照相物镜基于ZEMAX课程设计报告实例-土地公文库
照相物镜基于ZEMAX课程设计报告实例
照相物镜基于ZEMAX课程设计报告实例
3．输入镜头组数据，设置评价函数操作数，进行优化设计和像差结果分析；
4．给出像质评价报告，撰写课程设计论文二、进度安排1、-
学习zemax手把手教程，掌握zemax输入数据方法和像差评价函数和电路中各参数的计算结果。
根据实例，深入学习zemax像差控制和优化方法3、
光学自动设计及像差理论(上课)，布置任务
确定初始结构，并进行像差控制和优化设计；给出像质评价报告；
撰写课程设计论文，修改定稿并交稿三、参考资料或参考文献
1、《光学系统设计》机
械工业出版社，（美）莱金著，周海宪，程云芳译，、《现代光学设计方法》，北京理工大学出版社，李林，、《工程光学》，机械工业出版社，郁道银，谈恒英，、《应用光学（第3版）》，电子工业出版社，张以谟，2010.75、《几何光学像差光学设计》，浙江大学出版社，李晓彤，岑兆丰，、《实用光学技术手册》，机械工业出版社，王之江，、《光学设计》，西安电子科技大学出版社，刘钧，高明，、《实用光学 技术手册》，机械工业出版社，王之江，顾培森，、“光行天下”社区http://www.opticsky.cn/指导教师签字：梁春雷
2011年 6 月 19 日
教研室主任签字：
2011年 6 月 20 日课程设计摘要（中文）在光学工程软件ZEMAX 的辅助下, 配套采用大小为1/2.5英寸的CCD 图像传感器,设计了一组焦距f '= 12mm的照相物镜, 镜头视场角33.32°, 相对孔径D/ f’=2. 8, 半像高3.6 mm ,后工作距9.880mm，镜头总长为14.360mm。使用后置光阑三片物镜结构，其中第六面采用非球面塑料，其余面采用标准球面玻璃。该组透镜在可见光波段设计，在Y-field上的真值高度选取0、1.08、1.8、2.5452，总畸变不超过0.46%，在所选视场内MTF轴上超过60%@100lp/mm,轴外超过48%@100lp/mm，整个系统球差-0.000226，慧差-0.003843，像散0.000332。完全满足设计要求。关键词：ZEMAX；物镜；调制传递函数ABSTRACTBy the aid of optical engineering software ZEMAX，A focal length f '= 12mm camera lens matched with one CCD of 1/2.5 inch was designed。Whose FOV is 33.32°, Aperture is 2. 8，half image height is 3.6 mm，back working distance is9.880mm and total length is 14.360 mm. Using the rear aperture three-lens structure，a aspherical plastic was used for the sixth lens while standard Sphere glasses were used for the rest lenses。The group Objective lenses Designed for the visible light，Heights in the true value as Y-field Defined as 0、1.08、1.8、2.5452，total distortion is less than 0.41%，Modulation transfer function of shade in the selected field of view to meet the axis is greater than 60% @ 100 lp / mm, outer axis than 48% @ 100 lp / mm，The sum of the whole system spherical aberration -0.000226，Coma is -0.003843，Astigmatism is 0.000332。Fully meet the design requirements.
Keyword：ZEMAX； Camera lens；Modulation transfer function引言----照相物镜的简介
照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征。即焦距f’、相对孔径D/f’和视场角2w。照相物镜的焦距决定所成像的大小Ⅰ）当物体处于有限远时，像高为y’=(1-word/media/image3.wmf
(1-1)式中，word/media/image4.wmf为垂轴放大率，word/media/image5.wmf。对一般的照相机来说，物距l都比较大，一般word/media/image6.wmf>1米，f’为几十毫米，因此像平面靠近焦面，word/media/image7.wmf，所以word/media/image8.wmfⅡ）当物体处于无限远时，word/media/image4.wmf→∞像高为
y’=word/media/image9.wmf
（1-2）因此半视场角
word/media/image10.wmf=atanword/media/image11.wmf
（1-3）表1-1中列出了照相物镜的焦距标准：表1-1物镜类型鱼眼超广角广角标准短望远望远超望远物镜焦距f’/mm7.5~1517~2024 ~28 ~355085~ 100135 ~200 ~300400 ~500~600 ~800相对孔径决定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度，在此的分辨率亦即通常所说的截止频Nword/media/image12.wmf
（1-4）照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其本身的分辨率不高，相对孔径的作用是为了提高像面光照度E’=1/4πLτ(D/f’)2
(1-5)照相物镜的视场角决定其在接受器上成清晰像的空间范围。按视场角的大小，照相物镜又分为
a）小视场物镜：视场角在30°以下；b）中视场物镜：视场角在30°~60°之间；c）广角物镜：视场角在60°~90°之间；d）超广角物镜：视场角在90°以上。照相物镜按其相对孔径的大小，大致分为a）弱光物镜：相对孔径小于1：9；b）普通物镜：相对孔径为1：9~1：3.5；c）强光物镜：相对孔径为1：3.5~1：1.4；d）超强光物镜：相对孔径大于1：1.4；照相物镜没有专门的视场光阑，视场大小被接受器本身的有效接受面积所限制，即以接收器本身的边框作为视场光阑。照相物镜上述三个光学性能参数是相互关联，相互制约的。这三个参数决定了物镜的光学性能。企图同时提高这三个参数的指标则是困难的，甚至是不可能的。只能根据不同的使用要求，在侧重提高一个参数的同时，相应地降低其余两个参数的指标。早期的照相物镜是单片的正弯月形透镜，其前置一孔径光阑，之后演变为双胶合弯月透镜以及正负分离透镜，这些简单的物镜相对孔径很小只能在室外照明条件良好时拍摄，又称为风景物镜。 最早出现的对称型物镜，属于简单的风景物镜对称于光阑的组合，相对孔径仍然很小，如Hypogon物镜。之后又出现Protar物镜，Dagor物镜等一系列逐渐演变出来的物镜，之后出现的三片物镜是很多复杂透镜的基础，它由三片分离的薄透镜组成，在视场角为55°时，相对孔径可以达到1：3.5~1;2.8,在视场角适当降低时，相对孔径可提高到1：2.4以上。其他还有双高斯物镜、远距物镜、反远距物镜等等复杂物镜。本次涉及所使用的三片物镜是具有中等光学特性的照相物镜中结构最简单，像质最好的一种，被广泛使用在比较廉价的135#和120#相机中，例如国产的海鸥—4、海鸥—9、天鹅相机等。这种照相物镜进一步复杂化的目的，大多是为了增大相对孔径，或提高视场边缘成像质量。设计过程2.1初始结构的选择照相物镜属于大视场大孔径系统, 因此需要校正的像差也大大增加, 结构也比较复杂, 所以照相物镜设计的初始结构一般都不采用初级像差求解的方法来确定, 而是根据要求从手册、资料或专利文献中找出一个和设计要求比较接近的系统作为原始系统。在选择初始结构时, 不必一定找到和要求相近的焦距, 一般在相对孔径和视场角达到要求时, 我们就可以将此初始结构进行整体缩放得到要求的焦距值。原设计要求：1、
焦距：f’=12mm；2、
相对孔径D/f’不小于1/2.8；3、
图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm×5.76mm；4、
后工作距>6mm5、
在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；6、
成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm，轴外0.707 >35%@100 lp/mm。7、
