學習：ZEMAX序列工作模式.doc

ZEMAX的序列工作模式簡介本資料的主要內容包括： Layouts (外形圖) Spot Diagrams (點列圖) Rayand Optical Path Difference (OPD) Fans (光線及光程差曲線) MTF (調制傳遞函數(shù))的計算 擴展光源的仿真 離軸系統(tǒng) 系統(tǒng)孔徑，視場，及波長數(shù)據(jù)一、什么是序列光線追跡在用光學軟件模擬光通過光學系統(tǒng)的傳播時，做光線追跡是一種常用的方法。通過光線追跡來模擬光的傳播通常稱為幾何光學。所謂的序列光線追跡，就是對光學面事先定義一個順序，光線的傳播按照從物面到像面的順序進行，如按圖1中的箭頭方向。按照已定義好的順序，光線與每個面只相交一次。這些按順序排好的光學面可以充分反映成像系統(tǒng)的性質。序列光線追跡方法的數(shù)值運算速度非常塊，特別適用于對系統(tǒng)的設計、優(yōu)化和容差分析。這種方法還可以給出系統(tǒng)的ray fan plots(光線扇曲線)，做衍射計算，以及計算波前像差。圖1 序列模式下光線的有序傳播很多傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)都屬于成像系統(tǒng)，包括攝影物鏡、攝遠鏡頭、顯微鏡、望遠鏡、中繼透鏡和光譜儀。二、ZEMAX的圖形用戶界面第一次打開ZEMAX(無論是演示版還是完整的注冊版)，用戶看到的是main menu bar(主菜單欄)，button bar (按鈕欄)，和Lens Data Editor (LDE，透鏡數(shù)據(jù)編輯器)。ZEMAX的所有功能都可以通過main menu bar上的各個菜單訪問。其中的大部分功能可通過main menu bar下面的按鈕欄訪問，所指定的按鈕可通過File Preferences操作來改變。按鈕欄的下面是Lens Data Editor，其窗口可以移動，窗口大小也可變化。Lens Data Editor有Comments(注釋), Radius(半徑), Thickness(厚度), Glass(玻璃)， and Semi-Diameter(半口徑，即徑向無遮擋部分的口徑)，和Conic constant(二次曲面系數(shù))，其中后5項用于描述光學元件的主要特征。Lens Data Editor的每一行對應一個光學面。各面有自己的局部坐標系統(tǒng)。各面沿光軸方向的位置是相對于前一面的。換句話講，Lens Data Editor中的厚度是從前一面，而不是從全局參考點開始計算的。按缺省設置，Lens Data Editor有3個面：物面，光闌，和像面。在Lens Data Editor最左側的窄欄內，它們分別標志為OBJ, STO, 和 IMA。與該欄相鄰的下一欄，描述的是面的類型，缺省類型為Standard面。ZEMAX中還有很多其它的類型。Conic constant欄以右的其他欄目用于設置高級表面類型的附加參數(shù)。三、Layout(外形圖)窗口將文件菜單中的Use Session Files項選中。這一選項的作用可以這樣描述：在打開某個ZEMAX文件時，如果預先選擇了Use Session Files選項，并且在前一次保存這個文件前，打開了幾個分析窗口，那么這次ZEMAX會自動打開這幾個分析窗口。如果不選Use Session Files選項，那么ZEMAX在打開文件時，因不需打開分析窗口，因此打開文件的速度要明顯地快一些。從主菜單上，選擇File Open，這時已進入缺省的Samples子目錄，繼續(xù) Sequential Objectives Double Gauss 28 degree field.zmx。這是一個常用的攝影物鏡，由12個面組成，其中的第6面是光闌面(STO)。每個面都對應有Radius、Thickness、Glass和Semi-Diameter.參數(shù)項。如果Use Session Files項是選中的，在打開這個雙高斯透鏡時，Layout窗口會自動打開。外形圖的作用就是讓用戶了解自己所設計的透鏡的外觀。Layout窗口和其他窗口一樣，可以移動，也可以改變大小。要改變該窗口的設置，從Layout窗口菜單欄單擊Settings，用戶可在接下來彈出的對話框中訂制自己的Layout圖設置。將Number of Rays改成7，再選中Fletch Rays(動詞fletch是裝上羽毛的意思，選中Fletch Rays選項光線上將出現(xiàn)箭頭)，然后擊OK?