Zemax学习篇

2020-01-31  by:CAE仿真在线  来源:互联网


MTF一般都是大于0的,所以MTF曲线坐标都是第一期限。但有时候也会出现负值,这种情况表示像的亮度起伏与原物体相反,发生对比反转,也就是相位错动了半个周期,黑的变白,白的变黑。

如何查看高斯光束的光斑大小及能量分布在physical analysis>>pop setting>>display中可以看

中文的翻译是:image space f# 表示的是有效焦距和有效孔径的比paraxial working f# 表示的是2tanU的倒数,其实只有在物距在无限远的时候才和前边的一样working f# 表示的是2SinU的倒数。

主光线是在stop光阑中心点的斜线角度。物上视场点-入瞳中心-像面的光线,如果没有渐晕,它也会通过光栏的中心,

放大镜只能放大线性的东西 ”这种结论。

我今天突然在ZEMAX中发现我如果做短焦的时候,比如f=2.8,看到lens data editor中相面的尺寸小于在Report/prrscription data/paraxial Image Heigh 中的象高??请问有谁知道这个是如何产生的,为什么有这种现象☆这有什么奇怪的,难道你的系统没有畸变吗

是啊,好象一个是像面上的实际像高,一个是近轴(理想)像高

畸变是有正负的呀

我知道了,那lens data editor中相面的尺寸是实际通光孔径,而Report/prrscription data/paraxial Image Heigh 只是理想象高,所以我觉得设计时应该以lens data editor中相面的尺寸为准,大家说对吗?

错,一个点通过系统之后不可能还是一个点,是一个有大小的斑,从lens data editor中看到的数据只是最大像高的数值,不能代表实际成像的大小。在设计的时候多考虑,软件是工具而已。

那斑竹说实际的相面尺寸应该看哪里啊,

看你成像点的扩散程度

由于像差的原因,实际最佳像面上每一像点(斑)大小都不一致,由于轴外(垂轴)像差的关系lens data editor中的尺寸一般系统应该够了。

傅立叶变换透镜的4F系统的两个镜头的像质应该如何评价?是以单独的镜头为准还是合成的串联系统呢?☆可以以单独的镜头分析,两个的分析分别要在频域和时域进行但是最总的系统是否符合你的要求就一定要以整个系统为分析的对象了。

zemax中的ray fan和spot diagram的含义 

【标题】

zemax中的ray fan和spot diagram的含义

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【正文】

ray fan

在zemax中有一个重要的分析手段,就是显示ray fan图。显示ray fan可以通过多种方式,比如菜单 analysis-fans-ray aberration显示;也可以通过直接点击在菜单栏目上的Ray按钮。

ray fan表示是光学系统的综合误差。

它的横坐标是光学系统的入瞳标量,因此总是从-1到+1之间。显然0的位置对应就是光轴在入瞳中心的焦点。纵坐标则是针对主光线(发光点直穿光阑中心点的那条光线)在像面上的位置的相对数值。

由于我们在计算光路的时候,通常仅仅考虑两类光线,子午面和弧矢面。这样对于不同的面,就有两种不同rayfan显示。

要概念上理解ray fan图,我们假设有一个薄透镜的光学系统。光阑就在这个薄透镜上。有一个在子午面上的轴外点,发出一束光线射向这个透镜,那么它在子午面的ray fan图将是这样绘制的:

首先,这一束光线会射向光学系统的入瞳(同时也是光阑)上,会在子午面上有一个光束的分布。因此他们每个对应点都将在未来的rayfan图上显示-1到+1的横坐标。显然主光线的位置是光阑的中点,就是0的位置。

然后这一束光线继续穿过光学系统,最后折射到像面上。由于由像差的存在;在像面的子午面上将形成由无数光点形成的光线。(对于理想的光学系统,还是应该形成一个点)

这个线上一定会有一个点,是由主光线形成的。这个点就做为整个像差的参考原点。其他的各个点到这个点的位置差值就是在ray fan中对应于各个横坐标入瞳位置的纵坐标值!

