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ZMAX软件在象差设计中的应用

一般编程问题

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  • 开发语言:Others
  • 实例大小:4.54M
  • 下载次数:9
  • 浏览次数:239
  • 发布时间:2021-01-17
  • 实例类别:一般编程问题
  • 发 布 人:好学IT男
  • 文件格式:.pdf
  • 所需积分:2
 

实例介绍

【实例简介】
讲述了基本像差,ZEMAX在像差优化设计中的具本应用。适合初学者。
目录 第1章 LEMAX用户界面 ·,···甲中中曾中·中曾守··!折甲,?,.1,·,甲中,?,4,· 1.1简介 12 ZEMAX的视窗类型 13主视窗的操作( Main Window Operations)……… .4光学系统的建立举例… 14.设计要求 1.4.2初始结构 143其他光学特性参数的输入方法… 44452 144 ZEMAX的象质评价方法 第2章 ZEMAX优化与操作符 29 2 i Merit function(评价函数)的构成要素 22评价函数的“傻瓜”(或缺省)构成方法…… 身号看中办垂●身·命喝音t岛b血奇PE、声 30 23修改成自定义评价函数 34 第3章象差设计在 ZEMAX中的实现 43 31 Default merit function和现有象差控制符的局限性 44 311轴上点的象差操作符局限性 44 3,12轴外物点的象差操作符局限性 44 32常见象差控制在评价函数中的实现…… 46 32.1轴上球差、色差的控制操作符…146 32,2轴夕初级象差的控制操作符、 48 3.23轴外物点视场孔径高级象差的定义及其控制操作符 52 33象差设计举例—一自由空间光通信中光学天线的设计 53 第4章象差设计举例 66 4.l望远物镜或准直物镜的设计….166 4J1.1双胶合望远物镜的设计… ●a·4日···日“咖 412大相对孔径的望远物镜的设计 q甲甲、m 71 41.3摄远型物镜设计 76 4.2显微物镜设计 84 42.1显徼物镜的特点… 422设计例子 42.2.1低倍消色差物镜设计 42.2.2中倍消色差显黴物镜设i 87 3目镜设计, 43.1日镜光学特性特点 432目镜的像差校正 92 4.33举例设计 主要参考文献 附录A2005年《光学CAD》课程设计内谷安排 附录B课程设计后举例说明设计1提交的书面材料标准格式…107 第1章ZEMAⅩ用户界面 第1章 ZEMAX用户界面 11简介 ZEMAX是由美国 Focus Software Incorporated公司(现已改名为 Zemax Development Corporation)设计的专用光学设计软件包。软件版本逐步升级,如 80,90,10.0,现在有2003版,2004版等等。 ZEMAX是 Windows平台上的视窗式用户界面,视窗的操作习惯同 Windows 平台,快捷键风格同 Windows 12 ZEMAX的视窗类型 ZEMAX的视窗类型,基本上同 Windows,不同类视窗可以完成不同任务, 主要视窗类型分为: 主视窗( The main window) ZEMAX启动后,进入主视窗。主视窗顶端有标题栏 title bar)菜单栏(menu ar)、工具栏( tool bar) 编辑视窗( Editor Window) ZEMAX中具有六种不同的编辑器( Editors),即镜头数据编辑器( 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),以及无序元件编辑器(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)等 文本视窗( Text Windows) 文本视窗用于显示文字资料,如详细数据( Prescription Data)象差数据等。 ●对话框( Dialogs) 对话框是一种固定大小的跳出视窗(即不能用鼠标拖曳变大或变小)。主要 用于定义或更新视场( Fields)、波长( Wavelengths)、孔径( Apertures)、面型 第1章 ZEMAX用户界面 ( Surface types)等等。 Ei1·4Lαs·Δ山ys工41z國4》er龃 cros Extensions Iind"1 Spt i MU i Enc pt Gla Sys 上e&mot饥1 L:13 TORR: o 图11 ZEMAX主视窗 13主视窗的操作( Main Window Operations) 主视窗是 ZEMAX打开后的弹出视窗,大小为整个屏幕,如图11所示。 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) 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 Preferences可用于修改窗口中文字大小,快捷按钮,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,对于其 中主要的选项数据含义、单位等要理解透彻。这些主要选项有:Fans中的 Ray aberration:;点列图( Spot diagrams)、调制传逸函数(MTF)、点扩散 第1章 ZEMAX用户界面 函数(PSP)、波象差( Wavefront)、圆内能量集中度( Encircled energy)、 杂项( Miscellaneous)中的场曲与畸变( Field Curv/Dist)、轴向球差 ( Longitudinal aberration)、垂轴色差( Lateral color)。 ·工具( Tools):也是 ZEMAX中的重要菜单之一,主要分成七大块。(用 横线格开 第一块用于光学镜头的局部优化设计( Optimization)全局优化( Global Search、 Hammer Optimization)等等,第二块用于镜头的公差分析,计算传 函点列图、波差等的变化量表。第三块用于査看玻璃库或向玻璃库追加或 删除玻璃记录,或者寻找简单的透镜数据,并能插入到透镜数据编辑器 Lens data editor)中。第四块关于简单的镀膜模型。第五块关于系统中镜 头的孔径定义,可以与渐晕系数配合使用。第六块主要用于:(1)按焦距 或放大率缩放当前系统;(2)在当前系统中加入或删除折转反射镜。第七 块这昱不作讨论。 