，F(xiàn)在Layout圖已經(jīng)有了變化，每個視場有7條光線，而不是原來的3條。光線加上了表示傳播方向的箭頭。在ZEMAX中，要改變任何一個窗口的缺省設置都遵循這樣一個基本過程。 如果期望能更加清晰地觀察Layout窗口的內容，可把這個窗口放大。要放大圖形任何一部分，按住鼠標左鍵，然后用鼠標拖過這部分圖形即可。圖形可放大許多倍，可顯示驚人的細節(jié)。相反，要縮小圖形，只需從Layout窗口的菜單欄執(zhí)行Zoom Unzoom即可。還可以從主菜單欄，通過Analysis Layout，打開其他類型的Layou圖。也可以在菜單欄上定義分析曲線的快捷鍵。例如，單擊按鈕欄上的Lay按鈕，可以打開2D layout圖，也就是我們剛剛看過的那一種。注：要關閉任何一個打開的窗口，可單擊窗口右上角的X。四、Spot diagram analysis(點列圖分析)ZEMAX能生成很多其他類型的分析窗口。如果選中了Use Session Files，在打開上述雙高斯透鏡文件的時候，還會打開一個Matrix Spot Diagram(點列圖)。該分析窗口描述的是在不同的視場和波長相組合的條件所產(chǎn)生的spot。還有幾種其他類型的spot圖。要打開Standard Spot Diagram，從主菜單上選擇Analysis Spot Diagrams Standard。雙高斯透鏡的spot diagram馬上出現(xiàn)在窗口中?，F(xiàn)在單擊Spot Diagram窗口的Settings。注意settings對話框中的Pattern選項設為了Hexapolar。Pattern選項描述從物面向入瞳發(fā)出的光線的分布結構。Hexapolar是入瞳面上缺省的光線分布?，F(xiàn)在從下拉菜單中選擇Dithered來取代原來的Hexapolar。然后擊OK關閉對話框。此時，spot diagram發(fā)生了變化，由原來的六角形，變?yōu)榱藗坞S機型。 注：用右鍵單擊某一窗口，即可打開該窗口的Settings對話框。五、Ray and OPD fan (光線的OPD扇分析)要在ZEMAX中觀察光學系統(tǒng)的幾何像差，可利用ZEMAX的ray aberration和optical path difference fan分析功能。具體方法就是從主菜單上擊Analysis Fans現(xiàn)在，Analysis Fans Ray Aberration，打開光線扇曲線窗口。該窗口描給的是在每一視場和每一波長下，子午和弧矢方向的光線扇像差曲線。除光線像差外，ZEMAX還能給出波前像差曲線。這種分析曲線稱為OPD(光程差)曲線。從主菜單上，執(zhí)行Analysis Fans Optical Path，就可打開OPD曲線。ZEMAX能給出在各視和各波長條件下的波前像差曲線。注：很多分析曲線支持激活的光標，即當光標在圖形上移動時，在圖形窗口的標題欄將顯示光標的坐標?？稍贠PD或Ray Fan窗口嘗試一下這上功能。六、MTF分析ZEMAX還具備復雜的衍射分析功能。從主菜單欄選擇File Open，打開文件Samples Sequential Objectives Cooke 40 degree field.zmx。這是一個簡單的三合物鏡。注：也可用按鈕欄上的Ope按鈕來打開文件。要觀察這個三合透鏡的MTF，從主菜單欄上選擇Analysis MTF FFT MTF，或者直接在按鈕欄擊MTF按鈕。所謂的MTF曲線是指用FFT(快速傅里葉變換)方法繪出的橫坐標是空間頻率，縱坐標是各視場條件的子午或弧矢響應。ZEMAX也能給出基于Huygens積分的MTF曲線。要觀察這個三合透鏡的衍射極限MTF，可擊FFT MTF窗口菜單欄的Settings，然后選中Show Diffraction Limit框，再擊OK。這樣在曲線上就添加了衍射極限。七、擴展光源的仿真在ZEMAX中，可利用其Geometric Image Analysis(幾何圖像分析)功能來模擬光源。這項功能可用于分析以物面上任意一點為中心的二維擴展光源的有效分辨率，顯示其畸變，計算其幾何效率。我們可利用這個三合透鏡來檢驗ZEMAX的圖像分析能力。從菜單欄擊Analysis Image Analysis Geometric Image Analysis，來打開GeometricImage Analysis窗口。窗口當中將出現(xiàn)一個類似字母F的曲線(這就是缺省的擴展光源)。下面要調出一個格柵圖像來代替這個字母F。