工程光学考试复习.doc

1、Ray aberration：光线相差2、Transverse：横向的3、Defocus：离焦4、Curvature：曲率5、Aplanatic：消球差的，等光程的6、Optical Performance：光学性能7、Diffraction disk：衍射环8、OPD：Optical Path Difference，光程差9、Paraxial：旁轴10、Dispersion：色散11、Magnification：放大率12、Pupil Size：孔径大小13、MTF：Modulation Transfer Function。调制传递函数。14、Concentric：同心的，同轴的，会聚的15、Miscellaneous：混杂的16、Field curvature：场曲17、Edge thickness solves：边界厚度解决方案18、Second order effect：二级效应。19、Entrance pupil diameter：入瞳直径。20、Chromatic aberration：色差21、coefficient：系数22、Criteria：标准1、LDE中半径、厚度和半径口径使用最多。2、Zemax一般用微米作为波长单位。3、有S形变曲的光学特性的玻璃，一届色差可被矫正；有S形变曲的光学特性曲线是典型的用离焦平衡球面镜片的例子。光学特性曲线原点处的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是很小的，但斜率不为0，隐含了离焦被用来平衡球差的意思。4、抛物线能够很好的矫正所有阶的球差。5、光阑放在主曲率半径的中心，这是为了排除场像差（如慧差），这是schmidt设计的特点。6、Default merit function中的Rings表示光线采样的密度。7、EVEN ASPHERE面型允许为非球面校正器指定多项式非球面系数为了矫正色球差，需要用轴上颜色来平衡它，即在同一种像差中，用低阶像差来平衡高阶像差。8、注意所有的倾斜和偏心处理都在厚度改变之前。9、Solves是一些函数，它的输入变量为curvature，thickness，glass，semi-diameters，conics10、F/#就是光由无线远入射所形成的efficient focal length F（有效焦长，EFFL）和paraxial entrance的直径的比值。若要设计F/4的透镜，即F/#=4，aperture=100/4=25mm(100为焦距)11、初始时，LDE的3个面依次为：OBJ、STO、IMA。OBJ:光源； STO：aperture stop（通常第一面镜就是STO）； IMA：就是image plane，像平面。12、Ray Fan图，纵轴为EY的，即是在Y方向的aberration，即YZ平面（子午面）。同理，X方向的aberration成为XZ plane（弧矢面）13、单透镜的四个面：物平面、前镜面、后镜面、像平面。14、一个双镜片是由两片玻璃组成，通常粘在一起，所以他们有相同的curvature。1、ZEMAX是什么？有什么功能、特点？答：ZEMAX是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。 ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。(1)分析提供多功能的分析图形，对话窗参数选择，方便分析，可将分析图形存成图文件，如BMP、JPG等，也可存成文字文件txt(2)优化表栏式merit function参数输入，对话窗预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用，诸如Local Optimization可以快速找到佳值，Global/Hammer Optimization可找到最好的参数。(3)公差分析表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义。 (4)报表输出多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。2、Editors菜单下的三个选项Merit Function（优化函数）、Multi configuration（多重数据结构）、Tolerance Data（公差数据）的作用？答：Merit function editor: 优化时，定义和编辑merit function；优化是以使系统绩效函数 (merit function) 的总值达到最小为基础。简单的说，绩效函数为一种对一个理想光学系统的数值描述。重要的是，绩效函数代表光学系统的要求性能。对于既定的设计，可以适当的选用好几个预设的绩效函数。对于成像系统，绩效函数可用来特别地针对减小光学像差，藉由限制光线在成像面上的延伸，或使从理想球面的系统波前偏差减至最小。当执行优化时，ZEMAX对任何使用者建构的系统或表面参数，决定最理想的值。几乎任何参数，包括曲率、厚度、玻璃特性、非球面系数和视场或波长资料，皆可设为变数。可以对可接受的参数值范围内下限制，以确保可以轻易的建构一个合理的系统。Multi-Configuration editor：为变焦镜头和其它多重结构系统定义多重结构参数；一个多重组态的设计是参照一光学系统，其系统是经由多于一种的模式或结构来分析。对于多重结构的分析，最普遍的应用之一就是变焦镜头 (zoom lens)，其可允许光学组件的位置以焦距或放大率为函数做改变。多重组态系统的设定与单组态系统设定非常类似。多重组态编辑器是用来表示那些在不同组态间变化的设计参数。对于这个设计，需要三种组态：第一个组态将建构整个系统，以致于能在底片闸 (film gate) 上决定均匀度。第二个组态将用来优化相匹配的准直镜和聚光镜的光学组件。第三个组态将用来决定焦距和透镜数组的间隔。