光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計（Zemax初學(xué)手冊）7個設(shè)計實例.doc

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計（Zemax初學(xué)手冊）-7個設(shè)計實例蔡長青ISUAL 計劃團隊國立成功大學(xué)物理系（第一版，1999年7月29日）前言整個中華衛(wèi)星二號“紅色精靈”科學(xué)酬載計劃，其量測儀器基本上是個光學(xué)儀器。所以光學(xué)系統(tǒng)的分析乃至于設(shè)計與測試是整個酬載發(fā)展重要一環(huán)。這份初學(xué)手冊提供初學(xué)者使用軟體作光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計練習(xí)，整個需要Zemax光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計軟體。它基本上是Zemax使用手冊中tutorial的中文翻譯，由蔡長青同學(xué)完成，并在Zemax E. E. 7.0上測試過。由于蔡長青同學(xué)不在參與“紅色精靈”計畫，所以改由黃曉龍同學(xué)接手進行校稿與獨立檢驗，整個內(nèi)容已在Zemax E. E. 8.0版上測試過。我們希望藉此初學(xué)手冊（共有七個習(xí)作）與后續(xù)更多的習(xí)作與文件，使團隊成員對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計有進一步的掌握。（陳志隆注）習(xí)作一：單鏡片(Singlet)你將學(xué)到：啟用Zemax，如何鍵入wavelength，lens data，產(chǎn)生ray fan，OPD，spot diagrams，定義thickness solve以及variables，執(zhí)行簡單光學(xué)設(shè)計最佳化。設(shè)想你要設(shè)計一個F/4單鏡片在光軸上使用，其focal length 為100mm，在可見光譜下，用BK7鏡片來作。首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作場所，譬如你決定要用何種鏡片，幾個鏡片，鏡片的radius，thickness，大小，位置等。然后選取你要的光，在主選單system下，圈出wavelengths，依喜好鍵入你要的波長，同時可選用不同的波長等?，F(xiàn)在在第一列鍵入0.486，以microns為單位，此為氫原子的F-line光譜。在第二、三列鍵入0.587及0.656，然后在primary wavelength上點在0.486的位置，primary wavelength主要是用來計算光學(xué)系統(tǒng)在近軸光學(xué)近似(paraxial optics，即first-order optics)下的幾個主要參數(shù)，如focallength，magnification，pupil sizes等。再來我們要決定透鏡的孔徑有多大。既然指定要F/4的透鏡，所謂的F/#是什么呢？F/#就是光由無限遠入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直徑的比值。所以現(xiàn)在我們需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是從system menu上選general data，在aper value上鍵入25，而aperture type被default為Entrance Pupil diameter。也就是說，entrance pupil的大小就是aperture的大小?；氐絃DE，可以看到3個不同的surface，依序為OBJ，STO及IMA。OBJ就是發(fā)光物，即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照過來所遇到的第一個透鏡，你在設(shè)計一組光學(xué)系統(tǒng)時，STO可選在任一透鏡上，通常第一面鏡就是STO，若不是如此，則可在STO這一欄上按滑鼠，可前后加入你要的鏡片，于是STO就不是落在第一個透鏡上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面?；氐轿覀兊膕inglet，我們需要4個面 (surface)，于是在STO欄上，選取insert after，就在STO后面再插入一個鏡片，編號為2，通常OBJ為0，STO為1，而IMA為3。再來如何輸入鏡片的材質(zhì)為BK7。在STO列中的glass欄上，直接打上BK7即可。又孔徑的大小為25mm，則第一面鏡合理的thickness為4，也是直接鍵入。再來決定第1及第2面鏡的曲率半徑，在此分別選為100及-100，凡是圓心在鏡面之右邊為正值，反之為負值。而再令第2面鏡的thickness為100?，F(xiàn)在你的輸入資料已大致完畢。你怎么檢驗?zāi)愕脑O(shè)計是否達到要求呢？選analysis中的fans，其中的Ray Aberration，將會把transverse的ray aberration對pupil coordinate作圖。其中ray aberration是以chief ray為參考點計算的。縱軸為EY的，即是在Y方向的aberration，稱作tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration稱為XZ plane或sagittal。