最大畸变<1%word/media/image13.png照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器的空间范围, 镜头所成的半像高y 可用公式y = - f tanw计算, 其中f 为有效焦距, 2w 为视场角。半像高y 应稍大于图像传感器CCD 或CMO S 的有效成像面对角线半径, 防止CMO S 装调偏离光轴而形成暗角。经过简单计算：y’=sqrt(4.29^2+5.76^2)/2≈3.6mm,w=atan(y’/f)≈16.66°视场角2w=33.32°。在光学技术手册查询后选定初始结构为后置光阑的三片物镜（如图1），初始参数为：焦距分f’=42.12相对孔径1：2.8；视场角2w=54°，其余参数见表1-2。
表1-2r1=13.44d1=4.41n=1.67779v=55.2r2=30.996d2=4.41r3=-40.614d3=1.01n=1.59341v=35.5r4=13.44d4=2.39r5=32.508d5=3.36n=1.69669v=55.4r6=-27.0062.2输入参数和缩放将参数输入zemax：其中第六面设为光阑面，厚度设为marginal ray height，移动光标到STO光阑面（中间一个面）的“无穷（Infinity）”之上，按INSERT键。这将会在那一行插入一个新的面，并将STO光阑面往下移。新的面被标为第2面。再按按INSERT键两次。移动光标到IMA像平面，按INSERT键两次。在LDE曲率半径（Radius）列，顺序输入表1-2中的镜片焦距（注意OBJ面不做任何操作）；在镜片厚度（Thickness）列顺序输入表1-2中的镜片厚度；在第七个面厚度处单击右键，选择面型为Marginal Ray Height。在镜片类型（Class）列输入镜片参数，方法是:在表中点右键对话框Solve Type选中Model，Index nd中输入n值Abbe Vd中输入v值。结果如下图2-1在system-general-aperture中输入相对孔径值2.8，在system-wavelength中输入所选波段，根据要求选d光为主波长。然后在tools-make focus中该改焦距为12mm进行缩放。word/media/image14.png图1：后置光阑三片物镜原始结构输入初始参数：word/media/image15.png设置相对孔径值和波段：word/media/image16.pngword/media/image17.png输入焦距12mm进行缩放：word/media/image18.png缩放后得到我们所设计的焦距f’=12mm的初始参数（如图2所示），现在开始定义视场，我们根据之前所得像高y’=3.6mm,依次乘以0，0.3，0.5，0.7071得到所选孔径光束的Y-field，即0，1.08，1.8，2.5452输入到system-field中，类型选择真值高度。word/media/image19.png图2到这里，初始结构及其参数已经完成。2.3在ZEMAX中进行优化利用ZEMAX得到初始结构的M TF 曲线（如图8 所示）可看出成像质量很差, 因此需要校正像差。word/media/image20.png图8该结构可以用作优化变量的的数据有：6个曲率半径，2个空气间隔，3个玻璃厚度。首先使用Default Merit Function建立缺省评价函数进行优化，选择Editors-Merit Function，在第一行中先输入EFFL，目标值设为12，权重设为1。在输入SPHA，在Target中输入0.4，在Weight中输入1。第二个BLNK改为MTFT并Enter，在Freq中输入100，在Target中输入0.04，在Weight中输入1。同理输入MTFA和MTFS（如图9所示）。再选择Tools-Default Merit Function，设置玻璃厚度以及空气间隔，start设为2，再选择OK，建立缺省评价函数。注：EFFL：Effective focal length的缩写，指定波长号的有效焦距。
SPHA：指球差，如果Surf=0，则指整个系统的球差总和。
MTF：指子午调制传递函数。word/media/image21.png图9word/media/image22.png然后在Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients中查看，找出对赛得和数影响大的面，将这些面的曲率半径设为变量，优先优化。word/media/image23.png发现第一面和光阑面影响较大，优先优化。先将STO面的类型改为Even Asphere，并将此行的4th term、6th term、8th term设为变量。将1、6面曲率半径设为变量，选择快捷选项Opt，然后进行优化，优化后取消变量，将剩余面的曲率半径设为变量，再次优化，完毕后取消变量。再将透镜间隔和玻璃厚度先后进行优化。word/media/image24.png到这一步后发现已经基本符合设计要求，再根据2D图适当调整曲率半径和厚度，每次调整后再次优化实时关注MTF图的曲线变化，最后使各个参数都在可接受范围之内。2.4优化结果word/media/image25.pngword/media/image26.pngword/media/image27.png word/media/image28.pngword/media/image29.pngword/media/image30.png结论与思考本文配套一款1/2.5英寸的CCD传感器进行照相物镜中的远距物镜的设计。采用1片非球面塑料, 3片球面玻璃透镜, 在ZEMAX 中使用合适的优化函数和权重对像差进行校正, 逐步消除了基本像差、高级像差, 并进行了像差平衡, 获得了实际焦距11.953mm照相镜头, 各个市场畸变控制在1%以内,M TF 曲线也比较理想, 镜头总长为14.3602 mm。该镜头不仅体积小, 结构紧凑, 而且像质较好。在此次设计中，我们发现光阑面使用非球面能够很好的平衡像差，同时我们只进行了对玻璃厚度和曲率的简单优化，查阅相关资料后设想如果将第一面的透镜换为鼓形透镜，第二面换为弯月透镜或换成折射率更高的玻璃，还可以进一步做出深度优化，使之获得更好的表现。六、指导教师评分评价内容具
求权重得分调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。10实践能力独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文） 15分析解决问题能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。15工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。10质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。40外语和计算机应用能力在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。5创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。5综合评语指导教师签字：
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Zemax软件在光学设计
Zemax在光学设计中的应用曾维友主要参考书目：? 《光学设计》袁旭沧，科学出版社 ? 《实用光学技术手册》王之江，机械工业出版社 ? 《ZEMAX中文使用手册》光研科学有限公司讲解内容提要：? ? ? ? ? ? ? 常用光学设计软件简介 ZEMAX用户界面 光学系统的建立举例 基本像差分析及像质评价 坐标断点 温度分析、多重结构、无热设计 样板测试及公差分析一.光学设计软件简介? 成像光学设计：Code V、OSLO、Zemax、 SIGMA、 LensView、SOD88、CIOES(长光) ? 照明光学设计：ASAP、TracePro、LightTool、 ProSource、ODIS(浙大) ? 光学薄膜设计：TFCalc ? 激光腔体设计：LASCAD ? 光电器件设计：OPTISYS_DESIGN 、 BPM_CAD 、 OPTIAMP_DESIGN 、FIBER_CAD 、HS_DESIGN 、 FDTD_CAD 、WDM_Phasar 、 IFO_GRATINGSCode V? 美国Optical Research Associates推出的大型 光学设计软件 ? 适用于各种序列及非序列光学系统，广泛用于 照相系统、光谱仪器、空间光学系统、激光扫 描系统、全息平显系统、红外成像系统、紫外 光刻系统等等 ? Code V为用户提供了各种可能用到的像质分 析手段，能够分析优化各种非对称非常规复? ? ? ?杂光学系统 Code V自带的专利库包含了多种镜头，可 供用户在初始设计时选择 可以与多种机械CAD软件交换数据，可以 输出多种标准加工图纸 有外部程序接口，用户可以用它根据需要 对 软件进行扩充和修改 成像领域中功能最强大，价格最高OSLO? 用于照相机、通讯系统、军事\空间应用、科 学仪器中的光学系统设计，在确定光学系统中 光学元件的最佳大小及外形时具有突出优势 ? 适用于序列及非序列系统 ? 优点是以设计者为导向的设计风格，用户界面 直观；功能强大精度高 ? 灵活性强，其提供的CCL语言相对于其它光学 软件更灵活ZEMAX? Zemax是美国zemax公司设计的专用光学设计 软件包 ? 可实现序列和非序列分析 ? 用于光学组件设计及照明系统的照度分析，也 可建立反射、折射、绕射等光学模型 ? 