光學(xué)設(shè)計軟件zemaxstudy

1、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計（Zemax初學(xué)手冊）蔡長青ISUAL計劃團(tuán)隊國立成功大學(xué)物理系（第一版，1999年7月29日）內(nèi)容綱目：.、八、-刖言習(xí)作一：單鏡片（Singlet）習(xí)作二：雙鏡片習(xí)作三：牛頓望遠(yuǎn)鏡習(xí)作四： Schmidt-Cassegrai和口 aspheric corrector習(xí)作五： multi-configuration laser beam expander習(xí)作六：fold mirrors 和 coord in ate breaks習(xí)作七：使用 Extra Date Editor, Optimizati on with Bi nary Surfaces刖言整個福爾摩沙衛(wèi)星二號紅色精靈

2、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)者使用軟件作光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計練習(xí)，整個需要Zemax光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計軟件。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.（上測試過。由于蔡長青同學(xué)不在參與紅 色精靈計劃，所以改由黃曉龍同學(xué)接手進(jìn)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(tuán)隊成員對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計有進(jìn)一步的掌握。（陳志隆注）（回內(nèi)容綱目）習(xí)作一：單鏡片（Singl

3、et）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 solves及 variables 執(zhí)行簡單光學(xué)設(shè)計優(yōu)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wavel

4、engths依喜好鍵入 你要的波長，同時可選用不同的波長等。現(xiàn)在在第一列鍵入0.486,以micro ns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 focal length, magnificatior， 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

5、無限遠(yuǎn)入射所形成的 effective focal length F跟paraxial enhance pupiI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 men上選 general data在 aper valueh鍵入 25,而 aperture typ被 default 為 Entrance Pupil diameter也就是說，entrance pupi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

6、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這一欄上按鼠標(biāo)，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ingle,我們需要4個面（surface,于是在STO欄上， 選取insert cifter,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

7、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(fù)值。而再令第 2面鏡的thickness為100?，F(xiàn)在你的輸入數(shù)據(jù)已大致完畢。 你怎么檢驗?zāi)愕脑O(shè)計是否達(dá)到要求呢？選 analysis中的 fans, 其中的 Ray Aberration 將會把 transvers啲 ray aberratior對 pupil coordinatef乍圖。其中 ray aberration是以 chief ray為參考點計算的。縱軸為 EY的，即是在Y方個的aberration稱作tangentia或者YZ

8、 plane同理X方向的 aberration稱為 XZ plane 或 sagitta。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)，它的輸入變量為 curvatures thickness glasses semi-diameters conics 以及相關(guān)的 parameter等。parameter是用來描述或補(bǔ)足 輸入變量 solves的型式。如 curvature的型式有 chief ray angle pick up, Marginal ray normal, chief ray normaj Aplanatic, El

9、ement power concentric with surfac等。而 描述 chief ray angle solve的 paramete即為 angle 而補(bǔ)足 pick up solves的 parameters 為surface scale facto兩項，所以 parameter本身不是solves 要調(diào)整的變量才是 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

10、 ray fan你可發(fā)現(xiàn)defocus已經(jīng)不見了。但這 是優(yōu)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 heigh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(biāo)準(zhǔn)（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

11、你訂的標(biāo)準(zhǔn)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?，F(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(jìn)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

12、function 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I時，wavefront aberration的效果會最好，當(dāng)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）同列中的 target項鍵入 100, weight 項中定為 1。 跳出 Merit function editor,在 Tools 中選 optimization項，按 Automatic

13、鍵，完畢后 跳出來，此時你已完成設(shè)計優(yōu)化。重新檢驗ray fan,這時maximum aberrations降至 200 micro ns其他檢驗 optical performanc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 micro ns交錯。而 OPD 為 optical path difference跟 chief ray作比較），亦從 Analysis中挑 選，從 Fans

14、中的 Optical Path 發(fā)現(xiàn)其中的 aberratior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 abberatior"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 len gth之間的差異對輸出光波的 wavele ngth作圖

15、，圖中可指出各光波在 paraxial focus上的 variation。從 Analysis中 MiscellaneouS項的 Chromatic Focal Shif即可叫出。（回內(nèi)容綱目）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 an gles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 借著不同玻璃的 dispersion性質(zhì)，the chromatic aberratio可以矯正到 first order所以剩下的 chromatic

16、aberratio主要的貢獻(xiàn)為 second order于是我們可以期 待在看chromatic focal shift plo圖時，應(yīng)該呈現(xiàn)出 parabolic curve的曲線而非一條 直線，此乃 seco nd order effec的 結(jié)果（當(dāng)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double，你

