光学设计软件应用(五)

1、光学设计软件应用光学设计软件应用典型设计实例典型设计实例中北大学中北大学信息与通信工程学院信息与通信工程学院王艳红王艳红 E-mail: E-mail: 课程要求 能够利用能够利用ZEMAX软件软件按要求设计简单光学按要求设计简单光学系统。系统。主要内容 设计实例 单透镜 双透镜 牛顿望远镜 双胶合透镜 多重结构激光扩束器 非序列结构准直系统光学系统设计光学系统设计 光学特性和像质的要求。 光学系统设计的步骤 初级设计：外形尺寸计算 像差设计：光学设计 初始结构的选择： 用初级像差理论求解薄透镜组的结构参数 从现有的资料中找出一个光学特性相近的系统作为原始系统。 分析初始结构像差，优化计算。实

2、例一：单透镜实例一：单透镜 设计一个F/4单镜片（正透镜）在光轴上使用，其focal length 为100mm，玻璃为BK7镜片。 使用波长为0.486，0.587，0.656， 单位micron。 初始结构：曲率半径为100mm和-100mm，厚度为4mm。 两种优化方式: 在surface 2，把solve type设成Marginal Ray height，调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0 。 定义Merit function，使用有效焦距优化系统。实例二：双透镜实例二：双透镜 设计一个F/4单镜片（正透镜）在光轴上使用，其focal length 为100mm，玻璃为

3、BK7，SF1镜片。 使用波长为0.486，0.587，0.656， 单位micron。 初始结构：以上单透镜，厚度为3mm。 优化方式: 在单透镜基础上校正色差。实例三：牛顿望远镜实例三：牛顿望远镜牛顿望远镜是最简单的矫正所有on-axis aberrations的望眼镜。牛顿望远镜是利用一个简单的parabolic(抛物线的) mirror完美地矫正所有order的spherical aberration，此设计只要求在optical axis上使用，除spherical aberration外并没有其它的aberration。 Mirror、抛物面镜和坐标变换。系统焦距：1000mm ；

4、F number：F/5；field angel为0 ；Wavelength选用0.550um；初始表面曲率半径为-2000mm 。学习mirror ，coordinate break的使用。实例四：双胶镜头设计实例四：双胶镜头设计双胶镜头：几乎所有光学设计都有双胶合透镜，其中一块正透镜常用冕玻璃，负透镜用火石玻璃；通过正确选择玻璃，可以校正 球差、彗差和轴向色差；有些设计，可以通过将单透镜分裂为双胶合透镜得到改进。双胶合透镜包含的结构参数有：3个曲率半径，3个厚度值，2种玻璃的折射率和F-number，光栏的位置。设计要求用F，d, C光EPD=50mmF/8FOV=10度最小的边缘/中心厚

5、度为4mm，最大中心厚度为18mm使用合适的标准选择合适的玻璃设计过程定义系统的孔径定义视场和波长(各3个)定义正确的面数增加F/# solve假定初始玻璃为常用的冕玻璃和火石玻璃：BK7和F2建立优化函数，用RMS spot radius优化增加边界约束条件优化玻璃第一步：系统General data设置选择“Gen”按钮，在aperture type中选择Entrance pupil diameter，Aperture value为50。第二步：视场和波长的设置点“Fie” 和“Wav”按钮，视场角为0，7，10三个，波长直接选择可见光。第三步：建立surface data建立6个面，包括

6、Obj, Stop,3 lens和image surface。输入玻璃牌号，前面为BK7,后面为火石F2。第四步：为F/#添加Solve 在光学面4的curvature上，增加solve：将surface 4的radius栏上点右键，选择F/#的solve type，输入其值为8 ，ZEMAX会自动调整这个面的曲率半径的值。第五步：建立优化函数打开EditorMerit Function，打开Default merit function对话框，选择RMS spot radius作为优化数据，加入边界约束条件。第六步：设置变量并优化将2个曲率半径和4个厚度都设置为变量，优化计算。结果的2D la