Zemax主要的目的，就是幫我們矯正defocus，用solves就可以解決這些問題。solves是一些函數(shù)，它的輸入變數(shù)為curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相關(guān)的parameters等。parameters是用來描述或補足輸入變數(shù)solves的型式。如curvature的型式有chief ray angle，pick up，Marginal ray normal，chief ray normal，Aplanatic，Element power，concentric with surface等。而描述chief ray angle solves的parameter即為angle，而補足pick up solves的parameters為surface，scale factor兩項，所以parameters本身不是solves，要調(diào)整的變數(shù)才是solves的對象。在surface 2欄中的thickness項上點兩下，把solve type從fixed變成Marginal Ray height，然后OK。這項調(diào)整會把在透鏡邊緣的光在光軸上的height為0，即paraxial focus。再次update ray fan，你可發(fā)現(xiàn)defocus已經(jīng)不見了。但這是最佳化設(shè)計嗎？再次調(diào)整surface 1的radius項從fixed變成variable，依次把surface 2的radius，及放棄原先的surface 2中thickness的Marginal Ray height也變成variable。再來我們定義一個Merit function，什么是Merit function呢？Merit function就是把你理想的光學(xué)要求規(guī)格定為一個標準(如此例中focal length為100mm)，然后Zemax會連續(xù)調(diào)整你輸入solves中的各種variable, 把計算得的值與你訂的標準相減就是Merit function值，所以Merit function值愈小愈好，挑出最小值時即完成variable設(shè)定，理想的Merit function值為0。現(xiàn)在談?wù)勅绾卧O(shè)Merit function，Zemax 已經(jīng)default 一個內(nèi)建的merit function，它的功能是把RMS wavefront error 減至最低，所以先在editors中選Merit function，進入其中的Tools，再按Default Merit Function 鍵，再按ok，即我們選用default Merit function ，這還不夠，我們還要規(guī)定給merit function 一個focal length 為100的限制，因為若不給此限制則Zemax會發(fā)現(xiàn)focal length為 時，wavefront aberration的效果會最好，當然就違反我們的設(shè)計要求。所以在Merit function editor第1列中往后插入一列，即顯示出第2列，代表surface 2，在此列中的type項上鍵入EFFL(effective focal length)，同列按Automatic鍵，完畢后跳出來，此時你已完成設(shè)計最佳化。重新檢驗ray fan，這時maximum aberration已降至200 microns。其他檢驗optical performance還可以用Spot Diagrams及OPD等。從Analysis中選spot diagram中的standard，則該spot大約為400 microns上下左右交錯，與Airy diffraction disk比較而言，后者大約為6 microns交錯。而OPD為optical path difference(跟chief ray作比較)，亦從Analysis中挑選，從Fans中的Optical Path，發(fā)現(xiàn)其中的aberration大約為20 waves，大都focus，并且spherical，spherochromatism及axial color。 Zemax 另外提供一個決定first order chromatic aberration 的工具，即 the chromatic focal shift plot，這是把各種光波的back focal length跟在paraxial上用primary wavelength 計算出first order的focal length之間的差異對輸出光波的wavelength 作圖，圖中可指出各光波在paraxial focus上的variation。從Analysis中Miscellaneous項的Chromatic Focal Shift即可叫出。習(xí)作二：雙鏡片你將學(xué)到：畫出layouts和field curvature plots,定義edge thickness solves, field angles等。一個雙鏡片是由兩片玻璃組成，通常黏在一起，所以他們有相同的curvature。藉著不同玻璃的dispersion性質(zhì)，the chromatic aberration可以矯正到first order所以剩下的chromatic aberration主要的貢獻為second order，于是我們可以期待在看chromatic focal shift plot圖時，應(yīng)該呈現(xiàn)出paraboliccurve的曲線而非一條直線，此乃second order effect的結(jié)果（當然其中variation的scale跟first order比起來必然小很多，應(yīng)該下降一個order）。