使用ZEMAX设计的典型实例分析.docx

运用ZEMAX于设计、优化、公差和分析摘要光芋设计收件ZEMAX的功能探讨可箱由运用ZEMAX去设计和分析一个换分系统来探讨.包括运用透titfa(Iens1.ctarrays)来建构霰光f,(condenser)。向介ZEMAX以升序列性(non-sequeniia1.)分析工具未结合序列性(sequentia1.)描无衽序的传统功能,且为一会挺够探讨全部页面的光学设计和分析的整合性收件包,并具有探讨成像和非成像系统中的杂我光(stray1.ight)和鬼影(ghosting)的实力.从简洁的绘图(1.ayout)始终到优化(OPtimi7aion)和公£分析(to1.eranceana1.ysis)密可达成.依据注去的阅历，对于光学乐观的端时瑞(cnd1.ocnd)分析往往是须条两种不同的设计和分析工具,一套序列住描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列姓我未受限制的(UngnSIrainCd)指光软件.可用来分析杂散光、电影和一叙的非成位系统，包括骐明系统.“序列性燃光桎弃”这个名词是与定义一个光学系统为一连串点面的工具有关.全部的先我打到光学系统之后,会依序的从一个表面到另一个表面；Fiiii个系统.在定义的依次上.全部的光线肯定会相交科全部的表面，否则光图将终止.光战不会跳过任何中间的表面，J1.光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实除光线路径交到一个表面上超过一次，如运用在二次描光U1.oub1.cpass)中的俎件.必甯在序列性列表中,再定义超过一次的表面赛效.大部份成俅光学系统，如球相机枕头、望远使和显微钺，可在力列佐操式中完整定义.对于这些系统,序列性描光具有很多优点：特别快、持利弹性和挣别普遍。几乎任何册态的光学表面和材质特性呼可建构。在成像系统中,序列姓描先於理芸的优点为运用询洁且高清隔的方;*来做优化和分析.序列性描光的然点，包括无法追逐仝部可能的光路径(即电影反射)和很多无法以序列性方式来描述的光学系统我纸件。非“列姓描光最常用氽分析成像系统中的奈致光和皂影，其致分析球明和其它非取像系统。在非序列性指光中.光伐入射到光学系统后.是自由的港着实林光学路经追迂：一条先我可能打到一个对象(object)很多次.Mj1.可能完全未打到其它对象。此外,非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面徽射(scaucr),以及从场内(in-tick!)和场外(otoffid<1.)的光湿所产生的表面反射而影成的嵬影成像。ZEMAX的功能ZEMAX可以用于一个完全序列姓模式中、一个完全非序性模式中和一个混合燥犬中.混合模式时分析具有大部分序列性而却有一些姐件是作JH在非序列性方代的系统,是相当有用的.如导光芒(1.ightpipes)和>½111.技就(11x>1.'prisms)序列性系统需定义现场用(fie1.dofview)、波长范国(wave1.engthrange)和表面依据(surfaceda1.e)»序列性谩计的j虫要多ft之一.为系统孔径(SySIemaPerIUre)O系统孔经.常指入崂(entrancepupi1.)或孔径光栏(STO),它限制可从已定义现烤入射光学系统的先蛭.光学表而可以是折射、反射或绕射.连梗可以是由外杯改渐变折射隼材质所制成.表面的下毒(sag)可以是球面、网您而(conic)、非球面(aspheric)或幕由多项式或.其它泰数晶数来定义。也包公了很多骁射光学姐件校型,比外，一个运用者自定页面的功能，允许谟计者以撰写包序的方式来建杓任何实际的表面下学或相住分布.一些功能可以用来分析系统.包括数个系统绘国(1.ayouts)美型、汇出CAD格式.的表而信息功地、龙点图(spotdiagrams).