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时间:2018-08-01
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1、光学系统设计(Zemax初学手册)蔡长青ISUAL计画团队国立成功大学物理系(第一版,1999年7月29日)前言 整个中华卫星二号“红色精灵”科学酬载计画,其量测仪器基本上是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。 这份初学手册提供初学者使用软体作光学系统设计练习,整个需要Zemax光学系统设计软体。它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译,由蔡长青同学完成,并在ZemaxE.E.7.0上测试过。由于蔡长青同学不在参与“红色精灵”计画,所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验,整个内
2、容已在ZemaxE.E.8.0版上测试过。我们希望藉此初学手册(共有七个习作)与后续更多的习作与文件,使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。(陈志隆注)(回内容纲目)习作一:单镜片(Singlet) 你将学到:启用Zemax,如何键入wavelength,lensdata,产生rayfan,OPD,spotdiagrams,定义thicknesssolve以及variables,执行简单光学设计最佳化。 设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用,其focallength为100mm,在可见光谱下,用BK7镜片来作。 首先叫
3、出ZEMAX的lensdataeditor(LDE),什么是LDE呢?它是你要的工作场所,譬如你决定要用何种镜片,几个镜片,镜片的radius,thickness,大小,位置……等。 然后选取你要的光,在主选单system下,圈出wavelengths,依喜好键入你要的波长,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primarywavelength上点在0.486的位置,primarywavelength主要是用来计算光
4、学系统在近轴光学近似(paraxialoptics,即first-orderoptics)下的几个主要参数,如focallength,magnification,pupilsizes等。 再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜,所谓的F/#是什么呢?F/#就是光由无限远入射所形成的effectivefocallengthF跟paraxialentrancepupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从systemmenu上选generaldata,在apervalue
5、上键入25,而aperturetype被default为EntrancePupildiameter。也就是说,entrancepupil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aperturestop的意思,STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜,你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这一栏上按滑鼠,可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
6、就是imagineplane,即成像平面。回到我们的singlet,我们需要4个面(surface),于是在STO栏上,选取insertcifter,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。 再来如何输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上,直接打上BK7即可。又孔径的大小为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1
7、00。 现在你的输入资料已大致完毕。你怎么检验你的设计是否达到要求呢?选analysis中的fans,其中的RayAberration,将会把transverse的rayaberration对pupilcoordinate作图。其中rayaberration是以chiefray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YZplane。同理X方向的aberration称为XZplane或sagittal。 Zemax主要的目的,就是帮我们矫正defocus,用solves就可以解
8、决这些问题。solves是一些函数,它的输入变数为curvatures,thickness,glasses,semi-diameters,conics,以及相关的parameters等。parameters是用来描述或补足输入变数so
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