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zemax光学设计笔记[1]-通过简单例子入门

开发技术 开发技术 2022-08-07 次浏览

zemax设计流程

软件:ZEMAX 2005(绿色版)
设置->镜头数据编辑(镜头材料选择、镜头相对位置、镜头角色)->分析->优化
最后设计出来的参数应该符合物理规则,折射率不能为无限大。

镜头数据编辑器

镜头数据编辑器跟Excel表格差不多,除了表面类型和标注,其他列都是有两个小列,第一个小列主要是参数的具体数值,第二个小列是设置求解类型的,主要用于优化的时候设置变量。
主要是编辑光学系统光阑依次通过的一些光学元器件的参数,从物面到光阑,到像面。中间的其他面可以insert 或者 ctrl+insert向上或者向下插入新的层。
主要关注:OBJ物面,STO光阑,IMA像面,Comment备注,Radius半径,Thickness厚度,Glass玻璃材料,clear Semi-Diameter净口径,Surface Type表面类型

表面类型:

  • 标准面 Standard
  • 偶次非球面 Even Aslphere
  • 衍射光栅 Diffraction Grating
  • 坐标间断(空间分隔) Coordinate Break
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    每个光学系统从物面 (OBJ) 开始,经过光阑(STO),到像面 (IMA) 结束
  • 光阑:控制光束通过多少的设备,光阑可以是光学系统中某一个光学镜面,也可以是一个单独的平板孔径(或光圈)
  • 入瞳:光阑在物空间的像为入瞳
  • 出瞳:光阑在像空间的像为出瞳
    常用玻璃库:成都光电CDGM[http://www.cdgmgd.com],SCHOTT

材料特性

  • 折射率
  • 色散
  • 透过率
  • 阿贝数
  • 冷热特性
  • 硬度
  • 均匀性
  • 耐酸碱性
  • 质量
  • 折射率分布

常用玻璃材料

  • ZF2
  • N-BK7

常用塑料材料

  • OKP-1 优点:高折射率
  • OKP4HT 优点:高折射率
  • OKP4 优点:双折射
  • APL5514DP,APL5514ML,APL5514CL 优点:高透过率,低双折射
  • EP5000 优点:低双折射
  • E48R 优点:低双折射,耐高温
  • K26R 优点:高折射
  • PC-AD5503 优点:高折射,高吸水率
  • PMMA 优点:低折射、低双折射、高透过率、高吸水率

常用镀膜

  • [CaF_2 ]

几种分析模式

序列模式
非序列模式
混合模式

复杂几何体(例如 自由曲面)

静态导入
动态导入(zemax可以调整物体形状)
布尔物体(不推荐)

zemax优化操作数

[https://www.optkt.cn/article-869.html]

设计一个单透镜(用zemax进行光学设计的一般模式)

[https://blog.csdn.net/Carifee/article/details/119106268]

设计约束(设计目标)

规格 约束
焦距 100mm
半视场角SFOV 5 °
波长 632.8nm(HeNe)
单透镜中心厚度 2-12mm
单透镜边缘厚度 >2mm
优化标准 全视场RMS均方根半径平均值
物体位置 无穷远

定义整体系统

设置选项卡 (The Setup Tab) >系统组 (System Group) >系统选项 (System Explorer) >系统孔径 (Aperture)
像方空间F/# = 4
有效焦距 = 100mm
入瞳直径EPD = 25mm
系统选项 (System Explorer) >单位 (Units) ,选择镜头单位 (Lens Units) :毫米。

定义视场

有5种模式

  • 角度 Angle
  • 物高 Object Height
  • 近轴像高 Paraxial Image Height
  • 实际像高 Real Image Height
  • 经纬角 Theodolite Angle
    一般物体位置无穷远(无限共轭)会涉及视场角FOV
    点击系统->视场打开视场数据编辑器
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    角度定义视场,三个视场(0,0,权重1),(0,3.5,权重1),(0,5,权重1)

设置波长

波长设置为0.6328um,权重1
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设置镜头数据

镜头数据编辑器中的每一行表示一个表面。因此,由玻璃分隔的两个表面组成一个单独的元件,我们会看到透镜前表面、透镜后表面等名称。在Zemax中,材料用于区分透镜前后表面。

表面类型Surf:Type 备注Comment 曲率半径Radius 厚度Thickness 玻璃材料Glass 净口径Semi-Diameter 圆锥系数Conic 膜层Coating
物面 标准面 物面 无限Infinity 无限 无限 0.0
光阑 标准面 前表面 无限 4.000 N-BK7 12.5 0.0
标准面 后表面 无限 100.000 12.730 0.0
像面 标准面 像面 无限 - 21.479 0.0

求解

当光学设计存在约束时,保持这些约束的方法有两种:

  1. 将影响这些约束的参数设置为变量,并将边界约束添加到评价函数编辑器 (Merit Function Editor) 中;
  2. 使用内置的求解功能来执行约束,消除不必要的变量。
    设置前后表面、像面净口径的求解类型为自动
    设置后表面的曲率半径求解类型为F数,值为4,回车可看到曲率半径自动改变。
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布局图Layout分析

点击分析->草图->2D草图
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点列图Spot Diagram分析

点越小越好,直径一般要达到500um左右.
点击分析->点列图->标准
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光程差图OPD Fan分析

光程差图是光程差随光瞳坐标变化的曲线。
点击分析->特性曲线->光路
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光线光栅图Ray Fan分析

光线像差图是光线像差随光瞳坐标变化的曲线。一般情况下,当一条光线通过光学系统到达成像表面时,它的交点落在离主光线较小但非零的距离上。
点击分析->特性曲线->光线像差
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优化:设置变量和搭建默认评价函数

zemax优化操作数变量

表格

设置变量

有一些参数需要设置为常量作为约束,有些参数可以设置为变量用于求解。
前表面:曲率半径和厚度求解类型都设置为Variab变量
后表面:厚度设置为Variab
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评价函数

评价函数(Merit Function) 是光学系统与指定目标的接近程度的数值表示。在评价函数编辑器中,OpticStudio使用操作数列表,这些操作数分别代表系统的不同约束或目标。当评价函数构建完成后,OpticStudio中的优化算法会尝试使评价函数的值尽可能小。
编辑评价函数:
评价函数编辑器的菜单栏选择优化向导与操作数(Wizards and Operands)>优化向导( Optimization Wizard )
备注:zemax2005没有找到
优化(optimize)>执行优化(optimize)->自动(Automatic)
点击工具->优化->优化->自动

优化:评估

点击系统->更新
重复分析步骤查看点列图等,判断是否符合设计需求

导出

点击工具->导出数据->导出IGES/STEP/SAT/STL实体
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程序员灯塔
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