17、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(biāo)示為2,或者你也可以在STO前在插入 一面鏡片標(biāo)示為1,然后在該鏡片上的surface type±用鼠標(biāo)單擊，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?，F(xiàn)在把STO旱地二面鏡的thickness都fixed為3，僅第3面鏡的 thi

18、ckness為100且設(shè)為variable既然要優(yōu)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 prin ciple pla ne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 Shif來看看，是否發(fā)現(xiàn)fir

19、st 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 micro ns 先前習(xí)作一為 1540 micro ns再看其他的 performanee效果，叫出 Ray aberration 此時 maximum transverse ray aberraticH 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wavel

20、ength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？女口 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(yán)重，而 aberration產(chǎn)生的主要因素為 spherical aberration故相對于 習(xí)作一（比較他們坐標(biāo)的scale及通過原點的斜率），現(xiàn)在spherical aberratio已較不 嚴(yán)重（因為aberration scal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spher

21、ical balaneed by defoc的情況。現(xiàn)在我們已確定 得到較好的performanee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entranee pupil 的top, cente, 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

22、交錯穿出，即在 edge的 thickness值為正數(shù)或負(fù)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diamete，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 thicknes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上單擊，選擇 Edge T

23、hicknes項目，則會出現(xiàn)” Thickness ”及” Radial Height ”兩項，設(shè) thickness為 3 及 radial height為 0(若 radial height為 0,貝U Zemax 就使定user define的 semi-thicknes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 active thickness solv在該項的 paramete上。既然edge thicknes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次即可?，F(xiàn)在我

24、們想看看 off-axis的 performanee從system的Fields中的Field Data選用3個field來作比較，怎么選 呢？在第2及第3個列中的” Use”項中各單擊，在第2列的y field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 tangentia S 為 sagitta, 結(jié)果顯示off-axis的performaneg艮差，這

25、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 curvature plot來估計，選 Analysis中，Miscellaneou啲 Field Curv/Dis。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

26、比于在rayfan plot中通過原點的斜率。（回內(nèi)容綱目）習(xí)作三：牛頓望遠(yuǎn)鏡你將學(xué)至卩： 使用 mirrors, conic con sta ntscoord in ate breaksthree dime nsional layouts obscurations牛頓望遠(yuǎn)鏡是最簡單的矯正所有 on-axis aberratio n的望眼鏡。牛頓望遠(yuǎn) 鏡是禾U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 aberratio外并沒有其他的 aberration

27、假想要設(shè)計一個1000mm F/5的望遠(yuǎn)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(fù)號表示對object而言，其曲面為con cave即曲面對發(fā)光源而言是內(nèi)彎的。在 thickness項中鍵入-1000,負(fù)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Syste m的Gen era項中的aperture中鍵入200。Wavele ngth選用 0.550, field an gel 則為 0?，F(xiàn)在看看 spot diag

28、ram 你會 看到一個77.6 micro ns RMS的spot diagram 而一個很方便估算image qualit y的方 法就是在 spot diagram的頂端上再 superimpose個 Airy diffraction ring。從 spot diagram的 menu ba選擇 Setting,在 Show Scaled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 micro ns光線并沒有diffractio n-limi

29、ted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。可惜的是，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

30、。因為進(jìn)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=100（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 imagine plane前插入一個 dummy surface 為何要插入 dummy surface呢？又 dummy surfaces什么呢？ dummy surfaces 目的 只是在幫助我們把 fold mirror 的位置標(biāo)示出來，本身并不具

31、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很艮快地就會被轉(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” fold surface 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?；蛟S你會問，表中 surface type處在 surfa

32、ce 2及 4 中皆為 Coord Break 這又是什么？ coord in ate break surface是在目前的系統(tǒng)內(nèi)定義一個新坐標(biāo)系統(tǒng)，它總是用dummy surface的觀念用來作ray tracing的目的。而在描述此新坐標(biāo)系統(tǒng)中，通常選用6個不同參數(shù)， 即 x-decente, y-dencente, tiltx, tilty, tiltz 及一個 flag 來指示 tilting 或 decentration 的 order。要注意的是，coordinate breaks是相對于” current 而” global ”的coordinate system即只是在一個系統(tǒng)