擊Geometric Image Analysis菜單欄的Settings，將Settings改為GRID.IMA。用戶要了解用于產(chǎn)生擴展光源的IMA格式的細節(jié)，可參閱ZEMAX用戶手冊。在這個Geometric Image Analysis窗口下，也可將Show選項改為False Color(假彩色)。False Color選項的作用是模擬在像元數(shù)量有限的探測器上的圖像。擊OK，以便在這些新設置下重新對圖像進行分析。ZEMAX還有Geometric Bitmap Image Analysis分析功能，它與Geometric Bitmap Image Analysis功能類似，不同的是，它采用標準的Windows bitmaps (BMP)文件作為光源。在這項功能下，ZEMAX分別用紅、綠、藍三個波長對像面上或其他面上的探測器像元進行追跡，從而產(chǎn)生RGB圖像。如果是對光譜的其他部分進行分析，也可選擇其他三個波長。這一功能可用于分析照片效果的圖像，或以bitmap格式產(chǎn)生和存儲的定制目標。打開Geometric Bitmap Image Analysis窗口，并做如下設置：在Input 欄選擇ALEX200.BMP.，將X-Pixels和Y-Pixels改為100(作用是增大像面上像元的數(shù)量)，將X Pixel Size 和 Y Pixel Size 改為0.5(作用是減小每個像元的尺寸)。最后將Rays x 1000改為 100(作用是增加被追跡光線的數(shù)量)。 ZEMAX還有Diffraction Image Analysis功能，它與Geometric Image Analysis功能類似，所不同的是，它的分析對象是衍射圖像。Diffraction Image Analysis所使用的圖像文件格式與Geometric Image Analysis的圖像格式相同。將理想圖像轉換到頻域，將它與光學傳遞函數(shù)相乘。然后再把它轉換回空域，回到像面上，產(chǎn)生一幅衍射圖像。ZEMAX的這一功能可用于分析這樣的小圖像：在整個視場內，MTF是常數(shù)，衍射效應使得圖像變得模糊。為了增加衍射圖像的分辨率和像元數(shù)量，可對圖像做Over-sampling 和 zero-padding，而不必重新定義圖像文件。打開Diffraction Image Analysis窗口，并對設置做如下更改：將File Size減小為0.01(作用是減小擴展光源的尺寸)；將Oversampling改為10 X(作用是加大擴展光源的分辨率)。然后擊“OK”開始分析。八、離軸系統(tǒng)ZEMAX也能模擬離軸的光學系統(tǒng)，例如加有折疊反射鏡，或傾斜元件，或離軸圓錐反射面的系統(tǒng)。打開文件Samples Sequential Tilted systems & prisms Tilted mirror.zmx，這是一個折疊反射鏡，用戶可以觀察它的3D外形圖，其反射鏡面(surface 3)是傾斜的，此面之后的光束路徑發(fā)生轉折。在該系統(tǒng)中，反射鏡的傾斜是通過將某兩個面的類型設為Coordinate Break實現(xiàn)的。在LDE中單surface 2所在行的任意位置。用鍵盤上的鍵移動光標，經(jīng)過Conic欄后，用戶會看到decenter和tilt欄。注意在這個例子當中，其Tilt About X參數(shù)設成了10，其作用就是使反射鏡繞X軸旋轉10度?，F(xiàn)在打開文件Samples Sequential Telescopes Unobscured Gregorian，這是一個由兩個圓錐反射面組成的望遠鏡。從其Shaded Model外形圖上可見，它的主鏡和次鏡都用Coordinate Break實現(xiàn)了傾斜。結果使次鏡(surface 5)偏離了初始的光束路徑，從而避免主鏡對次鏡造成遮擋。注：在LED中選擇一個面(用鼠標單擊該面)，外形圖上該面就將以高亮顯示。在上面的Shaded Mode外形圖中，主鏡(surface 4)是以高亮顯示的。在這個望遠鏡中，主鏡是一個離軸錐面，它的離心孔徑與入射光束相對準。在LDE中雙擊surface 4的Standard欄，結果是打開了surface 4的Surface Properties對話框。再單擊其Aperture標志，觀察Aperture type欄設成了離心的Circular Aperture。如果用戶希望進一步了解用ZEMAX模擬離軸光學系統(tǒng)的有關知識，可