光學(xué)設(shè)計實例--單透鏡.ppt

1、光學(xué)設(shè)計 光學(xué)設(shè)計實例,2,通過設(shè)計實例，加深對已學(xué)幾何光學(xué)、像差理論及光學(xué)設(shè)計基本知識、一般手段的理解，并能初步運用。 介紹光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX的基本使用方法，設(shè)計實例通過ZEMAX來演示。,意 圖,3,光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX簡介 優(yōu)化實例 1-單透鏡 2-雙膠合透鏡 3-非球面單透鏡 4-激光擴(kuò)束鏡 5-顯微鏡物鏡 6-雙高斯照相物鏡 公差計算 （由于時間關(guān)系，后面幾個常規(guī)的設(shè)計實例不一定能講完）,主要內(nèi)容,4,美國ZEMAX Development Corporation研發(fā) ZEMAX 是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計軟件，集成了光學(xué)系統(tǒng)所有的概念、設(shè)計、優(yōu)化、分析、公差分析和文件管理功能。

2、ZEMAX所有的這些功能都有一個直觀的接口，它們具有功能強(qiáng)大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點。 ZEMAX 可以模擬序列性（Sequential）和非序列性（non-sequential）系統(tǒng)，分別針對成像系統(tǒng)和非成像系統(tǒng)。 可設(shè)計光學(xué)鏡頭、照明系統(tǒng)，模擬激光束傳輸、雜光分析，自由曲面光學(xué)設(shè)計 ZEMAX 有兩種不同的版本： ZEMAX-SE：標(biāo)準(zhǔn)版，用于成像光學(xué)系統(tǒng)（序列光學(xué)系統(tǒng)）的設(shè)計； ZEMAX-EE：工程版，在ZEMAX-SE基礎(chǔ)上，增加了物理光學(xué)、非序列光線追跡、偏振光線追跡等先進(jìn)功能（只在EE版本中才具有）。,ZEMAX簡介,5,光學(xué)設(shè)計過程,計算機(jī)的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了光學(xué)設(shè)計進(jìn)程，

3、但設(shè)計者的知識與經(jīng)驗是獲得優(yōu)良光學(xué)系統(tǒng)的基本條件； 大多數(shù)光學(xué)設(shè)計程序（優(yōu)化功能）的本質(zhì)如下： 每個變量發(fā)生少量改變或增減； 計算每個變量對結(jié)果的影響（像差變化量表）； 計算結(jié)果是一系列導(dǎo)數(shù)，p/v1, p/v2, p/v3, p: 優(yōu)化函數(shù)結(jié)果，v: 變量； 為了使殘余結(jié)果的平方和最小(最小二乘法)，對每個變量聯(lián)立方程求解； 重復(fù)上述過程直至實現(xiàn)最優(yōu)化。,6,光學(xué)設(shè)計人員的任務(wù),獲得并考慮技術(shù)要求（需求分析） 選擇具有代表性的切入點 前期設(shè)計、專利、建立聯(lián)系、原始推導(dǎo) 建立變量和約束 變量包括：曲率半徑-r、厚度-d、空氣隙-d、玻璃特性-n、 約束可能是相關(guān)結(jié)構(gòu)，如長度、半徑等，或者是光線

4、角度、F數(shù)等具體的參量 使用程序?qū)Y(jié)果進(jìn)行優(yōu)化 評價設(shè)計結(jié)果 重復(fù)步驟3和4直至滿足設(shè)計要求 如果結(jié)果不滿足條件，通過添加或分離元件、變化玻璃種類等來修改設(shè)計，然后返回步驟4 另一種方法是返回步驟2選擇的初始結(jié)構(gòu)可能不合理，達(dá)不到預(yù)期要求 進(jìn)行公差分析，估計結(jié)果誤差透鏡加工、機(jī)械結(jié)構(gòu)與裝校要求,7,數(shù)據(jù)輸入的一般過程,輸入孔徑（有幾種方式，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，挑選Aperture type，并輸入數(shù)值。 可以從System內(nèi)選General ，按出Dialog bo