33、內(nèi)部，若要改變某樣對象的位置或方向，我 們即利用coordinate brea來作此對象的區(qū)域調(diào)整，而不用重新改變所有的系統(tǒng)各 部份。Coordinate brea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 surfac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致。現(xiàn)在我們來看看 layout,不能選 2D（2D只能看 rotational symmetric system，）要用 3D看，叫出 layout后，按或page down or u可以看三維效果，這個設(shè)

34、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3D layout的setting項中改變the first surface和

35、the last surfac分別為 1 及 6 即可。（回內(nèi)容綱目）習(xí)作四： Schmidt-Cassegrai和 aspheric corrector你將學(xué)至U： 使用 polynomial aspheric surface, obscurations, apertures, solves, optimizati on, layouts, MTF plots.本習(xí)作是完成 Schmidt-Cassegrai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backfocu

36、s 開始設(shè)計之初，先把 primary corrector System, Genera在 aperture valu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 primary wavelength 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 startin

37、g prescription for schmidt cassegra的 LDE 表，此時 the primary correct。為 MIRROR球 鏡片。你可以叫出2D layout,呈現(xiàn)出如Figure E4-1之圖。現(xiàn)在我們在加入第二個 corrector;并且決定 imagi ne pla ne的位置。鍵入女口 Zemax P.33 In termediate prescripti on for schmide cassegrai的 LDE，注意至U primary corrector!的 thickness變?yōu)?18，比原 先的-30小，這是因為要放seco nd correctc

38、并考慮到其size大小的因素。在surface4 的radius設(shè)定為variable,透過optimization, Zema河以定下他的值。先看看他的 layout, 應(yīng)女口 Figure E4-2所示。叫出 merit function, rese后，改變” Rings ” option 至U 5。The rings option決定光線的 sampling density, default valu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

39、wave erro所致。跳出 merit function從 system 中選 Update Allj則 sec on dary corrector radius 已變成 41.83 從 An alysis, fans, 中選 Optical Path, OPD plo如 Figure E4-3所示，發(fā)現(xiàn)其為 defocus且為 spherica大 概約有4個wave aberration需要矯正?，F(xiàn)在切入另一個主題，禾用指定 polyno mial aspheric cofficie nt來作 aspheric correction改變 surface 1 的 surface type從

40、standarc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 plot updates圖應(yīng)如 Figure E4-4所示，你會發(fā)現(xiàn)spherical aberratio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 aberratior有不同的 spherical amount這就是 spherichromatisn是下 一個要矯正的目標(biāo)。依據(jù)經(jīng)驗所得，我們要用axial color來矯正spherochromati

41、sm, 何謂 axial color balanee呢？而實際上 spherochromatisn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col or在軸上的效應(yīng)，也就是first order optic s要遠(yuǎn)大于 higher order,即higher order的 aberration會被 balanee掉，即卩 first o

42、rder會搶 higher order的 aberration,用 first order axial coloi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(jìn)axial color呢？我們改變surfacel的curvature來達(dá)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，residualaberration小于1/20波長，這個良好結(jié)果，可以讓我們些微改變field ang

43、le從system, field中，把field angle的值設(shè)為3個，分別是0.0, 0.3, 0.5現(xiàn)在field angle已改變， 等于 boundary conditior已改變，所以你需要復(fù)位你的 merit function把 merit function 的” Rings”改變?yōu)椤?4”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(yuǎn)鏡來照相， 則這組望遠(yuǎn)鏡的鑒別轉(zhuǎn)換功效為何？什么是鑒別轉(zhuǎn)換功效(Modulation Transfe

44、r Functic)呢？這就是說，若是發(fā)光物Object 的鑒別率為M。,而經(jīng)過此望遠(yuǎn)鏡后所得到的鑒別率是Mi，則MTF = Mi/ M0即MTF愈大，代表此望遠(yuǎn)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, spa為鑒別尺(bar target 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 Transfer Functio

45、,即呈現(xiàn)如圖 E4-7所示之圖，而 tangential & sagittal 對各種入射光field angle的respons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 au-tocorrelati on的結(jié)果。這是我們尚未考慮 the seco ndary correct所帶來遮蔽效應(yīng)。 既然secondary correctc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，此洞也需納入考慮，所以我 們高估了我們的performanee改良如下，回到LDE,在曲面3的第一項

46、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(jìn)入，此動作再處理primary上的洞，同時把Max Radius 改為 6。再來處理 secondary correcto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+40= 60并不改變光從BK7后到primary的長度。調(diào) 整 su