跟習(xí)作一一樣，我們?nèi)匀灰O(shè)計一個在光軸上成像，focal length為100mm的光學(xué)系統(tǒng)，只不過這次我們用兩塊玻璃來設(shè)計。選用BK7和SF1兩種鏡片，wavelength和aperture如同習(xí)作一所設(shè)，既然是doublet，你只要在習(xí)作一的LDE上再加入一面鏡片即可。所以叫出習(xí)作一的LDE，在STO后再插入一個鏡片，標示為2，或者你也可以在STO前在插入一面鏡片標示為1，然后在該鏡片上的surface type上用滑鼠按一下，然后選擇Make Surface Stop，則此地一面鏡就變成STO的位置。在第一、第二面鏡片上的Glass項目鍵入BK7即SF1，因為在BK7和SF1之間并沒有空隙，所以此doublet為相黏的二鏡片，如果有空隙則需5面鏡因為在BK7和SF1間需插入另一鏡片，其glass type為air。 現(xiàn)在把STO后的二面鏡的thickness都fixed為3，僅第3面鏡的thickness為100且設(shè)為variable，既然要最佳化，還是要設(shè)merit function，注意此時EFFL需設(shè)在第三面鏡上，因為第3面鏡是光線在成像前穿過的最后一面鏡，又EFFL是以光學(xué)系統(tǒng)上的最后一塊鏡片上的principle plane的位置起算。其他的merit function設(shè)定就一切照舊。既然我們只是依習(xí)作一上的設(shè)計規(guī)范，只不過再加一面SF1鏡片而已，所以其他的merit function設(shè)定就一切照舊?，F(xiàn)在執(zhí)行optimization，程序如同習(xí)作一，在optimization結(jié)束后，你再叫出Chromatic Focal Shift來看看，是否發(fā)現(xiàn)first order的chromatic aberration已經(jīng)被reduced，剩下的是second order chromatic aberration在主宰，所以圖形呈現(xiàn)出來的是一個parabolic curve，而且現(xiàn)在shift的大小為74 microns，先前習(xí)作一為1540 microns。再看其他的performance效果，叫出Ray aberration，此時maximum transverse ray aberration已由習(xí)作一的200 microns降至20 microns。而且3個不同波長通過原點的斜率大約一致，這告訴我們對每個wavelength的relative defocus為很小。再者，此斜率不為0(比較習(xí)作一Fig E1-2)，這告訴我們什么訊息呢？如果斜率為0，則在pupil coordinate原點附近作一些變動則并不產(chǎn)生aberration代表defocus并不嚴重，而aberration產(chǎn)生的主要因素為spherical aberration。故相對于習(xí)作一(比較他們座標的scale及通過原點的斜率)，現(xiàn)在spherical aberration已較不嚴重(因為aberration scale已降很多)，而允許一點點的defocus出現(xiàn)，而出現(xiàn)在rayfan curve的S形狀，是典型的spherical balanced bydefocus的情況?，F(xiàn)在我們已確定得到較好的performance，但實際上的光學(xué)系統(tǒng)長的什么樣子呢？選擇Analysis，Layout，2D Layout，除了光學(xué)系統(tǒng)的擺設(shè)外，你還會看到3條分別通過entrance pupil的top，center，bottom在空間被trace出來，他們的波長是一樣的，就是你定的primary wavelength(在此為surface 1)。這是Zemax default的結(jié)果。但是現(xiàn)在還有一個問題，我們憑直覺定出STO的thickness為3，但是真正在作鏡片的時候，STO和surface 2鏡面會不會互相交錯穿出，即在edge的thickness值為正數(shù)或負數(shù)，還有是不是應(yīng)該改一下設(shè)計使lens的aperature比diameter小，如此我們可預(yù)留些邊緣空間來磨光或架鏡。于是我們可能更改的是diameter，STO的thickness來解決上述問題。先在STO的diameter上鍵入14來蓋過12.5，此時會有一個”U”字出現(xiàn)代表user define，現(xiàn)在設(shè)想我們要edge thickness固定為3mm，可是你或許會問這樣系統(tǒng)豈不是弄亂了嗎？defocus又會出現(xiàn)，關(guān)鍵是再一次執(zhí)行optimization即可。在STO的thickness上按一下，選擇Edge Thickness項目，則會出現(xiàn)”Thickness”及”RadialHeight”兩項，設(shè)thickness為3及radial height為0(若radial height為0，則Zemax就使定user define的semi-thickness)按OK跳出，你會發(fā)現(xiàn)STO的thickness已改變，且會出現(xiàn)一個”E”字代表an activethickness solve在該項的parameter上。