这样,一系列的点就可以在这个下xy的坐标系统中表示出来。只要有足够的点,就能连接绘制一个完整的ray fan图。

这就是ray fan图的含义,它表示的是这个光学系统参照入瞳位置的像差综合值。

需要指出的是:

● 由于有子午和弧矢两个面,因此对于每个视场的ray fan都有两个。一个子午T(对应于PY和EY),和一个弧矢S(对应于PX和EX)

● 又由于系统选择的光线不同,在每个视场的ray fan中可能会显示多个光线的不同ray fan。

● zemax将会给每个视场都绘制一个ray fan图。

ray fan缺省的位置是IMA面位置,缺省的采样点是20个点等等都可以在setting中进行重新设置。

关于rayfan中各种图形的含义,需要设计人员根据光学经验进行判断。

比如S行状的ray fan表示这个系统有球差。多个S行状(蛇行状)的ray fan表示这个系统有高级球差等等。

spot diagram

spot diagram是另外一种重要的分析像差的工具。spot diagram可以通过方式一:直接点击在屏幕菜单工具栏中的“Spt”按钮;方式二:选择菜单 Analysis-Spot Diagrams-Standard,进行查看。

参照上边的说明,spot diagram的形成,我们也可以在轴外子午面上选择一点做为发光点。这个点同样将光线射向系统的入瞳和光阑位置。和ray fan不同的就是,这次我们考虑的更全面些。这一束光线不是一个子午面的方式,而是一个面阵的方式发散。而是全面的射入入瞳。为了计算和比较,有几种布置光线的方式可以选择,比如随机点方式,矩形方式,圆形方式,还有三角方式等等。目的是能尽量保证平衡射入这个系统。

光线进入系统以后经过转折等,最后仍然是射入IMA面。对于理想光学系统,这些光线会再次重复为一个光点。但对于有像差的光学系统,这些光线会在IMA面上形成一系列的图形。这图形实际就是模拟显示了光学系统对这个轴外点的实际成像!

不同的像差有不同的像表现,同时随着像差的大小不同,这个像,也叫斑点的大小也不一样,显然像差越小的光学系统,其斑点也越小。衡量这个斑点大小有个定义,就是RMS半径定义,另外还有一个就是几何半径的定义。RMS是均方根半径,可以定量的反映这个系统实际的斑点大小。

需要说明的是:

不同的射入入瞳的光线排列会对最后的RMS半径等有影响,但并不大。

关键影响RMS半径的是,每个斑点的中心点参考点的选择:一种选择的方式是根据主光线的位置做为斑点中心光线的中点。另外一种方式是采用斑点的实际重心做为斑点中点。

对于一个轴对称系统,在轴上,显然主光线中心和斑点重心是一点没有差别,但在轴外点成像。主光线的中心计算出来的RMS显然要比斑点重心计算的RMS半径要大。其实,通常采用的是斑点重心的参考中点方式。

如何应用ZEMAX设计光学系统

如何应用ZEMAX设计光学系统?这是拿到ZEMAX的朋友常常会想到的一个问题。

但遗憾的是,ZEMAX始终紧紧是一个工具,不是能自动完成光学系统的设计大师。

就如同ZEMAX手册说的,ZEMAX是工具,而你使用人是设计师。

但如何才能设计光学系统。

典型的做法就是

1)根据自己要设计的系统,先有一个大致的光学结构。

2)从手册查阅,找到类似的光学结构。

3)输入系统,然后优化这个系统知道自己满意。

zemax提供的紧紧是:

设计师在zemax中可以通过

分析功能得到系统的预期。

主要需要使用的是,点图,就是spot diagram.这个可以看出最后系统的点好坏。

波面图,就是OPD fan,这个可以看出设计的系统在出瞳位置的波面差

还有就是MTF,zemax的mtf有两种,一种是衍射的,一种是几何的,一般来说在OPD超过5个波长的时候几何的比较常用

其余的就是优化的时候如何能调整优化参数。

最后可以通过公差torlrance对未知的系统成品

特性得到一个模拟验证。

但上述的步骤都是在使用zemax的设计师本身对光学设计

非常了解的情况下才能得到的。

如果本身刚刚毕业,又没有多少实际的光学设计经验。

基本的概念又不是很熟悉。

那么却是使用起来是很难的。

常看见论坛有朋友问怎么用zemax

图怎么看?