Tolerance Data editor：定义和编辑公差数据；公差分析将有系统地分析些微扰动或色差对光学设计性能的影响。公差分析的目的在于定义误差的类型及大小，并将之引入光学系统中，分析系统性能是否符合需求。Zemax内建功能强大的公差分析工具，可帮助在光学设计中建立公差值。公差分析可透过简易的设罝分析公差范围内，参数影响系统性能的严重性。进而在合理的费用下进行最容易的组装，并获得最佳的性能。公差值是一个将系统性能量化的估算。公差分析可让使用者预测其设计在组装后的性能极限。设罝公差分析的设罝值时，设计者必须熟悉下述要点：l 选取合适的性能规格l 定义最低 的性能容忍极限l 计算所有可能的误差来源(如：单独的组件、组件群、机械组装等等)l 指定每一个制造和组装可允许的公差极限3、怎么用ZEMAX来光学设计？答:1、跟据设计要求，获取透镜参数（例如：等效焦长、视场角）。2、参考别人的设计经验、专利、文献，找到与自己相似的模型。3、等比例放大或缩小模型，得到初始模型。4、建立变量和约束。变量包括：曲率半径、厚度、空气隙、玻璃特性；约束可能是相关。结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量。5、保持对称性的条件下进行优化（根据要求加入操作数）。6、评价设计结果，Layout查看设计效果。7、重复步骤4和5直至满足设计要求。如果结果不满足条件，通过添加或分离原件、变化玻璃种类等来修改设计，然后再进行步骤5。8、打破对称性的限制，进行优化。9、进行公差分析，估计结果误差透镜加工、机械结构与装配要求。4、如何插入牛顿望远镜的反射镜，以及该塞格林望远镜的挡板、反射镜角度的调整？答：以一个1000mm，F/5的newton telescope为例。设计在光阑面前加入一个面，thickness设为900，双击standard，选择circular obscuration，Max Radius设为40OK，即完成了挡板的插入。在像平面之前插入一个面，thickness设为-200，ToolsAdd Fold MirrorFold surface 设为刚插入的面，角度默认为90OK，即完成了反射镜的插入。以10英寸的孔径，10英寸的后焦距的schmidt-cassegrain为例设计的schmidt-cassegrain望远镜中总共有两个MRROR，双击第二个MIRROR的standard，把Aperture Type选成circular Aperture，Min Radius输入1.7，表示所有的光线传过表面是离轴距离必须大于1.7英寸，即主反射面的缺口。将Max Radius改为6。即完成了平面镜的开孔，孔的半径为1.7英寸单击第二个MIRROR，按下Insert键，在校正面和反射面之间插入一个新的面，将第二个MIRROR的厚度改为20，把surface2的面的厚度由60改为40，新插入面的standard上双击。将Aperture Type设为circular obscuration，并将Max Radius设为2.5，即完成了挡板的安放。STO的thickness设为100。Aperture value设为20OK。在IMA上点击一下，按Insert键三次，将surface1的thickness改为30，在surface3的Glass中输入MIRROR，把surface4的thickness改为-70。双击surface2和4，把surface type改成coordinate break。在surface4的Tilt about X中双击，选择pick up作为solve类型，把from surface设为2，scale factor为1。在surface2的Tilt About X列中输入45，即完成了反射镜角度的调节。 5、赛德勒系数分析Seidel Aberration Coefficient：赛德勒相差系数。例如：SPHA球差、COMA彗差、ASTI像散、FCUR场曲、DIST畸变、轴向色差CLA（CL）、横向色差CTR（CT）Seidel Aberration Coefficient in Waves：用波长来表示塞德勒相差Transverse Aberration Coefficient：横向相差系数Longitudinal Aberration Coefficient：纵向相差系数Wavefront Aberration Coefficient Summary：波前相差系数概况6、什么是MTF，传递函数的定义？答：MTF是表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后，其对比度的衰减程度，是利用光学传递函数来评价光学系统成像质量的主要方法。传递函数的定义：若把光学系统看成是线性不变系统，那么物体经过光学系统成像，可视为物体经光学系统传递后，其传递效果是频率不变的，其对比对下降，相位要发生推移，并在某一频率处截止，即对比对为零。这种对比度的降低和相位推移是随频率不同而不同的，其函数关系我们称为光学传递函数。7、简述telescope设计过程（潜望镜）答：以newton telescope为例。设计一个1000mm，F/5的望远镜。1、 光阑面的半径输入-2000，thickness设为-1000（负号表示通过镜面折射后，光线往“后方”传递），conic设为-12、 光阑面的Glass设为MIRROR。3、 SystemGeneralApeture Value输入200OK4、 使用ZEMAX的默认波长550nm和视场角05、 AnalysisSpot DiagramsSetting show Scale中选择Airy DiskOK6、 由于入射的光束为200mm宽，需要的像平面至少要离开光轴100mm，选择200mm，因此折叠面必须距主反射面有800mm，将STO的thickness改为-807、 在像平面之前插入一个面，thickness设为-2008、 ToolsAdd Fold MirrorFold surface 设为2OK9、 用三维图形来查看Optical Performance10、 在光阑面前加入一个面，thickness设为900，双击standard，选择circular obscuration，Max Radius设为40OK11、 更新三维图。