既然edge thickness已改變，所以focal length也一定有些許變動，為了維持原有的EFFL，現(xiàn)在再執(zhí)行optimization一次即可。現(xiàn)在我們想看看off-axis的performance，從system的Fields中的FieldData，選用3個field來作比較，怎么選呢？在第2及第3個列中的”Use”項中各按一下，在第2列的yfield行中鍵入7(即7 degree)，在第3列中鍵入10，第一列則讓它為0即持續(xù)on-axis。而設(shè)所有的x field皆為0，對一個rotational對稱的系統(tǒng)而言，他們的值很小，按OK鍵跳出?，F(xiàn)在Update rayfan，你可看到如Figure E2-4之圖。圖中T代表tangential，S為sagittal，結(jié)果顯示off-axis的performance很差，這是因為一開始我們就設(shè)計系統(tǒng)在on-axis上來作optimization，這些aberration可以用field curvatureplot來估計，選Analysis中，Miscellaneous的Field Curv/Dist。則出現(xiàn)如Figure E2-5的圖，左圖表示shift in paraxial focus為field angle的函數(shù)，而右圖為real ray的distortion，以paraxial ray為參考ray。在field curvature plot的訊息也可從rayfans中得知，為field curvature plot是正比于在rayfan plot中通過原點的斜率。習(xí)作三：牛頓望遠鏡你將學(xué)到：使用mirrors，conic constants，coordinate breaks，three dimensional layouts，obscurations。牛頓望遠鏡是最簡單的矯正所有on-axis aberrations的望眼鏡。牛頓望遠鏡是利用一個簡單的parabolic mirror完美地矯正所有order的spherical aberration，因為我們只在optical axis上使用，除spherical aberration外并沒有其他的aberration。假想要設(shè)計一個1000mm F/5的望遠鏡，我們需要一個具有2000mm的curvature及200mm的aperture。在surface 1即STO上的curvature項中鍵入-2000 mm，負號表示對object而言，其曲面為concave，即曲面對發(fā)光源而言是內(nèi)彎的。在thickness項中鍵入-1000，負路表示光線沒有透過mirror而是反射回來，在Glass項中鍵入MIRROR，最后在System的General項中的aperture中鍵入200。Wavelength選用0.550，field angel則為0?，F(xiàn)在看看spot diagram，你會看到一個77.6 micronsRMS的spot diagram，而一個很方便估算image quality的方法就是在spot diagram的頂端上再superimpose一個Airy diffraction ring。從spot diagram的menu bar選擇Setting，在Show Scale上選”Airy Disk”，結(jié)果如圖Figure E3-1所示，你會發(fā)現(xiàn)和選”scale bar”的結(jié)果是一樣的。圖中所列的RMS spot size選”Airy Disk”為77.6 microns。光線并沒有diffraction-limited的原因是因為我們還沒有設(shè)定conic constant。先前我們設(shè)定的curvature的值為-2000只是定義一個球面，若要定義一個拋物面鏡，則在STO的Conic項中尚需鍵入-1，接下來Update spot diagram，你會看到”Airy ring”為一個黑圈，而光線則聚集在圈內(nèi)中心上，RMS值為0?？上У氖?，成像的位置很不好，所謂的不好是它位于在入射光的路徑上，若你要看這個像的話，你的觀看位置剛好擋住入射光。改善的方法是在反射鏡的后面再放一個折鏡，fold mirror(后面是相對于成像點而言)。這個fold mirror相對于光軸的傾斜角度為45，把像往上提離光軸。因為進來的光束為200mm寬，因此成像平面至少在離光軸100mm的上方，如此”看”像的時候才不會擋住入射光。我們決定用200mm，而fold mirror離先前的反射鏡面為800mm，因為200+800=1000等于原先在STO上的thickness，即成像”距離”不變。操作如下，先把STO的thickness改為-800，然后在imagineplane前插入一個dummy surface，為何要插入dummy surface呢？又dummy surface是什么呢？dummy surface的目的只是在幫助我們把fold mirror的位置標示出來，本身并不具真實的光學(xué)鏡片意義，也不參予光學(xué)系統(tǒng)的任何”反應(yīng)”，所以稱為dummy surface。怎么插入dummy surface呢？先在image plane前面插入一個surface，這個surface很快地就會被轉(zhuǎn)變成fold mirror，但是你不要自己在surface type處去改變它成為fold mirror，而是選Tools中的Add Fold Mirror，并在其”foldsurface”處選”2”代表定義surface 2為fold mirror，完成后你將看到如Zemax P.31頁中LED的表。