另外一种简便的工具: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。为了得到多色光焦点漂移图,选择“分析 菜单中的“多方面( )”,然后再选“多色光焦点漂移 可以参考图注意纵坐标表示波长范围,覆盖了所定义的波长段,焦距的最大变化范 围约为微米。对于单透锐镜片来说,其曲线的单调变化类型是很典型的。 为了修正一阶多色差,要求有另外一种玻璃材料。这导出了我们的下一个例子,即双透镜的 设计。如果你想保存此镜片以用来作为以后的评估,选择“文件()”菜单下的“另存为( )”选项, 会提醒你输入一个文件名。任何一个以这种方式保存的镜头都可以通过选择 文件”菜单下的“打开()”选项来调用。要退出 请选择“文件”菜单下的“退 课程:双透镜 口”你将要学到的:产生图层和视场曲率图,定义边缘厚度解 定义视场角。 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,我们需要得到拋物线形 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 焦距和在轴上的设计要求,我们下面将会加入视场角。 如何选择这两片玻璃需要一些技巧,参考的《现代光学工程学 STARTING PRESCHIPTION FOR DOUBLET EXAMPLE SLLN 明1 Thickness ClEaR OBJ Infinity InfiniTY T 100.00a00o 3.000000 BK了 100.00000W 3.000000 SE1 -100.000000 100.000000 工MA Infinity )》里有关的例了。由于此例的目的是教你如何使用 而不是如何设计镜片, 我们这里只建议选择和这两种玻璃。如果你已完成了刚才的例子,且单透镜镜片仍然被 装载着,你不需要重新输入设计的波长。否则,请按照前面例子所述的方法输入波长和孔径。现 在必须插入新的白,直到你的窗口看上去象下面的表格。不是所有的列都会被显小出来。如 果你需要移动光阑的位置以使第一面成为光阑面,可以通过双击你所要使之成为光阑面的那一行 的表面类型列,然后选择“ ”按钮 因为在和这两种介质中没有空隙,这是一个胶合透镜。 自己不会模拟胶合 镜片,它只能简单地模拟使两片玻璃相接触 如果你在先前的例子中,仍然俣留了评价数,那么,你就不需要重新创建评价函数。否 則,请重新创建一个评价函数,包括操作数,如前一个例子所描述的 现在,从主菜单下选择“工 日:〖.②区卤DEG 具”“最仕化”,单击“自动”。 E 评价函数会廾始减小,等它停止 后单击“退出”。显示多色光焦 点漂移图,看看我们是否已有了 些提高(如果你的屏幕上还没 有准备好,选择“ (各种的)” )。它应该 与图类似。 我们现在已经减小了色差 TEAMSVERSE RAY FAN PL口T 的线性项,,二阶色差占了优势, E卜s卜 AS NE T工TLE 因此如抛物线形状所示。请注意 gM3E比Ea5:9 MLERONE 多色光焦点漂移量减少为微 米(单透镜为微米 图 还有另外的玻璃选择可以 产生较好的设计。要看 玻璃目录中的其他玻璃类型,选择“”, 浏览完目录后单击“” 现在,通过在光学特性 曲线窗口中选择 马 更新光学特性曲线图(如果 光学特性曲线窗口没有显示 出来,则在主菜单中选择 1. 的.571 山 )。图如 ,53 所示。最大的横向光学 像差已经被减小到约微 米。这对于单透镜在微米 n.山日见 」¢暑, 1四,区 处来说是一个质的提高。注 HRRT工LFL= L HIFT 意光学特性曲线图原点处的 T工TLE 斜率对于每个波长是大致 相同的,这表示每一个波长 相对离焦也是很小的,但是 图 斜率不为。这隐含了离焦被 用来平衡球差的意思。有形弯曲的光学特性曲线是典型的用离焦平衡球面镜片的例了。 现在我们已经设计了一个具有 较好的性能特征的镜片,镜片看上去 怎么样呢?