玻璃如何根据系统选择?

怎么优化才可以满足自己的要求。

这是很难得到的!

因为这个是每个设计师的“谋生财富”!

如果告诉你我,那么大家不都知道怎么发财了么:)

大面上,大致都会说。

但说道节骨眼上,我看是个人都会留一手的。

问别人光学设计要旨,就好比在问师父药方子。

药就哪些种,怎么搭配有讲究。

光学设计体会20040125.txt

这里写下我进行光学设计的体会,算是日记,如有可能,也做为同行的相互交流。

我的Emaillanfier@sina.com.cn

我只能算个初级的光学设计者。大学的光学仪器专业的知识,在10多年的IT工作中,几乎丧失殆尽。

由于个人的原因打算重新进入光学设计的领域,现在进行这个行当--好处是有很多资料可以借鉴,光学设计软件也很多,同时30多岁的人,记忆力不行,但理解力正是高峰位置。坏处是很多有关数学的东西已经不很清楚,而这是光学设计很重要的部分。

说到光学设计,不能不提到我现在用的光学设计软件ZEMAX。这个软件可以极大的提高光学设计进程。

但也仅仅而已,很多初学光学设计的人,以为ZEMAX可以使得他们可以借助这个系统“自动”的设计或者优化出一个好的光学系统。他们认为有好软件,有好的硬件,只要自己稍微画画图,画上一到几个镜头的图。ZEMAX就可以自动找到最优化的光学设计。我要说,错了,ZEMAX没有这个能力!

即使是一个很好的初始的设计思路,要达到最后的目标,你还需要指点ZEMAX采用你的步骤一步一步达到最后的最优设计。你始终是这个系统的总设计师,而不是一个忠实肯干的仆人的主人,可以轻易得到结果的。

当然,如果你要设计的系统极为简单,然后就是想看看设计的感觉,那是很容易的。比如你打算设计一个没有球差的非球面单透镜,而且在单色光下工作。ZEMAX只要几分钟就可以得出你满意的结果。

但实际的光学系统,往往要复杂的多。根据我的个人学习经验要掌握光学设计必须要有如下的准备:

1)熟练的扎实的光学理论基础

建议的书籍是:大学的《应用光学》教程,最好是最近几年的,老的不是不好,但有大量的公式推导,上来就肯,估计马上就晕了。

2)大量的例子参考

建议的书籍是:《光学设计手册》,对于上边的例子最好能找几个仔细分析看看,结合《应用光学》的讲解,这样在脑子中就有了一些概念。

3)相关的可以使用的软件

ZEMAX是不错的软件。但正版的ZEMAX是非常昂贵的!同样的软件比如Code V等都是可以使用的,不在于具体的软件,而在于熟练可以使软件为自己服务。

4)应用到实际中的设计例子

只有应用,才是最后解决问题之道。

最后要说的是,

我认为光学设计是一门专业科学,它虽然需要智力和技巧去掌握,但更重要的还是扎实的基础和实实在在的掌握。光学设计不是可以朝发夕至的行业,这里应该看不到IT网络的一夜暴富;但掌握它,它却是能成为可以吃一生的饭食。

这对于我来说,已经足够了。常用电脑的人,都知道短短几年Windows更新了多少版本,Office有多少版本,每个版本的使用都有不小的差异。但光学设计基本已经不会有太大的改变。现在虽然有的非球面的设计,但99%的透镜应用还是球面的。

想掌握一门不需要一辈子拼命更新的生存技能么?考虑一下光学设计吧


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