5、x 。 可從File 內(nèi)選擇Preference(或Environment）出Dialog box，將常用項目的Button選放在屏上，如 Gen，便于直接選用。 將上述過程表示為：,輸入視場：,用ZEMAX進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計,輸入光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),視場：半視場角、物高、近軸像高、實際像高,8,輸入波長,輸入半徑、厚度、玻璃,或從屏上已有的Lens data editor 改數(shù)據(jù)。 如屏上數(shù)據(jù)框內(nèi)作double click 得有關(guān)dialog box，可對現(xiàn)狀作出修改，例如： 修改Surface type, Aperture type，改此面為光闌，即“Make surface stop”; 修

6、改Radius，由Fixed改為Variable(優(yōu)化過程中作為變量)，或由Solve給出； 修改最后一面到像面的Thickness由Fix改為Marginal Ray Height, Pupil zone 0.7 為0。,所選玻璃表是在 內(nèi)選定，可同時 挑多個表；也可打入玻璃牌號，程序自動找玻璃庫 對于Surface type 和Glass Catalogs，在Users Guide 內(nèi)都有一章敘述。,用ZEMAX進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計,可用Select選定常用譜線； 可直接輸入波長值（單位：微米） 設(shè)定譜線weight 設(shè)定主波長（Primary）,9,當(dāng)已輸入足夠的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后，程序就可以計算出

7、像差并分析成像質(zhì)量，這主要是Analysis菜單中的各種功能。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和光路圖（Layout）：可以判斷透鏡厚度是否適當(dāng)，或者光路內(nèi)是否存在顯著錯誤、光路與預(yù)期相符，等。,Fan,Optical Path,Ray aberration,幾何像差與波像差：,或,RMS,各個視場的波像差均方值,光學(xué)性能分析(Analysis),Analysis,10,畸變和像散、像面彎曲,光學(xué)性能分析(Analysis),11,點列圖,或,Enc,能量集中度,Analysis,Encircled Energy,Diffraction,光學(xué)性能分析(Analysis),12,此程序所選用積分程序不好，因為要求取樣

8、網(wǎng)格點（Sampling）較多，計算時間很長，使大像差系統(tǒng)的衍射積分不易算好。 所以這里沒有計算能量集中度 及Huygens Point Spread function, 為能容易完成這類計算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一個波長，否則必須加大Sampling 點數(shù)，增長時間。 計算Seidel像差的作用和目的是了解像差是在什么地方產(chǎn)生出來的，這對于將來校正或優(yōu)化常會有幫助。 由于Zemax程序不能直接計算和優(yōu)化望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（如伽利略望遠(yuǎn)鏡，不宜將物鏡目鏡分開設(shè)計），程序中在Surface內(nèi)建立一個Paraxial Surface，即一個理想光學(xué)系統(tǒng)，把平行光束聚焦于一點，可以規(guī)定為一個任

9、意的焦距值，從而計算望遠(yuǎn)系統(tǒng)的像差。,Enc,光學(xué)性能分析(Analysis),13,按Button ，按出dialog box，預(yù)定優(yōu)化次數(shù)，即可進(jìn)行優(yōu)化，但之前須規(guī)定Merit Function （優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)）及變量。關(guān)于變量，將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)框作double click，得有關(guān)dialog box，就可以將此結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)作為變量（variable）或改為Fixed 不變。 關(guān)于Merit Function，最簡單的做法是用程序內(nèi)的Default Merit Function，通過下列方法，即可調(diào)用適當(dāng)?shù)腄efault Merit Function：,Opt,按出dialog box，后按,即可，

10、實際上此dialog box 中還有許多選項可改，這也是改變優(yōu)化過程的方法之一。,光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化（Optimization）,14,可以按實際情況作其他選擇，改變優(yōu)化過程。 還可以自行構(gòu)造自己認(rèn)為更好的Merit Function 或修改當(dāng)前的Merit Function,這就要在 框內(nèi)輸入適當(dāng)?shù)摹癘perand”，在Optimization 這一章內(nèi)規(guī)定了一批Operand，所用符號如： First-order ：焦距EFFL，像高PIMH， Aberrations：初級球差SPHA，垂軸像差TRAC， 另外還有各種邊界條件Operand。 也可以將MTF值或Encircled energ