分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参 数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文 件，例如：*.BMP, *.JPG等，也可存成文字文 件*.txt? 优化：表栏式merit function参数输入，对话窗 式预设merit function参数，方便使用者定义， 且多种优化方式供使用者使用 ? 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 ? 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 ? 功能不及Code V、OSLO，但其简单易学， 价格便宜，在国内用得比较广泛SOD88? 北理工研究的光学设计软件，适用于共轴光学 系统，系统可以是折、反或折反系统，系统中 的面型可以是球面也可为非球面 ? 主要功能：几何像差计算和图形输出；像差自 动校正；公差计算；变焦系统设计等 ? 总体上来说其功能和迭代收敛速度不及前述几 种软件，但其价格便宜，还是值得推广LensView? 光学设计数据库，囊括超过18,000个在美国和 日本专利局申请有案的多样化的光学设计实例 ? 能显示每一实例的空间位置，拥有设计者完整 的信息、摘要等多种功能 ? 能产生各式各样的像差图，做透镜的快速诊 断，绘出这个设计的剖面图 ? 用该软件为设计者寻找恰当的初始结构，便于 快速的设计出符合技术指标的系统ASAP? 功能强大，已成为工业界标准的光学设计软件 ? 用于仿真汽车车灯光学系统、生物光学系统、相 干光学系统、屏幕展示系统、光学成像系统、光 导管系统、照明系统及医学仪器 ? 是一个联结了几何光学和物理光学的全方位3D 光学及机械系统的模型建立软件 ? 可处理各种光学仿真分析，包括散射效应、衍射 效应、反射效应、折射效应、光吸收效应、偏极 光效应和高斯光速传导之模拟分析TracePro? 普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析的 光线仿真软件 ? 应用领域：照明、导光管、薄膜光学、光机设计、杂散 光分析、激光泵浦、背光模组、投影系统、汽车照明系 统等等 ? 处理复杂几何的能力，以定义和跟踪数百万条光线 ? 图形显示、可视化操作、提供3D实体模型 ? 可以导出主流CAD软件和镜头设计软件的数据格式LightTool? 美国ORA公司研发的三维照明仿真软件 ? 光机一体化设计：光学和机械元件的形状的描述可通过 软件提供的基本实体模型实现。遮光罩、镜筒和产品结 构的设计将得益于这种光机一体的考虑方法和非顺序光 线追迹提供的大量信息 ? 复杂光路设置 ： LightTools使多光路或折叠光路系统、 带有棱镜或复杂曲面的系统的光路设置和视觉建模验证 变得简洁。有了LightTools，设计人员完全可以摒弃过 去为了简化问题而采用的一些传统技巧，如符号规则、 用多通道定义模拟变焦功能、把反射镜和棱镜展开成平 板、略去非光学面和机械结构的影响、人为简化光瞳形 状，等等? 杂光分析：非序列光线追迹功能可以直观地描述在系统 中任意表面上或介质中发生的任何光学现象，如折射、 反射、全反射、散射、多级衍射、振幅分割、光能损 耗、材料吸收等，并根据需要自动实时衍生出多路光路 分支。 ? 照明系统设计分析：LightTools中可以精确地定义各种 实际光源（如发光二极管、白炽灯、弧光 灯、卤素灯 等）的形状和发光特性，其计算结果与实际测量结果精 确吻合。对非人眼接收的照明系统，可以把结果转换成 辐射度单位。计算结果的输出形式可以是二维线图、等 高线图、灰度 图、伪彩色图或三维分布图。 ? 应用实例：投影系统、平板显示器、仪表盘照明、内窥 镜照明、报警灯、汽车前灯、车厢内部照明、指示牌照 明等等TFCalc? TFCalc是一个著名的光学薄膜设计软件，用于 设计和加工光学薄膜镀膜 ? 许多光学元件需要多层膜系设计，如棱镜、显示 器、眼镜片等。为了控制从X射线到远红外线的 波长范围内的光的反射和透射，光学薄膜取决于 它需要如何控制光的干涉和吸收，TFCalc让您 轻松的设计出您的光学系统中光学元件所需的薄 膜层LASCAD? LASCAD用于激光腔体的设计，德国研发 ? 可分析温度和光学部件对固态激光的影响 ? LASCAD提供了介于热学和光学之间的复杂的多 物理系统交互分析，这种分析用于被称之为热透 镜效应的固态光学器件。这种效应的建模和它对 光质量的影响以及装置和稳定性和光效率等对于 激光共鸣器的分析和最优化是十分必要的OPTISYS_DESIGN? 光通信系统仿真软件包，用于在大部分光 网络物理层上绝大多数的光连接形式的设 计、测试和优化 ? 实现了强大的仿真环境和对与系统以及器 件之间的层次等级的真实界定OPTIAMP_DESIGN? 用于EDFA工程师估计从光器件搭配优化到 系统互联和功率损耗的各个应用方面 ? 应用：用于单信道或WDM网络的单一或多 重放大器；反射的、分离信道区间、双向 和增益带门限的放大器；环状线性光纤放 大器；宽带光源? BPM_CAD：一种强大的，界面友好，应用于各种集成 器件和光纤导波计算的计算机辅助设计软件包。 ? IFO_GRATINGS：用于带有光栅的集成或光纤器件建 模的强大而界面友好的设计软件。许多远程通信和传感 器的运转都是利用光栅来调节光导模式之间的耦合。客 户只须简单的选择其中一项即可设定器件参数。 ? FIBER_CAD：为设计或使用光纤、光器件和光通信系 统的工程师、科学家和学生们推出的，此软件包通用、 强大，通过融合光纤色散、损耗和偏振模色散（PMD） 各个模型计算所得的数值解来解决光纤模式传输问题? HS_DESIGN：通过基于物理层对异质结结构电 学光学的特 性仿真来协助半导体光器件的设计 ? FDTD_CAD：用于高级有源和无源光器件的计 算机辅助设计 ? WDM_Phasar：提供了强大的针对基于AWG的 光复用分用和路由器件的设计和建模工具。优越 的图形用户界面 （GUI），其作为核心的能用鼠 标控制的布局设计器包含有一整套波导阵列模板 以便最大限度的辅助设计二. ZEMAX概述? ZEMAX能做什么？ZEMAX是一个程序，它能够建模、分析以及辅助设计 光学系统?ZEMAX不能做什么？ZEMAX只是一个工具，它不能教会你如何设计镜头和 光学系统，使用工具的你才是设计师；ZEMAX不能取 代工程实践，设计师的责任是检查ZEMAX模拟结果的 合理性与可行性?ZEMAX是什么？ZEMAX是用光线追迹的方法模拟折射、反射和衍射的 序列及非序列光学系统的透镜设计程序。 ZEMAX用“面”的概念模拟序列光线追迹，用“组件”或 “物体”的概念模拟非序列光线追迹。 序列和非序列光线追迹有着本质的区别，ZEMAX中可 以使用三种光线追迹方式： (1)纯序列模式 用于传统透镜及多数成像系统设计 (2)混合模式适于系统中有重要的序列端口和一些非序列元件 (如 棱镜、管道等) (3)纯非序列模式 适于照明、散射、杂散光分析以及不需要端口的模型? 序列光线追迹是指：光线从物面发出(通常是0面)，然后顺序地通过第 一面、第二面…，直到像面为止。因此光线是可逆的。? 非序列光线追迹光线按实际中传输过程向前传输，一条光线可能因折 射、反射、散射、衍射变为多条光线Samples\Non-sequential\Ray splitting\Beam splitter.zmx? ZEMAX在设计中考虑及忽略的是什么？ ZEMAX中考虑的是：精确的光程；反射和折 射；光程差和相位；像差和图像形态；偏振；薄 膜的透过率和吸收率；散射；静态分光 ZEMAX中忽略的是：透镜边缘的衍射（用物理 光学计算除外）三．ZEMAX的用户界面ZEMAX是Windows平台上的视窗式用户界面，视 窗的操作习惯与Windows平台相同，快捷键风格 也与Windows相同 3.1 ZEMAX的视窗类型 ZEMAX主要有五种视窗： ? 主视窗(The main Window)主视窗是执行ZEMAX任务的控制中心，它包含了菜单栏、工具 栏、标题栏等? 编辑视窗(Editor Window)ZEMAX中具有六种不同的编辑器：镜头数据编辑器(Lens Data Editor)、评价函数编辑器(Merit Function Editor)、多重结构编辑 器(Multi-configuration Editor)、公差数据编辑器(Tolerance Data Editor)、用于补充光学面数据的附加数据编辑器(Extra Data Editor)、无序元件编辑器(Non-Sequential Components Editor)? 图形视窗(Graphic Windows)主要有设计草图(Layout)、光线扇形图(Ray fans)、调制传递函 数图(MTF Plots)、点列图(Spot Diagrams)等。? 文本视窗(Text Windows)文本视窗用于显示文字资料，如详细数据、象差数据等? 对话框(Diglogs)对话框是一种固定大小的跳出视窗(即不能用鼠标拖动 变大或变小)。主要用于定义或更新视场(Fields)、波长 （Wavelengths）、孔径（Apertures）、面型 （Surface types）等3.2 主视窗的操作主视窗是ZEMAX打开后的弹出窗口，顶部有标题 栏、菜单栏、快捷按钮，底部状态栏中有当前镜头的焦距 （EFFL）、F数（WFNO）、入瞳直径（ENPD）、总长 （TOTR）。标题 栏菜单栏工具栏信息区主视窗中快捷按钮和状态栏内容可以由用户重新定 义。