软件在光学设计.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,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：,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：,算出。代入设计要求，选透镜材料为,BK7(,),，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,General,输入相对孔径,General,功能可以由“,SystemGeneral”,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),F,U,U,y,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(,),，,n,为物方介质折射率，,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“,Smi-diameter”,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：；,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。,2.,Fields,对话框中定义视场,通过,SystemFields,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,Y-Field,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,SystemWavelengths,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。,对场点选择的原则：,（,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,像散,MTF,MTF,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：,MTF0.05,；对于摄录系统：,MTF0.15,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,SamplesShort coursesc_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。,构建,Merit Function(,评价函数,),，,Editors Merit Function,，然后选,ToolsDefault Merit Function,，设置如下：,优化设计过程：,Rings,Arms,点击,OK,，得到的评价函数为：,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：,ToolsOptimizationOptimization,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），,AnalysisMTFGeometric 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,2,=6,，入瞳与物镜重合，物镜后棱镜系统的总厚为,150mm,。,要求：,这里 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,d,玻璃,153.1,6,K9,-112.93,4,ZF1,-361.68,50,/,150,K9,/,球差控制,由,TRAY,得到；,由,RAGC(Py=1.0),ACOS,TANG,得到；,由,DIVI,比值得到,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,由垂轴几何像差,TRAY,（,Hy=1.0,Px=1.0,）得到；,由,PIMH,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)/tan,(wav=2);,DIVI TRAY(wav=3,Py=0.7071)/tan,(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,。,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。,初始结构的选择,此处我们选的初始结构参数如下：,r,d,玻璃牌号,49.24,9.5,ZK10,323.96,0.4,28.72,8.7,ZK10,74.06,8.2,QK1,-184.19,6.3,ZF6,18.29,6.3,38.43,6.3,ZF1,-185.89,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,ToolsDefault 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,优化后得到的点列图与,MTF,图，像质已基本符合要求，,RMS Radius,在,7,um,，,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：,高级球差的定义：,高级彗差的定义：,色球差的定义：,评价函数如下：,优化结果：点图大小在,10um,，,MTF,接近,30%,。,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,TypeSurface TypeCoordinate 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,SamplesShort Coursesc_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,SystemGeneralEnvironment,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,23.5010-6,，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,3.5610-6,：因此镜筒用硅,(3.5010-6),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。,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：,镜头用,1,3,片的玻璃或塑料制作,图像传感器,(CCD),指标,像素：,640X480,，像元：,7.4umX7.4um,，成像面积：,3.55X4.74mm,2,(,对角线长,6mm),物镜,定焦，焦距,6.0mm,，畸变,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*0.0074)=67.6 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：,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 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,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。,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。,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。,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,商用,精密,高精密,波前差,0.25,RMS,0.1,RMS,0.07,RMS,2,P-V,0.5,P-V,0.25,P-V,厚度,0.1mm,0.05mm,0.005mm,半径,0.5%,0.1%,0.02%,折射率,0.001,0.0002,0.00001,表面偏心,0.1mm,0.01mm,0.001mm,表面倾斜,1,弧分,30,弧秒,3,弧秒,球状度,2 fringes,0.5 fringes,0.1 fringes,非规则度,1 fringes,0.25 fringes,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；,