学系统设计软件Zemax应用——单透镜设计

设计性实验

一、实验目的

掌握zemax光学设计软件的使用，能进行光学器件的设计和仿真。

二、实验内容

掌握zemax软件的应用，理解各种光学元件的基本工作原理；应用光学系统设计软件zemax设计单透镜。编写相应的zemax程序设计一个单透镜，提交程序清单和仿真结果。

三、实验仪器

计算机、自由空间光学系统设计软件Zemax。

四、实验原理

学习Zemax软件的相关说明，掌握文件菜单、编辑菜单、系统菜单、分析菜单、工具菜单、报告菜单、宏指令菜单和扩展命令菜单的基本应用，学会应用zemax进行基本的光学元件及光路的设计。

五、实验步骤

通过简单的单透镜设计掌握启用Zemax，键入wavelength，lens data，产生ray fan，OPD，spot diagrams，定义thickness solve以及variables，执行简单光学设计理想化。步骤如下：

首先打开Zemax的lens data editor(LDE)，它是工作场所，譬如决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置等。

然后选取需要的光波长，在主选单system下，圈出wavelengths，根据设计需要键入波长，同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.486的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。再来我们要决定透镜的孔径有多大。例如指定F/4的透镜，所谓F/#就是光由无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选generaldata，在aper value上键入25，而aperture type被default为Entrance Pupil diameter。也就是说，entrance pupil的大小就是aperture的大小。

回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到所要设计的单透镜，需要4个面(surface)，于是在STO栏上，选取insert after，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。

接着输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接打上BK7即可。因为孔径的大小为25mm，则第一面镜合理的thickness为4，也是直接键入。再来决定第1及第2面镜的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负值。而再令第2面镜的thickness为100。现在输入数据已大致完毕。如何检验设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，其中的Ray Aberration，将会把transverse的ray aberration对pupil coordinate作图。其中ray aberration是以chief ray为参考点计算的。纵轴为EY的，即是在Y方个的aberration，称作tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration称为XZ plane或sagittal。Zemax主要的目的，就是矫正defocus，用solves就可以解决这些问题。solves是一些函数，它的输入变量为curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相关parameters等。parameters是用来描述补足输入变量solves型式。如curvature的型式有chief ray angle，pick up，Marginal ray normal，chief raynormal，Aplanatic，Element power，concentric with surface。 

而描述chief rayangle solves的parameter即为angle，而补足pick up solves的parameters为surface，scale factor两项，所以parameters本身不是solves，要调整的变量才是solves的对象。在surface 2栏中的thickness项上点两下，把solve type从fixed变成Marginal Rayheight。这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0，即paraxial focus。再次调整ray fan时会发现defocus已经不见了。为达到理想设计需再次调整surface 1的radius项从fixed变成variable，依次把surface 2的radius，及放弃原先的surface 2中thickness的Marginal Ray height也变成variable。再来定义一个Merit function，就是把你理想的光学要求规格定为一个标准(如此例中focal length为100mm)，然后Zemax会连续调整输入solves中的各种variable, 把计算得的值与订的标准相减就是Merit function值，所以Merit function值愈小愈好，挑出最小值时即完成variable设定，理想的Merit function值为0。

如何设Merit function？Zemax已经假定一个内建的merit function，它的功能是把RMS wavefront error减至最低，所以先在editors中选Merit function，进入其中的Tools，再按假定的 Merit Function键，即选用default Meritfunction，还要规定给merit function一个focal length为100的限制。因为若不给此限制则Zemax会发现focal length为时，wavefront aberration的效果会最好，就违反设计要求。所以在Merit function editor第1列中往后插入一列，即显示出第2列，代表surface 2，在此列中的type项上键EFFL(effective focal length)，同列中的target项键入100，weight项中定为1。跳出Merit function editor，在Tools中选optimization项，按Automatic键，完毕后跳出来，此时完成设计理想化。

重新检验rayfan，这时maximum aberration已降至200microns。其它检验光学性能还可以用Spot Diagrams及OPD等。从Analysis中选spotdiagram中的standard，则该spot大约为400 microns上下左右，与Airy diffractiondisk比较而言，后者大约为6 microns。而OPD为optical path difference(跟chief ray作比较)，亦从Analysis中挑选，从Fans中的Optical Path，发现其中的aberration大约为20 waves，大都focus，并且spherical，spherochromatism及axial color。Zemax另外提供一个决定first order chromaticabberation的工具即the chromatic focal shift plot，这是把各种光波的back focallength跟在paraxial上用主波长计算出first order的focal length之间的差异对输出光波的wavelength作图。