8、如何使用tolerencing公差分析有三种分析方法:n 灵敏度法n 反灵敏度法n 蒙地卡罗法灵敏度分析定义各个缺陷对系统性能的影响。这些影响经由统计上的总和以估算出系统性能。采用灵敏度分析法：1、载入SamplesTutorial folder中的Tutorial tolerance.zmx文件。这是一个近轴的双透镜设计2、在开始公差分析之前，需要定义所有可能的误差来源。ZEMAX主选单上点击Editors-Tolerance Data，然后在TDE视窗中的主选单中，点击Tools-Default Tolerance 开启Default Tolerance 对话框。直接点击OK产生默认的公差操作数。3、开始公差分析需点击主选单中的ToolsTolerancing(或Ctrl+T)，必确认Comp：Paraxial Focus已选取（用近轴焦点的修正来重新定义成像面的位置）。使用RMS光斑半径做为公差分析的标准。公差分析的方式选灵敏度法。将Monte Carlo的选项设为0。如此即可点击OK。4、假设其需求为RMS 光斑大小不能较正常的差150%。求得正常的绩效函数值，开启Tolerance对话框(Ctrl+T)并点击其中的?标签。而mode则选Inverse的类型。正常的绩效函数值为3.5microns(0.0035 mm)。5、在# Monte Carlo Runs键入20。在Save Monte Carlo Runs键入20将会在计算后保存。点击OK开始运行反向公差分析。第一部份描述所有的公差操作数。接下来列出使用在分析的公差标准值。这是依据每个操作数独立公差分析的结果，包括参数的改变量，标准值的结果，标准值改变量与微小值的关系，焦点补偿的改变量。Text Viewer中的Worst offenders表示这几个因素对系统的稳定性影响较大。9、经典范例：一、单透镜（F/4的透镜）1、systemwavelength第一个输入0.486，第二个输入0.587，第三个输入0.656，把0.486设为primary。2、选择F=100mm，F/#=4，所以Aperture value=100/4=25mm。Systemgeneralapertureaperture value输入25.3、回到LDE，在STO栏上，选取Insert After，插入一个镜片。4、STO的Glass栏上，直接输入BK7。5、surface1的thickness设为4。6、把surface1和2的radius分别设为100，-100。7、把surface2的thickness设为1008、analysisfansray aberration9、surface2的thickness双击，把solve type 从fixed改为marginal ray heigh，然后点OK。10、update ray fan，发现defocus不见了。11、把surface1、2的radius设为变量。12、editorsMerit FunctiontoolsDefault Merit FunctionOK，即选择使用default merit function。13、在merit function editor的第一行插入一行，显示第二行，代表surface2，在此行type中输入EFFL（等效焦长），target中输入100，weight中输入1，推出Merit Function。14、ToolsOptimizationAutomaticExit。15、update ray fan ，发现maximum aberration又下降了。二、双焦头透镜1、在STO面后插入两个面。2、systemwavelength第一个输入0.486，第二个输入0.587，第三个输入0.656，把0.486设为primary。3、Systemgeneralapertureaperture value输入25。4、STO的Glass栏上，直接输入BK7。Surface 2的Glass设为SF1。5、STO、surface2的thickness分别设为3.6、STO、surface2、surface3的Radius分别设为100,、-100、-100.7、surface3的thickness设为100.8、把STO、surface2、surface3的Radius设为变量。9、查看Optical Performance。10、EditorsMerit FunctiontoolsDefault Merit Function OK，在第一行的后面插入一行，在Type中输入EFFL，target设为100，weight设为1.11、ToolsOptimizationAutomaticExit。12、再查看Optical Performance。13、点击STO，然后求出Reportssurface data，看到边缘厚度约为0.17.14、为了防止负边缘厚度的出现，先将镜片放大，把STO、surface2、surface3的semidiameter设为14，这时第一个面边缘为负值。15、假设要保持边缘厚度在3mm，在第一面的厚度列中双击，在solve control中选择Edge Thickness，把thickness设为3，Radius Height设为0.16、systemupdate all，再次查看Optical Performance17、systemfieldfield data，单击2和3行的Use，第二行输入7，第三行输入10.18、systemupdate all，发现镜头轴外特性很差，判断出场曲是主要像差，analysismiscellaneousfield curv/Dist查看场曲曲线。