选择“ ,让我们来 看看一个简单的镜片的二维剖面图。 图形显示如图所示。图中显示 了从第一面到像平面(缺省值,也可 设成其他值)的镜片,同时还有三条 (缺省情况下)上波长光线从每个视 LA'rOJT 场到像平面。这三条光线分别为入瞳 本例中也就是第面的上边 缘、中心和底部的光线。很明显,第 图 个镜片有较尖的边缘。根据图形很 难说出边缘厚度是正的或负的。而且,如果镜片尺寸稍微人一点会更好。这样可使镜片的实用清 晰孔径会比凵径要小,会给诸如抛光和装配等提供边缘空间 我们可以通过考虑这些因数来提高设计。为了决定实际的边缘厚度,可将光标移动到第 面的任意一列(例如,在中有“”字样处单击)。现在选择“ 将会出现一个窗口,告诉你该面的边缘厚度。所给出的值是,稍偏小。 在我们修整偏小的边缘厚度之前,我们将先将镜片放人。移动光标刭第一面的半口径 ”列,键入“”替代所显示的 会消去并显示“ “”标志着这个孔径是用户自定义的。如果“”没有显小,表小 允许此孔径可随要求 定义。你可以键入来取消“”标志,或在半口径上双击,并为求解类型选择“ 作了这些改变后,选择“ ”更新孔径值。这个值为半∏径,表示全冂径为 。同样,在第二面和第三面中也输入。 更新图层。现在孔径已经被放大了,但第一个边缘厚度是负的!更新表面数据窗口查看新 的边缘厚度,它会变成一个负数。为了得到一个更为合理的边缘厚度,我们可以增加中心厚度。 但是还有一个更有用的保持边缘厚度为一个特定值的方法。 DE: 920 E DBT:7,@四二EG aBT:1区.aEG T:丫[Y SisI 卜十 TEANSVE怎 E Er FA F0T ,;·1g四,ET口1四四,回B2 MEEON5 图 假设我们需要保持边缘厚度在,在第一面的厚度列中双击,会出现“ 屏幕,从所显小的求解列表中选择“ 两个值会被显 是“厚度 )”,一个是“半径高( )”。设厚度为,半径高为(如果半径高是, 使用所定义的半∏径),然后单击“”。在中,第面的厚度已被调整过,字母“” 显示在框中,表示此参量为一个活动的边缘厚度解 再次更新表面数据窗口,边缘 厚度会被列出。你也可以选择 次性更 新所有的窗凵。这将会刷新图层和光 学特性曲线图。通过调墼厚度,我们 已对镜片的焦距作了一点改变。如果 你喜欢,现在可以看一卜光学特性曲 线图。然后,再进行最佳化(选择 TTTT ”,然后选 MILI2=限B ”)。最住化后,单击:兵E FTH± uUATUHE IMNETIOI T凵,E ,然后选择 再·次刷新图形 现在我们来测试双透镜的离轴 特性。从主菜单选择“ 得到 ”对话框,单击第和第行的“” 选择个视场。在下面的视场列的第行,输入(即度),在第行输入。使对于轴上的第 行保持为,使视场的值也为,因为一个旋转对称系统,其视场的值很小。单击关闭对话 框 现在选择“ (系统,更新),光学特性曲线()图显示在图 中,你所得的也许会有一点不同,还要看你在设置了求解( )后是如何重新优化的。 就如你从这些图中所看到的,镜头的轴外特性是很差的,原因是我们只对轴上特性进行了 优化。现在是什么像差限制了我们呢?可以来分析光学特性曲线图,判别出场曲是主要像差。此 像差可以通过场曲曲线图来估计。选择“ 场 曲曲线如图所示。注意左图表示出了近轴焦点的漂移为一个关于视场角的函数,而右图则 表示了有以近轴光线为基准的实际光线的畸变。场曲曲线图上所有信息都可从光学特性曲线图 中得到,场曲曲线与光学特性由线图中的斜率成比例 在校正视场弯曲时是有技巧的,实际上,球差和彗差也同样如此。这些技巧在的 》中也有提及。 课程:牛顿望远镜( 口”,你将要学到的:使用反射镜,圆锥常量,坐标中断,三维图 形,暗化 如果你已经通过了前面两个例子,你可以继续一个比较复杂的设计了。 牛顿望远镜是最简单的用来矫正轴上像差的望远镜,而且它对于阐明 的一些基本操 作非常有用。首先,牛顿望远镜是由·个简单的抛物线形镜面组成的,而且除此之外别无它物 挞物线很好地矫正了所有阶的球差,由于我们只将望远镜使用在轴上系统,所以根本就没有其他 的像差。