报告( Report) 用于形成镜头设计结果的报告,可以为每一个光学面形成报告( Surface data);也可以为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告( System data);也可以给出设计结果的详细数据报告( Prescription data)。 宏编程( Micros): 用于执行已编译的宏程序。宏程序的编程过程:(1)使用一般的文本 编辑器或使用 ZEMAX自身的编辑功能创建扩展名*Zp的文件,该文件放 于 ZEMAX目录下Mcro目录中;(2)使用 ZEMAX提供的命名或函数库 进行程序编写;(3)用 Micros菜单下的“Run/ Edit Zpl micros..”执行宏程 序。宏程序可以提取光线追迹数据、象质指标等,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。 ●分部程序接口( 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)菜单功能,与 Windows平台中的相 应功能相同 第1章 ZEMAX用户界面 14光学系统的建立举例 141设计要求 报设计光学系统具有:=20场20=30.y=410·物距 为:(1)物距位于有限远,近轴放大率为1;(2)物距位于无穷远。 42初始结构 选取方法 初始结构选取方法有二,一和是从国内外的光学设计于册、专利、镜头数 据库中选取;如果手中没有以上资源,则需要进行计算,找出满足光焦度、视 场等光学特性要求的雏形,作为初始结构。 现以笫二种方法为例,建立初始结构 2.计算建立初始结构 由总光焦度及视场要求,至少要两个组分构成,由总光焦度 Φ=Φ+Φn-do F-B 设两组分光焦度相等,即Φ=dg,则(14.1)式变戌 Φ=2Φ。-c 2 F (142) 式(142)中,Φ为已知量,Φp为未知量,经解二次方程得: dn=±√1-d (143) 如果使用双凸透镜,且两个凸面曲率半径大小相等,则曲率半径为 R=2 F 1.44) 代入设计要求,选透镜材料为ZF1(n4=1.64767,v=3.87),工作的波 长为=0.55m,则初始结构在 ZEMAX中的数据为 第1章 ZEMAX用户界面 表1.1本例的初始结构参数 盘 sabes optim u【:Ty e⊥as酱 n了 0.500 td 2L4030921 S:aatE 94120690 10,I35438 Latinity 90.0000D0 s2369 sA式 34329gc trinity .L8L7 143其他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”→“ Generai,”选取,也可以由桌面上 “Gen”快捷键来打开,打开后的 Genera对话框如图1.2所示: 由图12可以看出, General对话框中,具有 Environment、 Polarization Misc.、Non- Sequential、 Aperture、 Title/Notes、 Glass Catalogs、 Ray aiming等 选项 相对孔径的定义在 Aperture中完成。下面挑出常用选项,阐述它们的含义 舒 Genera工 网 Files 1 Jon-sequential Ray Aiming] Polarization Ni Aperture] Motas. I Units. Glass Catalogs Environment perdure i ype Aperture va把 Apodization Type: one podizadon Facta f Telecentric Object Spacr L确定 取消 帮助 图12 Genera对话框 第1章 ZEMAX用户界面 △ Aperture Aperture type用于定于相对孔径,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,此时在 Aper value中输 入具体入瞳直径数值,选择 Lens units为 Millimeters(毫米) (2) Image Space F!#(象方F数) 物体无论位于无限远,还是有限远,都可以用象方F数定义相对孔径,其物 理含义为:“近轴有效焦距(EFL)/入瞳直径”,此时在 Aper value中输入F 数。 (3) Object Space Numerical Aperture(物方数值孔径) 当物体位于有限远时,可用之定义相对孔径,其含义为NA=nSin(),n为 物方介质折射率,日为高斯边缘光线孔径角,如图1.3所示: 物方 像方 图13 Object Space NA示意图 在 Aper value中输入A.A.值。 (4) 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 Lens data edi tor中光阑 (stop)面的“semi- diameter”大小来决定,此时“ Lens data editor”中 光阑大小值右边显示“U”,表示 Stop Surface的孔径被面定,无法给出Aper Value(自动变暗)。 (5) Paraxial Working F/# 称之为近轴工作F数,它的定义式为 F-number (1.4.5) 2n'tan8 式(1.4.5)中,n为系统象方折射率,O为高斯边缘象方光线孔径角。在 第1章 ZEMAX用户界面 计算θ过程中,认为系统无象差,按照理想系统的边缘光线追迹方法。在Aper vaue中输入F数,注意与前面的 Image Space F/#区别。 (6) Object Cone Angle(物方锥角 也可称物方孔径角。当物体位于有限远时,可用由轴上物点发出的边缘光 线来定义光束孔径,以物空间边缘光线的半角,即图1中的U来定义,单位为 度,可以大于90°。 图14 Object Cone angle定义示意图 △ general对话框中其他功能 (1) Apodization Type(定义光瞳上光强分布) 选项有 ●None表示光癘被均匀照明 ● gaussian表示光瞳上光振幅扰动为高斯型,即 (14.6) 其中,P为光瞳归一化极坐标,G为切趾( apodization)因子,如果G=0, 表示光瞳被均匀照明,G一般小于40。 Tangential表示正切型光瞳光振辐分布,即: (14.7) 2z2+2) 式(147)中,Z为光瞳面上小面元到点光源的距离,r为光瞳面上的位置 坐标(离开光轴的距腐)如图15所示,光瞳中心(轴上)为0,最大值一般被归 化为单位。光振幅A(p)=√(),如r采用归一化的坐标r=PH,其中 0<卩<1,H为光瞳兰径。此时A()为: 【实例截图】
【核心代码】

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