菜单栏有： ? 文件（File）： 用于镜头文件的打开(Open)、新建(New)、存储 (Save)、重命名(Save as)等，其中Use Session Files(使用场景文件)在打开一个新文件时，新的 窗口会在其原始位置打开；Preferences允许用 户设置窗口中文字大小，快捷键，状态栏内容等 等；? 编辑器（Editors）：是ZEMAX中所有编辑器打开或唤醒的汇总。通过该菜 单可打开或唤醒Lens data editor、Merit function editor 等。? 系统（System）：用于更新或定义光学系统的光学特性数据，如相对孔 径、视场与工作波长范围等等? 分析（Analysis）：是ZEMAX中重要菜单之一，是象质评价与分析的主要 工具。? 工具（Tools）： 也是ZEMAX的重要菜单之一，用于镜头的优 化、玻璃库的管理、公差分析、样板测试等等 ? 报告（Report）： 用于形成镜头设计结果的报告 ? 宏编程（Micros）： 用于执行已编译的宏程序。宏程序可以提取光线 追迹数据、象质指标等，也可以定义新的优化设 计用操作符等，执行时，宏程序作用的对象，是 当前的镜头系统? 外部程序接口(Extensions)：在ZEMAX环境中，使用该接口，可以执行外部扩展名 为*.EXE的执行程序，用于与ZEMAX交换数据，或ZPL 宏不能完成的功能。外部程序可以用C语言等编程工具 完成。? 视窗(Windows)与帮助(Help)四. 光学系统建立举例4.1 设计要求拟设计光学系统具有：f ? ? 50mm, 视场角2? ? 20 , D ? ? 1 f 50物距为无限远4.2 分析：
? 设计要求给出了系统焦距(50mm)，视场角，相对孔径，无其它 特殊要求? 初始结构确定：(1)用单透镜结构，并设光阑面与透镜第一面重合，因此系统需要四个面(物面、透镜前后面、像面)。(2)设透 镜为双凸透镜，且两个曲率半径大小相等，则曲率半径可由： RF ? 2(n ? 1) f ? 算出。代入设计要求，选透镜材料为BK7( nd ? 1.5168,? d ? 64.1673 )，则半径为51.68，取透镜厚度为6mm， 则初始结构在ZEMAX中的数据为：?其它光学特性参数的输入方法1. General 输入相对孔径 General功能可以由“System→General…”选取，也可以由 桌面上“Gen”快捷键来打开，打开后的General对话框如下 图所示。General对话框中，具有Aperture、Glass Catalog、Misc.等等选项。相对孔径的 定义在Aperture中完成。下面对一些常用选项作一些说明。 Aperture中： Aperture type用于定义相对孔径，即轴上物点光束大小。定义的种类有： （1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直径） 当物体位于无限远时，可以选择它来定义相对孔径 （2）Image Space F/#（像方F数） 物体无论位于无限远，还是有限远，都可以用像方F数定义相对孔径，定义 为：f/# =EFL / EPD=EFL / (2y) （3）Paraxial Working F/#（近轴工作数） 定义为f/# =1 / (2tanU’)U y U’ F只有当物在无限远时， 像方F数才与近轴F数相 等另外，在系统中还有一个Working F/#(工作数)，定义为f/# =1 / (2sinU’)，从定 义可看出三个“数”之间的差别。 （4）Object Space NA（物方数值孔径） 当物位于有限远时，可用之定义相对孔径，其含义为NA=nSin(θ)，n为物方 介质折射率，θ为高斯边缘光线孔径角。 （5）Float by stop size（由光阑大小决定） 这是定义轴上物点光束孔径的另一种方法，即由LDE中STOP面的“Smidiameter”大小来决定，此时LDE中STOP的半宽右边显示“U”，表示Stop Surface的孔径被固定。 （6）Object Cone Angle（物方锥角） 当物体位于有限远时，可用轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔，其值为 物空间边缘光线的半角，单位度，可大于90度U?General对话框中其他功能 (1)Apodization Type(定义光瞳上光强分布) 选项：Uniform表示光瞳被均匀照明；Gaussian表示光瞳上光振幅扰动为高斯 型，即： A ? ? ? ? e?G ? ；Cosin cubed表示光瞳上光分布为余弦型 (2)Glass Catalogs(玻璃库) ZEMAX提供了德国Schott、日本Hoya、美国Corning等玻璃生产厂商的玻璃 库，还有红外、塑料材料（PMMA）、双折射材料等内建玻璃库。22. Fields对话框中定义视场通过System→Fields…可以打开视场定义对话框，该对话框中首先给出了视 场种类定义的四个选项：角度（视场角）、物高、近轴像高、实际像高；接 着给出了最多为12的视场序号，即最多可定义12个视场，X-Field与Y-Field同 时选用时，适用于非旋转对称光学系统，对于旋转对称系统，一般仅在YField栏中输入数据，定义子午面内的视场。Weight用于定义各个视场的权 重。对于大视场光学系统，要考虑渐晕现象，由渐晕系数描述。3. Wavelengths定义镜头工作波长通过System→Wavelengths打开波长对话框，可以定义最多24个波长，波长 单位为微米。典型波长的数据已经存储在对话框中，可以用Select选用。其中 “Primary”定义的是主波长，用来考虑镜头系统的单色像差。4. 本例中的光学特性数据输入方法（1）定义像方工作数(Image Space F/#)为5，选择System →General… →Aperture →Image Space F/#，在Aper Value中输入5； （2）定义半视场0、7.07、10°，选择System →Fields… →在对话框中，选 用1、2、3视场序号，输入Y-Field分别为0、7.07、10°，不定义权重与渐晕 因子等。 1 2 n ?1 ? fullfield , ? fullfield ,...., ? fullfield 0, 对场点选择的原则： n ? 1 n ?1 n ?1 （3）定义波长。 （4）定义物距。 参数定义完后有效焦距并不等于50mm，这主要是由于透镜的厚度在ZEMAX中被 考虑进去了，可以通过优化设计保证焦距达到要求。另外，焦点位置还没有 确定，可用求解的方法确定，右击面2的Thickness →Marginal Ray Height →OK在焦点位置，边缘光线的高度为0；对于近轴区域，光瞳高度对焦点位无影响， 因此取0。取其它值时表示实际光线。五. 基本像差分析及像质评价前面介绍了在ZEMAX中如何输入一个光学系统，但这只是一个初始结 构，其性能如何，要通过ZEMAX的像质评价功能对其进行评价。像质评价 功能贯穿于光学设计的中间过程与最终设计环节之中。下面我们选取主要 的像质评价指标，说明这些指标的具体含义。?Fans光学中的Fans即光扇图，是与光学设计中的子午面和弧矢面的光线结构相 对应的。由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面 内形成子午扇形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有 关的像质指标，可统称为Fans。因此，Fans描述的是子午与弧矢两个截面 内的像差曲线图。 Ray Aberration 描述几何像差的垂轴表示法曲线，它为Fields对话框中定义的每一个视场绘制出像面(XOY平面)上X分量像差(X aberration)和Y分量像差(Y aberration)随 光线孔径高之间的变化曲线。通常X aberration用EX表示， Y aberration用EY 表示，光线孔径高用PX、PY(归一化值)表示。其作图原理见下图。 由Ray aberration图可以看出几何像差存在时的综合弥散情况，还可以看出其 他独立几何像差的大小，如由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差，诸如球 差、场曲、离焦的大小；由曲线边缘孔径(±1.0)处的Y aberration之和，能够 反映彗差的大小；如果工作波长是一光谱段，则非主波长的曲线与EY轴的交 点之差反映了垂轴色差的大小，随着视场的变化，可以看出垂轴色差的变 化，等等。