47、rface 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-diamete也是2.5, update后的MTF，你 會發(fā)現(xiàn) performanee已降低，特別是在 medial spatial frequencie部分。（回內(nèi)容綱目）習(xí)作五： multi-c on figurati on laser beam expa nder你將學(xué)到：使用 multi-configuration capability假設(shè)你需要設(shè)計一個在波長入=1.053 1下操作的laser be

48、am expanderIn put diamete為 100mm,而 output diamete 為 20mm,且 In put 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)必須在入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wavele ngths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

49、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wavelengthsF操作，所以在 操作時我們可以變動某些conjugates現(xiàn)在開始設(shè)計，依據(jù)Zemax P.4-18S的LDE 表中鍵入各surface的相關(guān)值。其中surface 5的surface typ從Standaro改為Paraxia， 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 foc

50、al length皆 設(shè)為 25, entrance pup i 的 diameter定為 100, wavele ngth只選一個 1.053 micro ns即 可，記住不要在設(shè)第二個 wavele ngth叫出merit fun ction,在第1列中把opera nd type 改為REAY這表示real ray 丫將用來作為一種constraint在本設(shè)計中，我們被要 求 In put diameter為 100 而 output diamete 為 20,其比值為 100: 20= 5: 1，即入 射beam被壓縮了 5倍，在srf#中鍵入5,表示在surfaced我們要控制他的r

51、ay heigh， 而Py上則鍵入1.00。把target value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-diamete為 50。，Py= 1 即現(xiàn)在的入射光 is aimed to the top of the entrance pupi把 target value定為 10,就是輸出光的 semi-diamete為 10,所以50: 10= 5: 1,光被壓縮了 5倍，達(dá)到我們的要求。semi-diamete

52、的值定為 10,現(xiàn)在選Tools, Update你會看到在valuecolumr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(dāng)Px= 0, Py= 1即表示在y軸的pupil大小為50,而在x軸的則為0。從 edit menu ba選 Tools, Default Merit Function 按 Reset后把 ” Start At ” field的值改為2,這表示以后的opera nds會從第二列開始，而不會影響已建立的 REAY opera nd執(zhí)行optimization

53、后，把OPD plot叫出來，如圖E5-1所示，你會 發(fā)現(xiàn)performanc&艮差，大約為7個waves這個 aberratior主要來自 spherical aberratio,所以我們要把 surface 1改為 a spheric 把 surface 1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存盤，因為你 已完成 wavelength在 1.053 卩下的 beam expande設(shè)計。但是 wavelength在 0.6328 卩 的情況怎么辦呢？我們

54、進(jìn)入此習(xí)作的另一個主題，也就是multi-configuration可以在同一系統(tǒng)中同時設(shè)定不同的 con figuration以適應(yīng)不同的工作環(huán)境或要求，先 前我們已完成了 wavele ngth 為 1.053 卩的 con figuratio n,把他看做 con figuration 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 performanee 這是因為 glass dispersio的緣故。我們調(diào)整 lens spacing來消除此 defocus把 su

55、rface 2勺 thickness設(shè)為 variable,執(zhí)行 optimization后，update OPD plqt 此時的 aberration大約為一個 wave 接下來消掉 surface 2 thicknes的 variable 現(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con figuration,在第一列的第一項中雙擊，選” wave",同時在” W

56、avele ngth# ” 中選為1,這表示在不同的con figuration,我們使用不同的 wavele ngths在Co nfig 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雙 擊，選THIC為一個opera nd type這會讓我們在各別的 con figurati on中定義不同 的 thickness 從” surface ” lis中選 2 后按 0K。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(dāng)作 mult-con

57、figuration的一項 oprand value 把 Config 2 下 surface 2的 thickness設(shè)為 variables 回至U merit function edito，選 Tools, Default Merit Function 扌巴” StartAt ” 的值改為1 ,使default merit function會從第一列開始考慮。現(xiàn)在先前設(shè)定的REAY constraint條件必須加至吐匕新的 multi-config merit functior, 在 merit function的第一 列中，有一個CONFopera nc且在” Cfg#”項中定為1,表

58、示現(xiàn)在con figuration 1是 avtiveo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opera nd 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 valuer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opera nd因為我們不可能在兩種 wavele ngths操作下要求exact 5 1的 beam 回至U LED,把 surf

59、ace 12,4 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 curvature s 1 個 conic, 1 個 multi-config thickness。叫出 update的 OPD plo,你可以在 mulit-configuration editor 上在” Co nfig 1 ”或” Config 2 ”上雙擊，則OPD plot會顯示其對應(yīng)的con figuration, 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performanee都很好，表示我們所設(shè)計的系統(tǒng)在 wavelength 1.05