光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計（
Zemax初學(xué)手冊）
X ;OsH 蔡長青
pkXfsi-Nu ISUAL 計畫團隊
'9-axIj70 國立成功大學(xué)物理系
N)y^</Ya （第一版，1999年7月29日）
AaVI %$ 前言
_K0izKTA . 整個中華衛(wèi)星二號“紅色精靈”科學(xué)酬載計畫，其量測儀器基本上是個
光學(xué)儀器。所以
光學(xué)系統(tǒng)的分析乃至于設(shè)計與測試是整個酬載發(fā)展重要一環(huán)。
Mhb '^\px 這份初學(xué)手冊提供初學(xué)者使用軟體作
光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計練習(xí)，整個需要Zemax光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計軟體。它基本上是Zemax使用手冊中tutorial的中文翻譯，由蔡長青同學(xué)完成，并在Zemax E. E. 7.0上測試過。由于蔡長青同學(xué)不在參與“紅色精靈”計畫，所以改由黃曉龍同學(xué)接手進行校稿與獨立檢驗，整個內(nèi)容已在Zemax E. E. 8.0版上測試過。我們希望藉此初學(xué)手冊（共有七個習(xí)作）與后續(xù)更多的習(xí)作與文件，使團隊成員對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計有進一步的掌握。（陳志隆注）
FJa[T oZ4+ (回內(nèi)容綱目)
R=vbUA 習(xí)作一：單鏡片(Singlet)
bkr~13S{+ 你將學(xué)到：啟用Zemax，如何鍵入wavelength，lens data，產(chǎn)生ray fan，OPD，spot diagrams，定義thickness solve以及variables，執(zhí)行簡單
光學(xué)設(shè)計最佳化。
h v$uH7Fz 設(shè)想你要設(shè)計一個F/4單鏡片在光軸上使用，其focal length 為100mm，在可見
光譜下，用BK7鏡片來作。
S2rEy2\}: 首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作場所，譬如你決定要用何種鏡片，幾個鏡片，鏡片的radius，thickness，大小，位置……等。
?iPZsV 然后選取你要的光，在主選單system下，圈出wavelengths，依喜好鍵入你要的波長，同時可選用不同的波長等�，F(xiàn)在在第一列鍵入0.486，以microns為單位，此為氫原子的F-line光譜。在第二、三列鍵入0.587及0.656，然后在primary wavelength上點在0.486的位置，primary wavelength主要是用來計算光學(xué)系統(tǒng)在近軸光學(xué)近似(paraxial
optics，即first-order optics)下的幾個主要參數(shù)，如focal length，magnification，pupil sizes等。
}osHA`x"2 再來我們要決定
透鏡的孔徑有多大。既然指定要F/4的透鏡，所謂的F/#是什么呢？F/#就是光由無限遠入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直徑的比值。所以現(xiàn)在我們需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是從system menu上選general data，在aper value上鍵入25，而aperture type被default為Entrance Pupil diameter。也就是說，entrance pupil的大小就是aperture的大小。
xb =8t! 回到LDE，可以看到3個不同的surface，依序為OBJ，STO及IMA。OBJ就是發(fā)光物，即
光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照過來所遇到的第一個透鏡，你在設(shè)計一組光學(xué)系統(tǒng)時，STO可選在任一透鏡上，通常第一面鏡就是STO，若不是如此，則可在STO這一欄上按滑鼠，可前后加入你要的鏡片，于是STO就不是落在第一個透鏡上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我們的singlet，我們需要4個面 (surface)，于是在STO欄上，選取insert cifter，就在STO后面再插入一個鏡片，編號為2，通常OBJ為0，STO為1，而IMA為3。
,7^d9v3t 再來如何輸入鏡片的材質(zhì)為BK7。在STO列中的glass欄上，直接打上BK7即可。又
s[G |q5n 孔徑的大小為25mm，則第一面鏡合理的thickness為4，也是直接鍵入。再來決定第1及第2面鏡的曲率半徑，在此分別選為100及-100，凡是圓心在鏡面之右邊為正值，反之為負(fù)值。而再令第2面鏡的thickness為100。
),cQUB 現(xiàn)在你的輸入資料已大致完畢。你怎么檢驗?zāi)愕脑O(shè)計是否達到要求呢？選analysis中的fans，其中的Ray Aberration，將會把transverse的ray aberration對pupil coordinate作圖。其中ray aberration是以chief ray為參考點計算的。縱軸為EY的，即是在Y方個的aberration，稱作tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration稱為XZ plane或sagittal。
dGbU{#"3s Zemax主要的目的，就是幫我們矯正defocus，用solves就可以解決這些問題。solves是一些函數(shù)，它的輸入變數(shù)為curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相關(guān)的parameters等。parameters是用來描述或補足輸入變數(shù)solves的型式。如curvature的型式有chief ray angle，pick up，Marginal ray normal，chief ray normal，Aplanatic，Element power，concentric with surface等。而描述chief ray angle solves的parameter即為angle，而補足pick up solves的parameters為surface，scale factor兩項，所以parameters本身不是solves，要調(diào)整的變數(shù)才是solves的對象。
AI1@- 在surface 2欄中的thickness項上點兩下，把solve type從fixed變成Marginal Ray height，然后OK。這項調(diào)整會把在透鏡邊緣的光在光軸上的height為0，即paraxial focus。再次update ray fan，你可發(fā)現(xiàn)defocus已經(jīng)不見了。但這是最佳化設(shè)計嗎？再次調(diào)整surface 1的radius項從fixed變成variable，依次把surface 2的radius，及放棄原先的surface 2中thickness的Marginal Ray height也變成variable。再來我們定義一個Merit function，什么是Merit function呢？Merit function就是把你理想的光學(xué)要求規(guī)格定為一個標(biāo)準(zhǔn)(如此例中focal length為100mm)，然后Zemax會連續(xù)調(diào)整你輸入solves中的各種variable, 把計算得的值與你訂的標(biāo)準(zhǔn)相減就是Merit function值，所以Merit function值愈小愈好，挑出最小值時即完成variable設(shè)定，理想的Merit function值為0。
; x:k-s2- 現(xiàn)在談?wù)勅绾卧O(shè)Merit function，Zemax 已經(jīng)default 一個內(nèi)建的merit function，它的功能是把RMS wavefront error 減至最低，所以先在editors中選Merit function，進入其中的Tools，再按Default Merit Function 鍵，再按ok，即我們選用default Merit function ，這還不夠，我們還要規(guī)定給merit function 一個focal length 為100的限制，因為若不給此限制則Zemax會發(fā)現(xiàn)focal length為 ∞時，wavefront aberration的效果會最好，當(dāng)然就違反我們的設(shè)計要求。所以在Merit function editor第1列中往后插入一列，即顯示出第2列，代表surface 2，在此列中的type項上鍵入EFFL(effective focal length)，同列中的target項鍵入100，weight項中定為1。跳出Merit function editor，在Tools中選optimization項，按Automatic鍵，完畢后跳出來，此時你已完成設(shè)計最佳化。重新檢驗ray fan，這時maximum aberration已降至200 microns。
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