?Spot Diagrams（几何点列图）Ray aberration仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，点列图则 能反映任一物点发出充满入瞳的光锥在像面上的交点弥散情况。 点列图通常以主光线与像面交点为原点进行量化计算点列图的弥散情况， ZEMAX在此基础上还给出了以虚拟的“质心”、“平均”为原点的量化点列图。 使用点列图评价像质，除了观看点列图形状外，通常还要使用两个指标， 即RMS Radius与GEO Radius，前者表示点列图中大多数点的分布范围， 即集中的弥散半径，后者表示点列图弥散的实际几何半径。 由点列图的图案及其大小也可以估算独立几何像差的大小。仅 有 离 焦 像 差 时 的 点 列 图 及 光 扇 图仅 有 球 差 像 差 时 的 点 列 图 及 光 扇 图彗 差 散像? MTFMTF是目前使用比较普遍的一种像质评价指标，称为调制传递函数。曲线横 轴表示像面上的空间频率，单位为lp/mm，纵轴表示对这些线对分辨的调制 度。低频部分反映物体轮廓传递情形；中频部分反映光学物体层次传递情 况；高频部分反映物体细节传递情况。 对于目视系统：MTF&0.05；对于摄录系统：MTF&0.15 用MTF评价像质时要注意：（1）对每一种镜头系统，要根据物面物征、探测 器象素与响应情况，确定评价时的特征频率和对比度阈值；（2）查看MTF数 值时，要看多色MTF在每一视场处的子午和弧矢传函曲线，还要查看每一波 长下每一个视场处的子午和弧矢单色传函曲线；（3）MTF值跟波像差、点列 图一样，只反映成像清晰度，不反映变形，所以要检查物像相似程度，还要 看畸变曲线。例：35mm照相物镜的要求：EFL=75mm，F/3，决定合适的视场角，波长F,d,C 内部光阑，初始结构玻璃用SK4和F2，玻璃最小边缘/中心厚度：3mm，玻璃 最大中心厚度：15mm，空气间隙最小边缘/中心厚：0.5mm，最大空气间 隙：100mm。要求：边缘视场MTF在30lp/mm达50%，在50lp/mm达20%。 设计时我们以Samples\Short course\sc_dblgauss1作为初始结构。在这个结构中，系统的入瞳已经满足要 求，EPD=EFFL / F#=75mm/3=25mm， 但其视场与波长与我们的要求不同，需 要设定视场：35mm相机的胶片是一个矩形，长宽为36mmx24mm，对角线长43.2mm, 设计时为了保证边缘的像质，像高取得略大一些，如21.7mm，我们用近轴像 高定义视场，选四个场点：0、12.6、17.8、21.7，如下图波长选用F, d, C 此时初始结构就定好了，但其像质很差，我们需要从这个结构出发设计符合要求 的结果。虽然最终结果是以MTF来评价的，但我们的优化可以从默认优化函数开 始。优化设计过程：? 构建Merit Function(评价函数)，Editors \ Merit Function，然后选 Tools\Default Merit Function，设置如下：RingsArms? 点击OK，得到的评价函数为：?? ?评价函数是光学系统如何与指定的设计目标相符的数字代表。评价函数为 0，表示当前光学系统完全满足设计目标要求，评价函数越小，表示越接 近。 评价函数可以定义为设计目标像差与当前系统像差值之差的平方和，结合 权因子构成。定义式可写为： 其中Vi为第i种操作符的实际值；Ti为第i种操作符的目标值；Wi为第i种操作 符的权因子。(Vj-Tj)2为拉格朗日因子,通常对应透镜的边界条件MF2?W (V ? T ) ? ? (V ? ?W2 i i i ij? Tj )2?设置变量：将面1-5，7-10的Radius，以及1-11的Thickness设为变量。右击 然后选Variable或用快捷键Ctrl+Z，结果如图：? 开始优化：Tools\Optimization\Optimization…或工具栏中的Opt按钮 一段时间后其Ray aberration及Spot diagrams如下图，像差仍然存在，而且的 MTF没在达到要求，这时要换另一种优化方式
?优化操作的第二步：波前优化，设置如图? 用波前差作为评价标准的评价函数为：优化后可以发现波前像差下降了2倍此时其MTF的性能如何呢？ 打开一个几何MTF（因为其点列图还没达到衍射极限，衍射MTF的误差较大）， Analysis\MTF\Geometric MTF，然后改变其设置，选Max Frequency=50， Field：4其平均响应在30lp/mm约为 28%，在50lp/mm约为17%， 不符设计要求，还要用MTF 进行优化在MTF图中，T表示子午面， S表示弧矢面设置的MTF优化评价函数，其中GMTA为“平均几何MTF”操作数，OPGT为“大于” 操作数优化后MTF可以达到要求上述操作是通过ZEMAX内建的评价函数进行优化操作的，我们也可以自 建评价函数来校正像差。 例：设计一望远镜物镜，焦距 f′=250mm，通光孔径 D=40mm，视场角 2ω=6°，入瞳与物镜重合，物镜后棱镜系统的总厚为150mm。 要求： Lm ? 0.1mm, SCm? ? ?0.001, ?LFC? ? 0.05 ? ?? 这里 ? Lm , SCm? , ?LFC? 分别指的是轴向球差、彗差、0.707h的轴向色差，这些 在ZEMAX中没有专门的像差控制操作，需要自已设置。 由于该设计的相对孔径较小，视场不大，因此可以采用简单的双胶合物镜， 选择的初始结构如下：?系统入瞳为40mm，视场选0、2.1、3度，波长选F, d, C。其结构如图，棱镜 已展开。r 153.1 -112.93 -361.68 / /d 6 4 50 150玻璃 K9 ZF1 K9?球差控制θ?T? L?? L? ? ?T tan ??T由TRAY得到； 由RAGC ( Py =1.0 ) →ACOS→TANG得到； 由DIVI比值得到tan ? ? L?TRAY：Y面内（子午面）的垂轴几何像差； RAGC：全局光线z方向余弦值 ACOS：反余弦值，控制参数FLAG=1单位为度，FLAG=0为弧度 TANG：正切值?正弦差控制K s?y?y? 由PIMH得到； SC ? ? K ? y?sK s?由垂轴几何像差TRAY（Hy=1.0, Px=1.0）得到；得到PIMH:指定波长在近轴像平面上的近轴像高? 控制轴向色差 TRAY（wav=1, Py=0.7071); TRAY (wav=3, Py=0.7071); DIVI [TRAY(wav=1, Py=0.7071) / tanθ(wav=2)]; DIVI [TRAY(wav=3, Py=0.7071) / tanθ(wav=2)]; DIFF; DIVI：两个操作数结果的商； DIFF：两个操作数结果的差； PROD：两个操作数之积； CONS：定义一个常数?设置的控制操作数如下：?将双胶合透镜的曲率半径设为变量，调整控制参数的权重，为了更好地控制 球差，也可加入0.7071h处的控制参数，通过更换玻璃达到设计要求? 自建评价函数与默认评价函数的比较? 例：自由空间光通信中光学天线的设计说明：自由空间光通信是一种定向的点对点通信，其中 光学天线相当于一物镜系统，对于接收端光学天线，其 光学特点为：入瞳直径大、具有一定的视场、相对孔径 大、工作波长通常为近红外，要求结构尽量简单以增加 透过率。 像质评价时应尽量减少弥散团圆，光学分辨率与光电探 测器分辨率要匹配；像差校正时，要考虑校正球差、彗 差、场曲、像散，还要校正色差。设计要求 设计一接收用光学天线，满足：焦距 f′=60mm， D / f′=1 / 1.2，视场角2w = ±0.1°，激光波长：0.85um，激光波长漂 移：0.82-0.88um。 2. 光学特性特点与像差校正要求 根据设计要求，该天线属于一大相对孔径光学系统，视场与后 续的光纤直径相当，属小视场光学系统，可以采用望远物镜或 照相物镜形式，工作波长为近红外，波长带宽比较小，为保证 足够透过率，天线片数要少，玻璃可选无色光学玻璃材料。 像差校正主要集中在轴上点的单色像差及高级像差，色差估计 不大，像质评价可以采用弥散圆与MTF指标。 3. 初始结构的选择 此处我们选的初始结构参数如下： 1.r 49.24 323.96 28.72 74.06 -184.19 18.29 38.43 -185.89d 9.5 0.4 8.7 8.2 6.3 6.3 6.3玻璃牌号 ZK10 ZK10 QK1 ZF6 ZF1? 此例的主要光学特性为：f′=59.8，D/ f′=1/1.23，物 位于无限远。 ? 以下是输入参数的具体操作过程： （1）在透镜数据编辑器中输入上表中的半径、厚度、玻 璃材料数据，孔径光阑放在第1个光学面上，第8面到 Image的距离可以取为近轴像距，即用Marginal Ray Height求解，Height和Pupil Zone均为零，表示近 轴。 （2）设置孔径，点Gen图标，Aperture Type选 Entrance Pupil Diameter，Aperture Value为48。（3）设置视场：点Fie图标，在视场输入对话框中，选择 Angle，在Y-Field框中加入两个视场 0 和 0.05，权重 均设为1。 （4）设置波长：点Wav图标，输入三个波长0.82、 0.85、0.88，同时选择主波长（Primary）为0.85，权 重均设为1。 到这一步，我们的初始结构就建立完成了。其结构参数如 下图：初始结构点列图的大小在177um，光学传函（MTF）也 很差，需要进行优化，改善像质。优化设计 该结构形式可以用做变量的数据有：8个曲率半径，6个空气间 隔，必要时还可以将玻璃作为变量。要校正的像差有6个，即 球差、轴向色差、正弦差、高级球差、色球差、高级彗差，同 时需控制焦距。由于其可用于变量的参数个数比要校正的像差 个数多，因此该系统具有很好的校正像差的能力。 先只用8个曲率半径作为变量。 （1）使用ZEMAX的缺省评价函数进行优化 在Editors & Merit Function打开评价函数编辑器，选用 Tools&Default Merit Function & Spot Radius & Ring=6，再 在第一行前插入5行，第一行输入EFFL返回焦距值，第二、三 行输入OPLT、OPGT控制焦距范围；第四行输入TTHI返回系 统总长，第五行输入OPLT控制系统总长 4.
