黃慧杰-光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例

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1、光學(xué)設(shè)計(jì)——光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所2008年10月通過設(shè)計(jì)實(shí)例，加深對已學(xué)幾何光學(xué)、像差理論及光學(xué)設(shè)計(jì)基本知識、一般手段的理解，并能初步運(yùn)用。介紹光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX的基本使用方法，設(shè)計(jì)實(shí)例通過ZEMAX來演示。意圖光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX簡介單透鏡雙膠合透鏡非球面單透鏡顯微鏡物鏡雙高斯照相物鏡公差計(jì)算（具體的應(yīng)用實(shí)例——視情況而定）主要內(nèi)容美國ZEMAXDevelopmentCorporation研發(fā)ZEMAX是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，集成了光學(xué)系統(tǒng)所有的概念、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、分析、公差分析和文件管理功能。ZEMAX所有的這些功能都有一個(gè)直觀的接口，它們具有

2、功能強(qiáng)大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點(diǎn)。ZEMAX有兩種不同的版本：ZEMAX-SE和ZEMAX-EE，有些功能只在EE版本中才具有。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)。ZEMAX簡介光學(xué)設(shè)計(jì)過程計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)程；大多數(shù)光學(xué)設(shè)計(jì)程序的本質(zhì)如下：每個(gè)變量發(fā)生少量改變或增減；計(jì)算每個(gè)變量對結(jié)果的影響；計(jì)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，對每個(gè)變量聯(lián)立方程求解；重復(fù)上述過程直至實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

3、光學(xué)設(shè)計(jì)人員的任務(wù)獲得并考慮技術(shù)要求選擇具有代表性的切入點(diǎn)前期設(shè)計(jì)、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、厚度、空氣隙、玻璃特性約束可能是相關(guān)結(jié)構(gòu)，如長度、半徑等，或者是光線角度、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(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果重復(fù)步驟3和4直至滿足設(shè)計(jì)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(jì)，然后返回步驟4另一種方法是返回步驟2進(jìn)行公差分析，估計(jì)結(jié)果誤差——透鏡加工、機(jī)械結(jié)構(gòu)與裝校要求數(shù)據(jù)輸入的一般過程輸入孔徑（有幾種方式，如F#，NA，Aperture，…）在屏上找到ButtonGen，按出dialogbox，選按Apertu

4、re，挑選Aperturetype，并輸入數(shù)值?？梢詮腟ystem內(nèi)選按General，按出dialogbox?？蓮腇ile內(nèi)選擇按Preference(或Environment）出dialogbox，將常用項(xiàng)目的Button選放在屏上，如Gen，便于直接選用。將上述過程表示為：SystemGenAperture輸入視場：SystemFie用ZEMAX進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入波長SystemWav輸入半徑、厚度、玻璃EditorLensdata或從屏上已有的Lensdataeditor改數(shù)據(jù)。如屏上數(shù)據(jù)框內(nèi)作doubleclick得有關(guān)dialogbox，可對現(xiàn)狀

5、作出修改，例如：修改Surfacetype,Aperturetype，改此面為光闌，即“Makesurfacestop”;修改Radius，由fix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MarginalRayHeight,Pupilzone0.7為0。GenGlasscatalogs用ZEMAX進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選玻璃表是在內(nèi)選定，可同時(shí)挑多個(gè)表對于Surfacetype和GlassCatalogs，在User’sGuide內(nèi)都有一章敘述。當(dāng)已輸入足夠的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后，程序就可以計(jì)算出像差并分析成像質(zhì)量，這基

6、本上是項(xiàng)目下的各種功能。＊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和光路圖：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(cuò)誤，使光路與預(yù)期完全不符，等。AnalysisFanOpticalPathRayaberration或即按ButtonLayL3dEle幾何像差與波像差：AnalysisLayoutor3DLayoutElementdrawing2DLayout（零件圖）或RMS各個(gè)視場的波像差均方值A(chǔ)nalysisRMSRMSvsField或即按ButtonRayOpd光學(xué)性能分析(Analysis)Analysis畸變和像散像面彎曲或FcdAnalysisMiscellaneousFieldCurv

7、/DistSeidel像差系數(shù)或SeiAnalysisCalculationsSeidelcoefficients或PsfPSFAnalysisPSFFFTPointSpreadFunction或MtfMTFAnalysisMTFModulationTransferFunctionAnalysis點(diǎn)列圖AnalysisSpotDiagramsStandard或SptAnalysis或Enc能量集中度AnalysisEncircledEnergyDiffraction此程序所選用積