或許你會問，表中surface type處在surface 2及4中皆為Coord Break，這又是什么？coordinate breaksurface是在目前的系統(tǒng)內(nèi)定義一個新座標系統(tǒng)，它總是用dummy surface的觀念用來作ray tracing的目的。而在描述此新座標系統(tǒng)中，通常選用6個不同參數(shù)，即x-decenter，y-dencenter，tiltx，tilty，tiltz及一個flag來指示tilting或decentration的order。要注意的是，coordinate break總是相對于“current”而“global”的coordinate system，即只是在一個系統(tǒng)內(nèi)部，若要改變某樣物件的位置或方向，我們即利用coordinate break來作此物件的區(qū)域調(diào)整，而不用重新改變所有的系統(tǒng)各部份。Coordinate break就像是一個平面指向調(diào)整后的局部系統(tǒng)的方位。然而coordinate break surface絕不會顯示出來。而它的glass項中顯示為”-“代表不能鍵入，而它的surface type型式一定跟它前一面鏡的glass type一致?，F(xiàn)在我們來看看layout，不能選2D(2D只能看rotational symmetric systems)，要用3D看，叫出layout后，按 或page down or up可以看立體效果，這個設(shè)計尚可再作改善，首先入射光打到fold mirror背后的部份可以vignetted，這在實際的系統(tǒng)中是一個很重要的思量。在STO的前面插入一個surface，令這個surface的thickness為900，在surface type中的Aperture Type還為“Circular Obscuration”，在Max Radius鍵入40，因為fold mirror的semi-diameter為31，如此才能遮蔽。Update 3D layout，如看不到像Figure E3-3的圖，則在3Dlayout的setting項中改變the first surface和the last surface分別為1及6即可。習(xí)作四：Schmidt-Cassegrain和aspheric corrector你將學(xué)到：使用polynomial aspheric surface, obscurations, apertures, solves, optimization,layouts, MTF plots.本習(xí)作是完成Schmidt-Cassegrain及polynomial aspheric corrector plate。這個設(shè)計是要在可見光譜中使用。我們要一個10inches的aperture和10inches的back focus。開始設(shè)計之初，先把primarycorrector System, General, 在aperture value中鍵入10，同在一個screen把unit”Millimeters”改為”Inches”。再來把Wavelength設(shè)為3個，分別為0.486，0.587，0.656，0.587定為primarywavelength。你可以在wavelength的screen中按底部的”select”鍵，即可完成所有動作。目前我們將使用default的field angle value，其值為0。依序鍵入如Zemax P.33頁的starting prescription forschmidt cassegrain的LDE表，此時the primary corrector為MIRROR球鏡片。你可以叫出2D layout，呈現(xiàn)出如Figure E4-1之圖?，F(xiàn)在我們在加入第二個corrector，并且決定imagine plane的位置。鍵入如Zemax P.33 Intermediate prescription for schmide cassegram的LDE，注意到primary corrector的thickness變?yōu)?18，比原先的-30小，這是因為要放second corrector并考慮到其size大小的因素。在surface4的radius設(shè)定為variable，透過optimization, Zemax可以定下他的值。先看看他的layout，應(yīng)如Figure E4-2所示。叫出merit function, reset后，改變”Rings” option到5。The rings option決定光線的sampling density, default value為3，在此設(shè)計，我們要求他為5。執(zhí)行optimization, 用Automatic即可，你會發(fā)現(xiàn)merit function的值為1.3，不是很理想。這是residual RMS wave error所致。跳出merit function,從system中選Update All,則secondary corrector的radius已變成41.83。從Analysis,fans,中選Optical Path, OPD plot如Figure E4-3所示，發(fā)現(xiàn)其為defocus且為spherical,大概約有4個wave aberration需要矯正?