优化后得到的点列图与MTF图，像质已基本符合要求， RMS Radius在7um，MTF在50lp/mm处达45%（2）自建独立几何像差评价函数优化 如前所述，要校正的像差有6个：球差、轴向色差、正弦差、高级球差、色球差、高级彗差，符号如下：? Lm? , ?LFC? , SCm? , ? Lsn? , ? LFC? , SCsn?高级球差的定义： 高级彗差的定义： 色球差的定义：? ? Lsn? ? ? L0.7071h ? 0.5? L1h? ? SCsn? ? SC0.7071h ? 0.5SC1h? ? ? ? LFC? ? ?LFC (1h ) ? ?lFC (0 h )评价函数如下：
? 优化结果：点图大小在10um，MTF接近30%。?两种设计思想的对比：左图为默认评价函数的球差曲线，可以看出1.0h的球 差不为零，0.707h的球差接近零，表示优先平衡小孔径的像差；右图为自建 评价函数的结果，1.0h的球差接近零，0.707h的球差也接近零，反映了初级 球差与高级球差同时较正的思想。但就本例而言，平衡小孔径像差得到的结 果好些，说明小孔径像差比边缘像差对像质的影响大。六 坐标断点、棱镜的设计有时我们设计的系统要求表面倾斜或偏心，这时我们就需要用到坐标断点的 概念来实现，比如我们要设计如下的棱镜转折系统。设计过程： ? 假定入瞳大小为25mm，位于第一面上，视场及波长用默认值。 ? 输入透镜的参数：曲率半径100，-100；面1厚4mm，面2厚30；玻璃BK7 ? 插入面3，该面为棱镜的第一面，为平面，曲率半径为INF；厚12.5mm； BK7；由于形状为方形还需对其进行设置。在面3的面型(Standard)上右击， 选Aperture & Aperture Type & Rectangular Aperture &X-Half Width/Y-Half Width & 12.5将面3的通光口径类型设为矩形?棱镜的后表面倾斜了45度，为反射面，因此需要加入坐标断点。坐标断点面 只对它后面的各面产生作用，为了使棱镜的后表面倾斜，坐标断点面应加在 其前，为第四面。右击面4的面型，选Type&Surface Type&Coordinate Break坐标断点面的厚为0，因为它作用于棱镜的后表面，与棱镜后表面重合。在面4的 Tilt about X输入-45，表明倾斜45度 坐标断点面后的面5为棱镜后表面，半径INF；厚度0；玻璃MIRROR；通光口径 类型与面3类似，只是Y-Half Width设为17.7 为了使光线经过面5后发生90度的转折，需要再加入一个坐标断点面，序号为6， 设置与面4的设置类似，只是厚度设为-12.5(到棱镜下表面的距离)?面7为棱镜下表面，通光口径与面3相同。整个设置如下图：注意：坐标断点面通常是成对出现，且其后的厚度及曲率的符号会改变，通常的 规则是奇数对坐标断点后的符号改变，偶数对后的符号不变(相对于没有坐标断点 时情形)?涉及到棱镜等形状复杂的成像系统时，更好的方法是使用混合模式，即将棱 镜等多面体作为非序列元件，用POB文件定义其形状，这样更简洁些。如下 面的分光棱镜：?这是上述分光棱镜的透镜编辑表，可以看出这里没有用坐标断点，而是用的 非序列元件七. 温度分析、多重结构、无热设计? 温度及压力的变化会引起玻璃的折射率、曲率半径、厚度的变化，这些参数 的变化将引起成像质量的波动，因此需要对设计好的结构进行温度和压力分 析，分析中用到的方法是多重结构，设计不受温度影响的结构就是无热设计 下面以Samples&Short Course&sc_temp1为例说明热分析过程 首先查看一下BK7玻璃的折射率数据(Analysis & Glass and Gradient Index & Dispersion Diagram & Text , 选BK7玻璃) 标态下（20℃，1个大气压）BK7在波长0.486um的折射率为1.5223859，注 意sc_temp1的EFL为100，且有一个为求解近轴焦点位置的面4 先来看看在真空中透镜有什么变化，选System&General&Environment 将“Use Temperature, Pressure”选中，注意其默认值是20, 1，此时折射率、 后焦点、有效焦距都没有变化 然后将ATM改为0，此时后焦点位置变了，而且EFL下降了约0.1%。这就说明 了压力对透镜的影响。? ? ? ? ? ??再让我们看看温度变化的情况，先将压力设为1个大气压。然后用MCE定义两 种结构，每种结构对应一个温度。有两种方法实现： 方法1： ?增加第二种结构(Editors & Muti-Configuration & Edit & Insert Config) ?增加七个操作数(TEMP、3个CRVT(1, 2, 3)、3个THIC(1, 2, 3)) ?设置TEMP 1为20，TEMP 2为100 ?对结构2的2-7操作数增加“Thermal Pick Up”方法2（用Make Thermal）： ? 在MCE & Tools & Make Single Config，先将方法1设置的结构清除 ? 然后选Tools & Auto Thermal…，将Number of thermal configuration设为 1；Min Temp：100；Max Temp：100假设透镜支架为铝材，其热膨胀系数为23.50×10^-6，在LDE中的面3的TCE中加 入23.5? ?用Ctrl+A在两种之间转换，查看参数变化情况。EFL、Radii、Thickness都有 变化。 进行热性能分析，在分析之前要固定像面，因此将面4删除。用Ctrl+A查看两 种结构的点图与光程图，可以发现：点图的RMS在3与11之间变化?而OPD在0.5、2波长之间变化无热设计方法：（1）重新优化透镜，使其在各个结构之间平衡；（2）用热膨胀 系数更好的材料；（3）用更好的玻璃 （1）重新优化设计 打开评价函数编辑表(F6)，Default MF & RMS, wavefront, centroid，不用边 界控制，得到两个结构的MF，值为0.314。在CONF 1中的DMFS前插入 EFFL，Target 100, weight 1，然后在MCE中定义config 1的3个CRVT为变量优化，MF下降到0.19，OPD在±1个波长，说明温度的变化已经得到了一些 平衡。 （2）选用膨胀系数小的材料 将面3的TCE设为变量，优化，MF下降到0.059，结构1与结构2的OPD几乎相 同，在半个波长内。 此时TCE变为3.56×10^-6：因此镜筒用硅(3.50×10^-6)或复合材料能得到更 好的设计。 （3）使用热膨胀系数相近的玻璃 用热膨胀系数相近的玻璃也可改善热影响。先将面3的TCE改回23.5，并设其 为不变。在评价函数中加入两个GTCE，分别对应一种玻璃，用DIFF控制其 差值，然后再在MCE的结构1中将玻璃设为“Substitute”，使用全局优化或锤形 工具(Hammer)寻找玻璃。 ?