7、yout和ray fan如下：第七步：分析哪些像差已经校正了？哪些没有校正？哪个是主要的像差？光栏的位置如何？本设计中：(1) 缺省优化函数对轴上色差有比较好的校正(2)将光栏向离开透镜的方向移动，会引入垂轴色差(3)边界条件基本满足(4)可以将stop向透镜的方向移动，以减小垂轴色差。第八步：修改设计将光栏向透镜移动，可以将横向色差降低，但引入了像散、彗差和spot radius的扩大。改进设计分析：(1)一个半径是控制EFFL的，另外二个是控制色差的，(2)光栏的位置对控制象散和彗差的效果不是太理想，(3)改变厚度的影响不是太大，特别是有边界条件约束的情况下，(4)主要要校正像差是：球差、

8、垂轴色差和轴向色差。校正球差的可能办法：(1)增加conic constant；(2)增加透镜校正色差的可能办法： (1)移动光栏，但在这里帮助不大；(2)用新的玻璃。进行玻璃优化 直接对玻璃进行优化。有几种办法： (1)直接输入几种组合，进行优化， (2)采用“substitute”的方法优化。容易、速度快，推荐使用。Glass substitution方法这种方法更容易、更可靠。它可以用global optimization算法，也可以用hammer算法，找到更好的玻璃。步聚：(1)将所有玻璃设置“substitute”solve，在Schott公司的玻璃，然后运行hammer，(2)以B

9、K7/F2开始。可能会得到其它组合，实例五：多重结构实例五：多重结构激光扩束器激光扩束器multi-configuration 可以在同一系统中同时设定不同的configuration，以适应不同的工作环境或要求。设计一个在波长 =1.053m下操作的激光扩束器，光束输入直径为100mm，输出直径为20mm，输入输出均为准直光。设计条件：只能使用两个镜片；没有内聚焦；只能使用一个非球面；同时能在0.6328 m波长下使用。初始结构各参数值Paraxial面型使准直光会聚；出瞳孔径的控制REAY（实际光线在某面的Y坐标）；球差优化非球面（suf 1）； OPD plot观察像差多重结构建立设计另

10、一波长0.6328 m下的结构；改变镜头空间距离的方法消除离焦；建立多重结构，插入不同结构的参数：波长WAVE和面型厚度THIC。建立多重结构下的优化函数，并在结构1加入REAY操作数。重新设置变量，优化。实例六：非序列系统实例六：非序列系统匀光系统匀光系统非序列模式主要用于非成像系统，如照明系统和杂散光分析。要求：建立一个细丝光源，用抛物面反射镜准直，产生准直光，经过平凸透镜耦合进入方形光管。整个系统光学追迹，通过探测器观察光学系统不同点的光强分布。 波长：0.6320umCreating the Reflector（focus 50mm） Material: MirrorRadius: 1

11、00Conic: -1 (parabola)Max Aper: 150Min Aper: 20 (center hole in the reflector) Creating the source Radius：5 Length：20 10圈，每圈间隔2mm Z position: 50 (focus of the parabolic reflector) Layout Rays 20 # Analysis Rays 5000000 Length: 20 Radius 5 Turns 10 Rotating the Source Placing a Detector1 Z position:

12、800 Material: Blank X Half Width: 150 Y Half Width: 150 # X Pixels: 150 # Y Pixels: 150 Color: 1 (detector displays inverse greyscale) Adding a Plano-Convex Lens Ref Object: 3Z Position: 10Material: N-BK7Radius 1: 300Clear 1: 150Edge 1: 150Thickness: 70Clear 2: 150Edge 2: 150 Placing a Detector2 Ref

13、 Object: 4Z position: 650Material: BlankX Half Width: 100Y Half Width: 100# X Pixels: 150# Y Pixels: 150Color: 1 考虑反射和透镜吸收。Adding a Rectangular Lightpipe Ref Object: 5Z position: 20Material: AcrylicX1 Half Width 70Y1 Half Width: 70Z length: 2000X2 Half Width: 70Y2 Half Width: 70 Placing a Detector3 Ref Object: 6Z position: 0 Material: Absorb X Half Width: 100Y Half Width: 100# X Pixels: 150# Y Pixels: 150Color: 1 Setting Detecto