，F(xiàn)在切入另一個主題，利用指定polynomial aspheric cofficients來作aspheric correction。改變surface 1的surface type從standard改為”Even Asphere”，按OK后跳出，回到surface 1 列中，往右移直到4th Order Term, 把此項設(shè)為變數(shù)，依法炮制，6th, 8th,后再次執(zhí)行optimization。把OPD plotupdate,其圖應(yīng)如Figure E4-4所示，你會發(fā)現(xiàn)spherical aberration已被大大地減少。小心一點的觀察，不同的三個波長其相對的aberration有不同的spherical amount, 這就是spherichromatism,是下一個要矯正的目標。依據(jù)經(jīng)驗所得，我們要用axial color來矯正spherochromatism,何謂axial colorbalance呢？而實際上spherochromatism是在first order axial color中被忽略的higher order效應(yīng)。而現(xiàn)在first order axial color并不存在，如果first order存在的話，代表其效應(yīng)（首先axial color既是指軸而言，他即表示paraxial-optics,即不同color在軸上的效應(yīng)，也就是first order optics）要遠大于higher order, 即higher order的aberration會被balance掉，即first order會搶higher order的aberration, 用firstorder axial color來消除higher order的spherochromatism這是在光學(xué)設(shè)計上常用的手法。要怎么引進axial color呢？我們改變surface1的curvature來達到axial color的效果。把曲面1的radius設(shè)為variable,執(zhí)行optimization，再看看update后OPD plot圖，如圖E4-5所示，這就是我們所要設(shè)計的，殘余的像差，residual aberration小于1/20波長，這個良好結(jié)果，可以讓我們些微改變fieldangle,從system, field中，把field angle的值設(shè)為3個，分別是0.0, 0.3, 0.5?，F(xiàn)在field angle已改變，等于boundary condition已改變，所以你需要重定你的merit function。把merit function的”Rings”改變?yōu)椤?”后跳出執(zhí)行optimization, 則新的OPD plot應(yīng)如圖E4-6所示，雖有不同的field angle,但是所有的aberrations卻可以接受。說明此設(shè)計還不錯。假想我們要用此望遠鏡來照相，則這組望遠鏡的鑒別轉(zhuǎn)換功效為何？什么是鑒別轉(zhuǎn)換功效（Modulation Transfer Function）呢？這就是說，若是發(fā)光物Object的鑒別率為M0，而經(jīng)過此望遠鏡后所得到的鑒別率是Mi，則MTFMi/ M0即MTF愈大，代表此望遠鏡較不會降低原有的鑒別率，也就比較不會失真。而MTF的橫軸為spatial frequency in cycles per millimeter, spatial為鑒別尺（bartarget）明暗條紋中其分隔空間寬度之意，通常以millimeter為單位，而frequency in cycles即每millimeter有幾組明暗條紋，所以可鑒別最小刻度，即反應(yīng)該光波的頻率。Modulation TransferFunction，即呈現(xiàn)如圖E4-7所示之圖，而tangential & sagittal對各種入射光field angle的response也一并顯示。對一個有經(jīng)驗的設(shè)計者而言，此設(shè)計所呈現(xiàn)的MTF為circular pupil autocorrelation的結(jié)果。這是我們尚未考慮the secondary corrector所帶來遮蔽效應(yīng)。既然secondary corrector放在primary的前面中心位置上，則入射光一定有部分被擋住，并且在primary上有個洞把成像的光放出去，此洞也需納入考量，所以我們高估了我們的performance。改良如下，回到LDE，在曲面3的第一項中點兩下，從Aperture types中選Circular Aperture，在Min Radius中鍵入1.7，即入射光離光軸的半徑需大于1.7才可進入，此動作再處理primary上的洞，同時把Max Radius改為6。再來處理secondary corrector的obscuration，在surface 3的前面，插入一個surface這個new surface就變成了surface 3，把其thickness改為20，且surface 2的thickness改為40，如此20+4060并不改變光從BK7后到primary的長度。調(diào)整surface 3的Aperture type，設(shè)定為Circular Obscuration。