三、Newtonian Telescope（1000mm F/5的望远镜）1、光阑面的半径输入-2000，thickness设为-1000（负号表示通过镜面折射后，光线往“后方”传递），conic设为-12、光阑面的Glass设为MIRROR。3、SystemGeneralApeture Value输入200OK4、使用ZEMAX的默认波长550nm和视场角05、AnalysisSpot DiagramsSetting show Scale中选择Airy DiskOK6、由于入射的光束为200mm宽，需要的像平面至少要离开光轴100mm，选择200mm，因此折叠面必须距主反射面有800mm，将STO的thickness改为-807、在像平面之前插入一个面，thickness设为-2008、ToolsAdd Fold MirrorFold surface 设为2OK9、用三维图形来查看Optical Performance10、在光阑面前加入一个面，thickness设为900，双击standard，选择circular obscuration，Max Radius设为40OK11、更新三维图。四、带有非球面矫正器的schmidt-cassegrain（10英寸的孔径，10英寸的后焦距）1、在光阑面后插入两个面。2、systemgeneralaperture value设为10，并将单位millimeter改为英寸。3、systemwavelength第一个输入0.487，第二个输入0.587，第三个输入0.656OK，把0.587设为primary。4、STO的thickness设为1，Glass设为BK7。Surface2、3的thickness设为60、-30，surface3的Radius设为-60.5、在IMA前插入一个面，把Radius设为变量，thickness设为28，Glass设为MIRROR。Surface3的thickness设为-18.6、EditorsMerit FunctionToolsDefault Merit Function，单击Reset，把Rings选为5OK。7、ToolsOptimizationAutomaticExit。8、systemupdate all，查看Fans，OPD图。9、双击STO的standard，从对话框中把surface type选成EVEN ASPHERE，单击OK，在surface1的4th order term、6th order term、8th order term输入ctrl+z。10、Toolsoptimizationautomaticexit。11、把STO的半径设为变量，ToolsOptimizationAutomaticExit，更新OPD图。12、systemFields，将视场角的个数设置为3，输入y角第一个0，第二个0.3，第三个0.5。13、toolsdefault merit function,将Rings设为4，单击OK。14、ToolsOptimizationAutomaticExit，更新OPD图。15、双击surface3的standard，把Aperture Type选成circular Aperture，Min Radius输入1.7，表示所有的光线传过表面是离轴距离必须大于1.7英寸，即主反射面的缺口。将Max Radius改为6.16、单击surface3，按下Insert键，在校正面和反射面之间插入一个新的面，将surface3的厚度改为20，把surface2的面的厚度由60改为40，在第三个面的standard上双击。将Aperture Type设为circular obscuration，并将Max Radius设为2.5，更新图形。五、多重结构的激光束扩大器（a multiconfiguration laser beam expander）设计一个激光扩束器，使用的波长为a=1.053um，输入光束直径为100mm，输出光束的直径为20mm，且输入光束和输出光束平行。设计要求：（1） 只使用两片镜片（2） 设计必须是伽利略式的（没有内部焦点）（3） 在镜片之间的间隔必须不超过250mm（4） 只允许使用一片非球面（5） 系统必须在波长为0.6328um时测试。设计步骤：1、 STO的后面插入4个面，STO、surface2、surface3、surface4、surface5的thickness设为10、250、5、10、25。STO、surface3的Glass设为BK7。2、 双击surface5的standard，把surface type 改成paraxial，thickness设为25，Focal Length设为25。3、 SystemgeneralAperture value 设成100。Systemwavelength，把第一个波长改成1.053um。4、 EditorsMerit Function，双击第一行的BLNK，将操作数类型改为“REAY”，surf中输入5，py输入1，target输入10，weight输入1。Toolsupdate，value列里出现一个50。5、 ToolsDefault Merit FunctionResetStart At值改成2OK。6、 ToolsOptimizationAutomaticExit，然后AnalysisFansOptical Path7、 把surface1的conic设为变量。再toolsoptimizationautomaticexit，更新OPD图8、 取消三个曲率和圆锥系数的变量设置。9、 Systemwavelength，把波长值从1.053改成0.6328OK，更新OPD图。10、 把surface2的thickness设置为变量。然后toolsoptimizationautomaticexit，更新OPD图。11、 取消surface2的thickness的变量设置。12、 EditorsMult