光而图(rayfan)和光看呈图、光学典3勺传递的数(modu1.ationtransferfuncion,MTF)和点杆他函数(pointspreadfunction,PSF)图、也图剧(encirc1.ed)和包困短彩(ensquared)的能量信息、值走计算(塞色(Seidd)和泽尼克(Zemike).志向我伤轩(Skew)高厮光来参数计用、极化抵光加被前传椅工具。优化注列性描光软件的关键功能却是可以快速且希骑的优化一个光学设计。主史的优化技巧是以戒1.j小均方根(damped1.eastsquares.D1.S)的算法为显础,并运用主动成幅(activedamping).此忙ZEMAX包括全城Mit化功纥具以结合成幅最小功方根过桓的ft.化舁法.优化是以使乐妮纳收函敬(meritfunction)的总值达利敢小为息础.司洁的说，效品数为一种时一个志向光学系统的坡值描述。至娈的是，靖效的数代表光学系统的安未性屹。却于既定的设计,可以适当的选用好几个ffi设的绩效岛敦。对于成像系统.纬致的数可用来挣昧地针对发小光学像是.幡由很制龙煤在成像面上的足.箕.妖便从志向球面的系统液就优忌M至最小.很多其它的优化参数也用来修改标冶绩效加数或建立一个运用者自定的统效品敦。当执行优化时，ZEMAX"任何运用者足构的系统或袅而参数，判定匾志向的值.几乎任何叁教，包括曲奉、庠度、域增持性、非球面系我和祖埼及波长资料，带可设为变数.可以叶可接受的参数泣范.国内下限$4.以购保可以经易的建构一个令理的系统。公J1.分析在文成光学系统的设计之后，执行公罡分析是受爱的。公是分析为一种统计的过崔，用来有系统比引入执陷到光学设计中,以确定任何系统参教的误是对整体而吉，如何影响系统性觉.公星分析是必需的.因为没光学扭件是光滑的.长寺当议计好时,可以靖踹地姐我第烷.公反分析可用来殖定每个乐统参我的可接殳依花图.这个信息之后可以用来原定任何系统的可能性、以公圣范围内来制遗、在加定的性能水平之上工作。ZEMAX包括一个广乏的、完整的公屋分析算法,允许谟计者自山完成任何光学设计的公是。可以确定出相时于任何性J½尺寸的公发,RiT以包括任何补钱因子的劭响,县至枕构的部分或,光学的部分将被用来姐装，改总统的运用.波弟传,儿何光汉追蛀为一敷用来描述光的传I。通过一个尤学系统的方法。比如从肝所描述的.光蛭追注对于分析很多光学系统来说，为一种特别粉病的方法，然而这个模型的好用性有一些限制。光”楔空的限制是因为无理遭it而产生，今茶光蛭是秋立的，印：一条光理传播的路径龙可以完全硒定的,而不受其它无仪的影响。光仪之间不会发生干涉(interference)4若先找与一个限制孔径或,遮挎物的表面相文.光线,不是被挂住就是通过,但在其它方面，无找路径是不受影响的，光线不会发生抚射双.ZEMAX包含了敬个光线为晟油的绕射计算.包括PSF和MTF,为包括单阶的夫维和令(Fraunhofer)计算，波折从近场(出晚传猫到远场(1fc>.这些计算只可以在成像系统中执行，且在特别接近成像的表面。当以光线为基融的方法不适用时，ZEMAX中的物理光学传枯(Physka1.OptksPropagation.POP)工具可M来分析系统，包括表面什别接近候点、表面远离烝点但接近现豺孔径(diffractingapertures)和平行光的传始，或行经长距离后的近仞平而波前.运jPOP,任何波前,包括高斯和混合的高阶摸态光来、惯J1.形(tophat)分布所阳急的运用并白定该.前，均可以传殆通过任何ZEMAX的设计档宴.几乎支持仝部表面型态.从任何场点来的波前可½人光学系统中的任何位篁不会值能在已定义的物面位直).迎前信播道过每个页面,JuD位强度的信总可以在每个表面被计算。POP功舱特别有用电被用于空间海诚(spatia1.niters),分析无来成彩的光学系统或任何其它与干涉和烧豺有关的光学乐烷，如疣射菲注耳区垓,平版(Frcsnc1.ZoneP1.ates).