把Max Radius訂為2.5，按OK后跳出，同時設(shè)定surface 3的semi-diameter也是2.5，update后的MTF，你會發(fā)現(xiàn)performance已降低，特別是在medial spatial frequencies部分。(回內(nèi)容綱目)習(xí)作五：multi-configuration laser beam expander你將學(xué)到：使用multi-configuration capability。假設(shè)你需要設(shè)計一個在波長1.053下操作的laser beam expander，Input diameter為100mm，而output diameter為20mm，且Input 和output皆為collimated。在此設(shè)計之前，我們必須遵守下列設(shè)計條件，1. 只能使用2個鏡片2. 本設(shè)計在形式上必須是Galilean（沒有internal focus）3. 只有一個aspheric surface可以使用4. 此光學(xué)系統(tǒng)必須在328下完成測試。本設(shè)計任務(wù)不只是要矯正aberration而已，而是在兩個不同wavelengths的情況下都要做到。先談?wù)剹l件2中什么是Galilean呢？Galilean就是光線從入射到離開光學(xué)系統(tǒng)，在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部不能有focus現(xiàn)象，在本例中即beams在兩個鏡片之間不能有focus。好在本系統(tǒng)不是同時在2個wavelengths下操作，所以在操作時我們可以變動某些conjugates?，F(xiàn)在開始設(shè)計，依據(jù)Zemax P.4-18頁的LDE表中鍵入各surface的相關(guān)值。其中surface 5的surface type從Standard改為Paraxial，這時在鏡片后面的focal length項才會出現(xiàn)。注意到使用paraxial lens的目的是把collimated light（平行光）給focus。同時把surface 5的thickness及focal length皆設(shè)為25，entrance pupil的diameter定為100，wavelength只選一個1.053 microns即可，記住不要在設(shè)第二個wavelength。叫出merit function，在第1列中把operand type改為REAY這表示real ray Y將用來作為一種constraint，在本設(shè)計中，我們被要求Input diameter為100而output diameter為20，其比值為100：205：1，即入射beam被壓縮了5倍，在srf#中鍵入5，表示在surface中我們要控制他的ray height，而Py上則鍵入1.00。把targetvalue定為10，這個動作將會給我們一個diameter collimated為20mm的output beam。為什么呢？因為Py是normalized的pupil coordinate，即入射光的semi-diameter為50。，Py1即現(xiàn)在的入射光isaimed to the top of the entrance pupil，把target value定為10，就是輸出光的semi-diameter為10，所以50：105：1，光被壓縮了5倍，達到我們的要求。semi-diameter的值定為10，現(xiàn)在選Tools，Update，你會看到在value column上出現(xiàn)50的值，這就是entrance pupil radius即表示coordinates是座落在一個單位圓（unit circle）上，而其半徑為50，當Px0，Py1即表示在y軸的pupil大小為50，而在x軸的則為0。從edit menu bar選Tools，Default Merit Function，按Reset后把”Start At” field的值改為2，這表示以后的operands會從第二列開始，而不會影響已建立的REAY operand。執(zhí)行optimization后，把OPD plot叫出來，如圖E5-1所示，你會發(fā)現(xiàn)performance很差，大約為7個waves。這個aberration主要來自spherical aberration，所以我們要把surface 1改為a spheric，把surface1列中的conic設(shè)為variable，再次執(zhí)行optimization，你會看到較好的OPD plot?，F(xiàn)在把所有的variable都去掉，然后將此field存檔，因為你已完成wavelength在1.053下的beam expander設(shè)計。但是wavelength在0.6328的情況怎么辦呢？我們進入此習(xí)作的另一個主題，也就是multiconfiguration可以在同一系統(tǒng)中同時設(shè)定不同的configuration，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境或要求，先前我們已完成了wavelength為1.053的configuration，把他看做configuration 1，而wavelength 0.6328為configuration 2。把wavelength從1.053改為0.6328后看看OPD plot，出現(xiàn)非常差的performance，這是因為glassdispersion的緣故。