为了重新开始,先关闭除了外的所有窗凵,选择“”,“”。 假设我们需要一个 的望远镜,这暗指需要一个由率半径为 的镜面,和 个 的孔径。移动光标到第一面,即光阑面的曲率半径列,输入 ,负号表示为門 面。现在在同·个面上输入厚度值,这个负号衣示通过镜面折射后,光线将往“后方”传 递。现在在同一面的“ ”列输入“ ”,选择“ 然后在“通 用数据对话框 )”中输入一个的孔径值,并单击“”。 使用的缺省值是波长,视场角,这对于我们的目标来说是可接受的。现在打 开一个图层窗口,光线显示了从第一面到象平面的轨迹,此时象平面在镜面的左边。如果你现在 演示个标准的点列图(拉下“ ”菜单,选择“ ,再选“ 或 键入“”),你将会看到一幅为微米的点列图。评定像质的一种较为简便的方法 是将艾利()衍射斑加到点列图的顶部。进行此操作,可从点列图的菜单条选择“ 在 ”选项中选择“ ,然后单击“”,所得的点列图如图所小 所列的点的尺寸是微米,光线并没有达到衍射极限的原因是我们还没有输入圆锥 常量。我们原先所输入的这个曲率半径只是定义了一个球形,我们需要一个锥形常量米 定义抛物线。在第一面的 列输入一,敲回车,现在选“ ”菜单项 刷新所有的窗口,在更新后的点列图上,你可以看到有一小簇的光线在六角环带的中心, 点尺寸是 很不幸,这个高像质的图象所处的位置并不好。山于像处在入射光路的光程中,图象无法 接收。这通常在主镜面后安放一个转折光线用的反射面米调整,反射镜面以度的角度颂斜, 将像从光轴上往外转出来。为了使用转折面,我们首先必须定下它该安放在哪儿。由于入射的光 束为 宽,我们所需要的像平面至少要离开光轴 我们选择 ,因此折叠镜面 必须距主反射面有 ,55 工hR:2.RaHH TITLE 1996 LYTS AEE MICRDNS PEFEREREE CHIEF PHT 图 先从改变第一面的厚度着手,将之改为 。现在移动光标到像平面,按在主面 与像平面之间插入一个虚构的面。新的面很快会被转换为折叠面。虚构面的作用只是简单地用来 安放折叠镜面。 在新的虚构面上输入一个-的厚度值,保持镜面到像平面的总距离为 现在单击“ 然后设置 ”为,单击“”,所 得的电子表格会被显示出来,而且会与下表相似(为了清楚起见,有些列已被省略) PRESCRIPTION FOR NEW TONIAN TELESCOPE EXAMPLE 出x上器 cO IYP Had 主cknE 1I= HONe standard In tinity Infinity 0.D0o STO standard -2000-000 00000 MIRROR 1.00000 Dora Break 0.000 45.00000 Standard Infinity 0.000 MIRROR 0.00000 Cora break 200.000 45,00a00 Standard Infinity 0.0000 现在我们可以看看我们的新的折叠式牛顿反射镜系统。先前所使用的图将不再起作用(它 只对旋转对称系统有作用),取而代之的是维图形,可通过“ 菜单来得到。一旦三维图形显示出来,即可用左、右、上、卜、 和 键来控制 图形的旋转。 允许图形的交互式旋转。图显示了一种可能的投影。 这个设计投影图可用多种方法完善。首先,光线从物体到镜面可被显示出来。还有,洛在 折叠镋面后面的光线应该被拦去,且不允许它落在像平面上。这对于真正的系统来说,是非常重 要的,因为光线在通常的光学系统中,不可能物理地穿过反射镜 首先,我们将光标停在第一面,在光阑前加入一个虚构的面。现在使得虚构面的厚度为 双击第一面的“ ,在对话框中为孔径类型选择圆形遮拦(“ ”),在光束中安放个“遮拦( )”,这样就考虑到了折叠反射镜阻挡了 一些光束。为“最大半径( )”输入,然后单击,再更新维图。系统现在如图

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