扫描镜（坐标断点及多重结构的运用）：? 先建立一个透镜系统，玻璃BK7，入瞳20，视场0度，波长 0.55，厚10，工作数F/6(在面2的半径中用F number确定)，后焦 距(面2到像面的距离)用Marginal Ray Height确定，如图所示：? 第一面前插入2面，并将第一面设为光阑面（STO），设置面1的 厚度为50，面2的厚度为20（扫描机构到透镜的距离），此时的透 镜数据表如图：? 选Tools & Fold Mirrors & Add Fold Mirror，将Fold Surface设为 2，Reflect Angle设为-90，Tilt type设为X tilt? 点击OK之后透镜编辑表、3D图形如下：? 双击面2，选中Make Surface Global Coordinate Reference，可 将图形的参考坐标系改变。 ? 在第3面前插入1面，将其面型(Surf: Type)设为Coordinate Break，Tilt about X：5 ? 在第5面前插入1面，将其面型(Surf: Type)设为Coordinate Break，Tilt about X：双击，选Pick up、3、-1、0? 将面3和面5设为坐标断点的目的是实现光线的小角度偏转(即扫描 功能)? 设置多重组态，Editors & Multi-Configuration。假设扫描范围为 -10～10，我们设置5个组态：-10、-5、0、5、10，首先在MCE 编辑器中插入5个组态，Edit & Insert Config。? 将Active设为PAR3，Surface：3? PAR3表示第三个参数，在面数据表中，此参数为Tilt about X的 值 ? 同时将Config 1～5分别设为-10、-5、0、5、10，结果为：? 优化，对各种结构的点列图综合评估 ? 打开评价函数编辑器(F6)，选择Tools & Default Merit Function ? 设置如下：RMS、Spot Radius、Centroid，Ring:6，Air：0.5、 150、0.5。
? 设置变量，将第7面的半径、第8面的厚度设为变量。然后优化。? 将多重结构同时显示的方法：在结构草图(Layout)中选Setting， 然后将Configuration设置为All红外系统的设计? 大气窗口：3～5um和8 ～12um ? 探测器类型：热释电非致冷焦平面阵列、微测辐射热计焦平面阵 列 ? 像质评价：（1）不能仅以分辨率为评价标准（2）需考虑探测器 的灵敏度、信噪比（3）要考虑目标与背景的温差（4）有时只讲 究探测的效果，能反映有或无即可 ? 红外材料：（1）氧化材料(可见光～ 6um)：ZnO、MgO、蓝宝 石、结晶石英；（2）硫系玻璃(可见光～几十微米)：ZnS、 CdS、PbS；（3）重金属氟化物(可见光～几十微米)：CaF2、 BaF2、MgF2、LiF；（4）半导体单晶：Si、Ge ? ZEMAX中的红外玻璃库：INFRARED.AGF? 常用红外材料：（1）0.4 ～1.1um，普通无色光学玻璃，要注意 其通光率；（2）3 ～5um，氟化物玻璃、熔融石英；（3）8 ～ 12um，Ge、ZnS、ZnSe ? 设计基本方法： （1）选择探测器(阵列数、像元大小) （2）根据作用距离与探测器参数，满足有效探测情况下，计算焦 距、视场 （3）根据探测器最小温度分辨率，决定探测器相对孔径 （4）根据焦距、相对孔径、视场选结构形式 （5）决定设计波长及是否给出变化的权重 原则：波长响应愈强、目标辐射出射度愈强、权重愈大 （6）优化 （7）分析制造公差及无热设计红外镜头的主要类型： 1. 折射系统：物镜片数不多，太多造成透过率严重减少 （1）单透镜：像质不高，用于小视场 （2）双分离物镜：红外系统中通常有用双胶合形式 （3）三～四片：大视场，小F数 2. 反射系统：波长范围宽，但中心有遮挡，能量损失严重 设计举例 ? 要求：作用距离2KM，目标为船只，探测器像素384X288，像 元35um，温度分辨率20mk，光谱响应8 ～12um超过90%。设 计符合以上要求的红外物镜 ? 设计过程：? 将设计要求转化成光学镜头的特性参数： （1）船只假设大小5mX15m，取其对角线作为物高h=8.6m （2）实际使用时，希望目标在探测器上能成7 ～10个像素，这样 便于分辨 根据物像相似原则：L=2000m f′=L*h′/ h=*9/8.6=75mm （3）相对孔径D/ f′，此处取F/1.0 （4）根据探测器尺寸：13.44*10.08mm可以确定视场角 ? 结构分析 （1）一般摄影、照相结构采用光阑在中间的对称形式，要实现 F/1.0，系统的片数将会很多，不适用于红外系统 （2）红外系统的视场角有10.2°×7.7°(arctan(2y′/ f′))，可用 三片式加非球面的结构（3）由于相对孔径大，跟孔径相关的高级像差严重，因此常采用 正负光组组合的结构。正组在前，口径大；负组在后口径小；但 负组会放大正组球差，因此在负组后用无光焦度的透镜消除剩余 像差。 （4）正组口径大，承担光焦度大些，所以前组用非球面，以减小 其像差。孔径光阑置于前组，并与非球面不在个面上。 （5）一般透镜均属于薄透镜，两面都使用非球面效果不明显，因 此只用一个非球面。 ? 初始结构： （1）初始结构按正组、负组、无焦系统凑成 （2）波长及权重：主波长：10um，按1.0、0.85、0.707、0.5、 0.3、0设置视场。设置入瞳直径保证F/1.0，并保证边缘厚度 1mm。各种设置结果如下：
? 优化函数及变量的设置 以EFFL控制焦距，以TOTR控制总长，以TTHI控制面间距，以 MNCA控制最小空气间隙，以MXCA控制最大空气间隙。设置如 下：
将半径、空气间隙及非球面的4、6阶系数设为变量? 优化。结束后查看MTF曲线。该探测器的特征频率为 1/(2*0.035)=14 lp/mm八. 样板测试、公差分析设计一个光学系统，仅仅满足所有的性能指标还不算完成了设计，设计者还 要考虑如何使成本最低，还要考虑所有影响光学系统质量的因素。前者要求 设计者尽量使用已有的系统和元件，或者设计的元件其曲率是工厂现有能力 能够加工的(样板测试) ；后者要求设计者进行公差分析。 本节以一个例子来说明。 设计一个定焦数码镜头，技术指标如下： 1. 镜头用1～3片的玻璃或塑料制作 2. 图像传感器(CCD)指标 像素：640X480，像元：7.4umX7.4um，成像面积：3.55X4.74mm2(对角 线长6mm) 3. 物镜 定焦，焦距6.0mm，畸变 & 4%，f / #：f / 3.5 锐度(焦点范围内的MTF)：17 lp/mm & 90% (中心) & 85% (边缘) 51 lp/mm & 30% (中心) & 25% (边缘) 渐晕：中心相对照度 & 60 %分析：EFL=6mm，像高y′=3mm，因此无限远入射光线的半视场角为 Semi-FOV=arctan( y′/ f′)=arctan(0.5) =26.5° CCD的特征频率为1/ (2 * 0. lp/mm ? 设计时从已有专利中选取初始结构(选时f数取小点而场角取大点)，另命名为 MyDigital_1.zmx，其FOV=26.5，F/# = 3.5，EFL=0.95 ? 将其焦距缩放到要求的6mm：Tools & Miscellaneous & Make Focal，填入希 望的焦距6。 ? 对初始结构进行分析： ? 1. 2. 3. 4. 一般要求(F/#、EFL、像高等)：Reports & System Data 畸变：Analysis & Miscellaneous & Field Curv/Dist 锐度：Analysis & MTF & FFT MTF 渐晕/照度：Analysis & Illumination & Relative Illumination初步分析该透镜似乎已经很好了，但是观察一下各个透镜的大小及厚度，这 些透镜的厚度相对于它们的大小太小了，另外，所有的玻璃都是以模型给出 的，还要将其替换为实际玻璃。下面就对其进行优化设计。? ?将各个透镜的半径及厚度设为变量，玻璃设为替代(此时右边有S标计) 边界条件控制：Glass：0.9、1.6、0.8 Air：0.1、10、0.025 GCOS：0& GCOS & 8 评价函数设置如下：?在评价函数表中加入EFFL控制焦距，TTHI控制系统总长，三组GCOS控制玻 璃成本，以限制玻璃，结果如下：?? ?然后使用锤形工具(Hammer)优化。Tools & Optimization & Hammer Opti… 注意：使用锤形工具优化时要选择Hammer，如果选项Auto DLS就只是用最 小二乘法优法，玻璃不能被替换。结果MyDigital_1_3.zmx 对结果进行分析：F/# =3.5，实际像高：2.93，近轴像高2.99，EFL=5.99998 这些都符合要求 畸变& 1.0%；MTF：17 lp/mm 92.2% 91%，51 lp/mm 61.9% 64%；照度： 63.6%初步设计已符合要求，下面进行样板测试及公差分析?样板测试相当于书上的数据规整，就是将设计好的半径用标准半径代替，这 样在生产时就不需要特制刀具，可以降低成本。其步骤如下： 1. 将所有半径(平面除外)、厚度设为变量，然后重新建立评价函数，在评价 函数中控制有效焦距或F数，同时使用适当的边界条件。 2. 选择 Tools & Test Plates & Test Plate Fitting，其对话框如下：File Name ：用于选择不同的样板列表。通常一个文件就是一个厂家提供 的半径样板 ? Method of Fit：套样板的方法。 (1)Try all Method: 偿试下述所有的方法，使用可以产生最小评价函数的方 法 (2)Best to Worst：首先用最接近的曲率半径套样板，最常用的方法 (3)Worst to Best：首先用最不接近的曲率半径套样板 (4)Long to Short：首先用最大的曲率半径套样板 (5)Short to Long：首先用最小的曲率半径套样板 在套样板过程中，如果与某一半径最匹配的样板半径被替代进来作为实际曲 率半径，则该半径的可变性被去掉，镜头将再次被优化，优化使用的是当 前的评价函数。 ? 3. 我们选用 LIEBMANN.TPD文件作为样板文件，方法用Try All Method， 这样可以看出不同方法之间的差异，同时也可找出最适宜的方法。4.套样板后将产生一个文本，里面记录了套样板的顺序、样板ID、新旧半 径值、套样板后的MF值及其改变量。通常MF值改变越小、最终MF值 越小结果越好。5. 6.套样板后要检查各项指标有无异常，有些半径可能厂家没有相应的样板， 这时要么自已设定样板，要么重新设计。 半径固定之后，就需要固定玻璃厚度和空气间隙，原则上是先固定玻璃厚 度然后再固定空气间隙，先固定变化最小的厚度。并且每固定一个厚度都 要重新优化，MF值不能有显著的上涨。通常保留一到两位小数。结果为 MyDigital_Testplate.zmx。使用的评价函数及结果如下：下面看看各种指标：MTF、畸变、相对照度、圈入能量畸变小于1%，MTF满足要求相对照度大于60%，在一个像素内(7.4umx7.4um)，圈入能量大于85%系统参数：公差分析：? ? ? ? 没有公差的系统是无法生产、无法装配的，因此在做公差分析之前，设计仍 没有完成。 最好的设计并不是那些完好满足设计要求的设计，而是能够被装配成完好满 足设计要求的设计。 误差的来源：制造、装配、材料、环境因素、设计中的残余误差。由于各种 误差的存在，因此设计时的技术指标必须比设计要求高，要留有足够的余量 公差分析的步骤：1）为镜头定义一组适当的公差；2）修改默认的公差值或 加入新值以适合系统的需要；3）添加补偿器，并设定补偿器的允许范围，默 认为后焦距；4）选择适当的评价标准，如RMS点图半径、波前差、MTF或视 轴误差等；5）选技适当的分析模式，敏感分析或反敏感分析；6）执行公差 分析；7）检验由公差分析产生的数据，考虑公差平衡。如果需要，修订公差 值并重复进行分析。常见的公差参数范围：操作数 波前差 厚度 半径 折射率 表面偏心 表面倾斜 球状度 非规则度 非球面度 元件倾斜 元件偏心 商用 0.25λRMS 2 λP-V 0.1mm 0.5% 0.001 0.1mm 1弧分 2 fringes 1 fringes 1% 5弧分 0.254mm 精密 0.1 λRMS 0.5 λ P-V 0.05mm 0.1% 0.mm 30弧秒 0.5 fringes 0.25 fringes 0.5% 3弧分 0.0254mm 高精密 &0.07 λRMS 0.25 λP-V 0.005mm 0.02% 0.mm 3弧秒 0.1 fringes &0.1 fringes 0.1% 1弧分 0.005mm? ?下面就对前面结果MyDigital_Testplate.zmx进行公差分析。 点击 Editors & Tolerance Data & Tools & Default Tolerances…，弹出如下对 话框。选择需要的公差，并设定其公差值，点击OK。然后将第二行的波长改 为我们在Wav中设定的参考波长。下面对该对话框的内容作一些简要的说 明。?? ? ? ?在该对话框中，左边是表面公差，右边是元件公差。Fringes是指由在测试波 长处能量的光圈来指定，该公差只能被放在那些有光能的表面上，这样就排 除了两边有相同折射率的虚拟面。如果表面是一个平面，则默认公差值被指 定为一个以光圈表示的变化量，即使选择了其它选项也是这样。 S+A不规则度：如果选中，将在每个标准面型上指定一个球形和像散不规则 度。 Zern不规则度：如果选中，将在每个标准面型上指定一个泽尼克不规则度。 Start At Row：指出默认公差放在公差数据编辑器中的哪个地方。如果行号大 于1，那就从指定的行号开始附加新的默认公差。 Use Focus Comp：使用聚焦补偿器。如果选中，则将定义一个默认后焦距补 偿器。使用补偿器可以大大缓解某些公差。补偿器的使用要根据具体情况来 定。 选用默认的公差后还可根据需要其它定义补偿器：在公差编辑器中插入操作 数COMP定义补偿器，其中Code=0补偿器为厚度；Code=1补偿器为曲率半 径；Code=2补偿器为圆锥曲线?? ? ?公差定义完后，接下来就是执行公差分析。但在执行公差分析之前还需作一 些准备工作。 将所有变量及解都移除。因为公差分析时不能改变原设计 打开场编辑对话框，添加-Y方向的场点。因为偏心或倾斜使结构已不对称。 同时由于我们最终结果是以MTF来评价的，因此暂时先只取边界场点，使公 差首先满足边界MTF，然后再考虑所得公差能否满足中心视场要求，如果不 满足，对公差进行缩紧。?打开两个MTF图，使其分别对应一个视场，频率设置为51?选择 Tools & Tolerancing &Tolerancing…，打开公差分析对话框对话框各项的意义如下： Mode有四种：Sensitivity计算 每一个公差极值对评价标准的 改变；Inverse Limit计算每一公 差值，该公差值产生一个与极 值参数指定值相等的评价函数； Inverse Increment计算每一公 差值，该公差会产生一个等于 增量值的评价标准的改变量； Skip Sensitivity忽略敏感度分 析，直接进行蒙特卡罗分析。 需注意的是：极值或增量是使 每一个公差达到指定的值，而 不是使整体公差达到指定值。Increment(增量)：当Mode选Inverse limit或Inverse Increment被激活，可输入 要求的极值或改变量，点击“?“可查询当前评价标准(Criteria)的值。 #Monte Carlo Runs：蒙特卡罗运行次数。此操作用Statistics指定的统计分布 随机分析运行次数指定的数量的镜头，这些镜头是符合指定公差的。该操作 模拟了实际生产装配中各种公差对镜头的影响，利用它可以估计成品率。 Save Monte Carlo Runs：保存蒙特卡罗分析结果的个数。 Criteria：指定公差评价标准。应根据需要选用合适的评价标准。 Sampling：采样率。数值越大计算越准确，计算速度越慢。 Comp：评估补偿器，Paraxial Focus只考虑近轴后焦点的误差，计算速度 快，但不如Optimize All精确。 Fields：视场，通常用于优化和分析的视场对于公差是不适合的。当使用渐晕 因子、分析多重结构时推荐使用User Defined Script：用户用脚本语言定义的评价标准，与Criteria中的User Script联合使用 MTF Frequency；当使用MTF作为评价标准时需要定义MTF频率。 Config：分析多重组态时需指定组态序号，只有选中的组态才被考虑。Cycles：循环次数，当Comp选Optimize All时有效。 Separate Fields/Configs：如果选中此项，则ZEMAX就会分别计算每个组态 的每一视场的评价标准，并验证每一视场是否符合极限值或是增量值。 Force Ray Aiming On：强制光线瞄准，使用光线瞄准通常可以获得更精确的 结果，但计算速度也更慢。 Show Descriptions：显示每个公差操作数意义的完整描述。 Show Compensators：选中此项，则每个补偿器值将和每个公差在评价函数 中一起被打印出来。 Overlay MC Graphics：选中此项，则打开的图形分析窗口将被蒙特卡罗分析 所产生的镜头的图形覆盖，这对于显示相似文件的性能范围很有用。 Hide All But Worst：仅打印性能最差的镜头个数(Show Worst定义)。 Statistics：统计分布函数类型，有高斯正态分布(Normal)、均匀分布 (Uniform)、抛物线分布(Parabolic) Status：公差分析过程中的状态??我们使用”Inverse Increment”来设置公差，增量初步使用0.032，评价函数使 用平均几何MTF(Geom. MTF Avg)，如果使用衍射MTF，则在公差较宽时， 基于衍射的MTF可能会有问题，因为光程差太大时，衍射MTF可能不能计算 或没有意义。MTF的频率选择51，这是指标中要求的。 运行完成之后得到如下的MTF图，公差编辑器的数据也有变化。?从MTF图看，相当多的MTF值太低，在蒙特卡罗结果中可看出具体的比例： 只有50%的MTF值大于23%。这说明利用增量得到的公差太松，增量太大。? ? ?下一步就对公差进行紧缩，减小增量值。下面我们用RMS点列图评价标准来 确定公差。先将所有视场都加上，将公差重新设置为默认值。 打开三个MTF，使其分别对应0视场及两个边界视场，频率设为51 选择 Tools & Tolerancing &Tolerancing…，Mode使用Inverse Limit，点击 “？”查看当前的点图大小，其值为0.00378mm，有公差时点列图将增大，我 们将其值限制为0.0041mm。蒙特卡罗分析的数量增加到50。从结果看，有 90%的RMS小于0.00683mm，这比CCD的像元小，CCD可以分辨。?从中心视场及边界视场的MTF看，只有少数几个结构的MTF不满足要求。因 此在这种公差设置下，成品率是比较高的。最终公差值可由 Tools & Tolerance & Tolerance Summary 得出。最后还要 对公差进行检察，看看有没有需要调整的。
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