我們調(diào)整lens spacing來消除此defocus把surface 2的thickness設(shè)為variable，執(zhí)行optimization后，update OPD plot，此時的aberration大約為一個wave，接下來消掉surface 2thickness的variable?，F(xiàn)在我們來使用Zemax的multi-configuration capability功能，從main menu上選Editors，后Multi-configuration，再選其中的Edit，Insert Config，如此我們就可以加入一個新的configuration，在第一列的第一項中按兩下，選”wave”，同時在”Wavelength#”中選為1，這表示在不同的configuration，我們使用不同的wavelengths。在Config 1下鍵入1.053，Config 2下鍵入0.6328，在插入一個新的列于此列的第一項中按兩下，選THIC為一個operand type，這會讓我們在各別的configuration中定義不同的thickness，從”surface” list中選2后按OK。在Config 1下鍵入250，Config 2也鍵入250，不過在surface中選2即表示在LDE中surface 2的thickness是當作multconfiguration的一項oprand value，把Config 2下surface 2的thickness設(shè)為variable?；氐絤eritfunction editor，選Tools，Default Merit Function，把”StartAt”的值改為1，使default merit function會從第一列開始考慮?，F(xiàn)在先前設(shè)定的REAY constraint條件必須加到此新的multi-config meritfunction，在merit function的第一列中，有一個CONFoperand且在”Cfg#”項中定為1，表示現(xiàn)在configuration 1是avtive。在此列之下尚有三個OPDXoperands，于CONF和第一個OPDX之間插入一個新列，把其operand type改為”REAY”，”Srf#”鍵入5。表示我們要控制的ray height是對surface 5而言，Py鍵入1.00target value設(shè)為10。如同先前的file讓輸出beam的diameter為20mm。在CONF 1的要求接設(shè)定完畢，在CONF 2則不設(shè)任何operand，因為我們不可能在兩種wavelengths操作下要求exact 5：1的beam?；氐絃ED，把surface 1，2，4的curvatures及surface 1的conic皆設(shè)為variable，執(zhí)行optimization（現(xiàn)在有5個variable為active，3個curvatures，1個conic，1個multi-configthickness）。叫出update的OPD plot，你可以在mulit-configuration editor上在“Config 1”或“Config 2”上按兩下，則OPD plot會顯示其對應(yīng)的configuration，或者你可用Ctrl-A的hot key，在不同的configuration間作變換，你會發(fā)現(xiàn)兩者的performance都很好，表示我們所設(shè)計的系統(tǒng)在wavelength 1.053或0.6328的laser之下皆可以工作。習(xí)作六：fold mirrors和coordinate breaks你將學(xué)到：了解coordinate breaks, sign conventions在調(diào)整傾斜度，或改變系統(tǒng)中心的作用和如何裝置fold mirrors等，本習(xí)作的大部分技巧在“Add Fold Mirror”工具中可自動執(zhí)行，然而瞭解實際的操作內(nèi)容和細節(jié)，才是本習(xí)作的目的。在習(xí)作3時或許你已學(xué)會如何設(shè)計Newtonian望遠鏡，其中已經(jīng)有coordinate breaks的操作，以及光在經(jīng)過mirror反射后thickness虛設(shè)定為負值，和coordinate breaks需伴隨著一對使用，而把要的fold mirror如三明治般地夾在其中。本習(xí)作將教你如何在一個簡單的converging beam中manually加入fold mirrors，而不使用Tools中的“Add Fold Mirror”功能。叫出LDE，把STO的surface type改為paraxial，thickness定為100，這時對paraxial lens的default focal length值，然后從System, General，中把aperture設(shè)為20，即產(chǎn)生一個F/5的lens。完畢后看看3D layout，一個簡單的paraxial lens所造成converging beam的光學(xué)系統(tǒng)已完成。假設(shè)我們要把輸出的convergingbeam導(dǎo)向上，怎么作呢？那就是加入一個fold mirror，先假定此fold mirror為45oriented且具paraxial lens為30mm。總共需要3個鏡片。一個為coordinate break把coordinate system轉(zhuǎn)45，然后一個癿irror來反射光線，最后再一個coordinate break