极化无微通途光可以用犬鹿来接拟，并以仁直、方向、扪位和振愠来表示之。然而，光也与电环有关。电场的方向与传播方向杷互加立.j1.ftj时间的变更.其方向和大小亦会有所变史.当先找传拈道江一个光学系婉时,其狼化状态一般异无宵有守怛的关系存在.当极化光线传播通过一个光学乐境时，极化光线追谴可迨粽无蛭极化的状令.介质间的界面，包括空t、At璃和金寓，会导Ji,衰减Iauenuaiion)和延烧(rea111.ance)的变更产生.和变史极化剂i(8(po1.arizatione1.1.ipse)的形态。而入射向和选长的关系财会剂或表面的传输.这空在传外相疝上的变史.fti(po1.arizationaberrations).这些保发会导致MTF和加易尔比(StrehIraiio)依变小，此外亦会使樗系观性能降低.事实上.这些像旻异没有不同于任何其它成俅的像是。ZEMAX可以在任何类型的光学表面上，究缕It为出任何薄膜干涉的缄膜层，板化光煤追逐的计总，包括薄膜镀膜层、体枳汲取(vo1.umetricabsorp<ion)和波长与人灯角的影响,加更林隔地便科真实杀统的?！t.非分列性分析运用非序列性分析，光学组件必需以真实时象汆表示，而不是以表面来表示.并允许以光煤追述的方法来确定对象或光战打到的依次。这不仅包括对象的依次,也包括对象上的特球衣面或小划面(facet)的依次./制杂我光、分析成像系统中的电影、设计照明和其它非成像光学系统J+,这样的功能是受委的。非汴列性分析不会贼已定义的乐境孔径所限制.任何光分布种英的光源可以放篁在光学空前中的任何位篁.从任何光近放射出的光线可以切任何有实除意义的方向传据，打到光学或机构尔件上的一架特定光伐的依次.可藉由光伐的仁直、目前传扬的方向和其它组件的位I1.来确定.被先打到的对象耨是沿无线传播方向上最接近充游的时装.此外,在非序列姓空同中，在每个光线表面史点上，任何光蝙可以分裂(sp1.it)成任何数H的子光线.每条子光蝇将与父我中的一些能量有关。这样一来，住允许追逐全部的折射、反射、微射和烧射能量路径。或构诸如在涅耳反肘的影响来分析成像系妮的鬼影.和在也糙的或光滑的机构或光芋姐件上速构散射而来抵讨杂散光影响曲M必需的.每一面子无线的危量可以痔由汉化无找追遑来埼定.这对探讨鬼,彭的柏时银度和境构清如干涉仪(interferometers)的系统,包括整舫平板(shearingp1.ates),是很立生的。计于假射价柢，运即考可自由的指定任何表面也晨的科美，然后分奴子先找的我射分布模型。检测面栽宣是用在赤序列性分析中。检测面为寺妙的表面，不是牛的就是*曲的，是用来量测入射在检测面往工上的傥骨。可以给予检测面及面仕质来仿骐A实检测器的效果，包括用于NamiSSUS分斫的反增(Sdf-ref1.ection).可量测也括非同两反向谓发光、同典相住加发光强度.并供应帽射度(RiK1.iomciric)或光度(ph<xonc(ric).t,困雎的并逸功能可IH于从招定的光源而来所极取的毙义信息，包括仅观看豆再、折射、反射、微射长说射能量，并在所指定的为尊上做限财。改造跺杂散光和鬼影问题上,这些簿逸功能(fi1.1.ers)是很也要的.所猫迭的先找信息也可以用来产生以通过钵选功能为基&的充海无线我据.选个功能可以用于反向光线道迹的分析。以上所述为ZEMAX的蛾,遂.有很多其它的功能还没有提我们现在杼质用ZEMAX于价定问题：一个投影系统的设计和分析，包括聚光段(condenser)和投影机的设计。技影系4U谈计和分析我们将看列运用ZEMAX来设计和分析由一录光粒也件所姐成的我影系统,其优在投影枝头的物入蜡供应，)林的息明。一个8mm长的灯丝光歌所发出的光在经过最光使后，将在底片网(fi1.mga<e)上形成勺尊的能量分布，投影机会产生一个NOX48Omm的分俅到距恰出巡200Omm远的屏*上.两个次要配件中的每一个次要比件将可序网性的设计(优