11、y作為Merit Function，原則上這與實際使用目標(biāo)有更直接聯(lián)系，應(yīng)更好。但是實際上由于必須用更多時間去算，作為優(yōu)化的開始是不可取的。,Oper#,光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,15,初始結(jié)構(gòu),變量,優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),程序（算法）,結(jié)果,整個優(yōu)化過程可以表示為以下框圖，即優(yōu)化結(jié)果是由初始結(jié)構(gòu)、變量及優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)所決定，（已確定了算法程序）三者不變時，結(jié)果通常是唯一的。 對此結(jié)果不滿意時，就須作人工干預(yù)，人工改變結(jié)構(gòu)初始值、變量，或改變優(yōu)化函數(shù)。,下面，通過一些具體的例子來看優(yōu)化的做法和問題,光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,16,光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX簡介 優(yōu)化實例 1-單透鏡 2-雙膠合透鏡 3-非球面單透鏡 4-激

12、光擴(kuò)束鏡 5-顯微鏡物鏡 6-雙高斯照相物鏡 公差計算,主要內(nèi)容,17,目的 1）如果初始結(jié)構(gòu)選不好，則再簡單的系統(tǒng)也難得到好的結(jié)果； 2）利用默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)再作少量添加或修改就可以得到較好的結(jié)果； 3）一開始不要提很多要求或限定條件，可逐步提出與逼近。,優(yōu)化實例,18,優(yōu)化實例（1）,單透鏡1,采用Default merit function， 加一行EFFL=100，Weight=1。 并不是用任意的初始結(jié)構(gòu)都能得到實用的解，例如取r1 =60， r2= ，玻璃為BK7， 此時所得“局部極小解”，焦距、像差都與預(yù)期差很大（MF=116.52） 初始結(jié)構(gòu)取 r1 =r2=就已可得到好的解： r

13、1 =61.2， r2= 357.5（d=5)，這是處于球差極小位置，彗差近于零的解，光闌最佳位置在透鏡前數(shù)毫米。,較大NA、小視場的聚焦透鏡 f=100、D/f=1:4、2=3，平行光入射，取Entrance Pupil Diameter=25，F(xiàn)ield data: Y-field =0、3，=0.55m（只校單色像差，因為單透鏡不能消色差）,19,優(yōu)化實例（1）,單透鏡1,通過離焦，即調(diào)整最后一個間隔（Back focal length），進(jìn)一步改善像質(zhì)： 1）將最后一個Thickness設(shè)為變量，進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳像面位置； 2）也可在Tools菜單中選Quick focus，得到最佳

14、像面位置。,較大NA、小視場的聚焦透鏡 f=100、D/f=1:4、2=3，平行光入射，取Entrance Pupil Diameter=25，F(xiàn)ield data: Y-field =0、3，=0.55m（只校單色像差，因為單透鏡不能小色差）,未離焦,離焦后,20,優(yōu)化實例（1）,小NA、大視場的照相透鏡 f=100, D/f= 1:10，2 =30，平行光入射 取Entrance Pupil Diameter=10，F(xiàn)ield data: Y-field =0 、30，用同一Merit function，可以得校正彗差和子午彎曲的兩種解（光闌位置作為變量），當(dāng)入瞳直徑由10減到5時，所得解與Kinslake書中的Landscape lens 解一致，即：,單透鏡2,21,兩種結(jié)構(gòu)的比較： 這二個解的透鏡彎曲方向相反（都朝向光闌），前者略優(yōu)，但要程序?qū)⒑笳咦詣幼優(yōu)榍罢?，則幾乎是不可能的，必須人工強(qiáng)烈修改（傾向）才行。 這三組解都可以從像差理論算出來，但優(yōu)化的結(jié)果則略好于初級像差理論的解，這里都沒有把透鏡厚度作為變量。 優(yōu)化程序可以使焦距與預(yù)定相符，在大像差系統(tǒng)中，為使像差變小，程序傾向