光学设计Zemax实例教程2016-下
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开普勒式缩束系统设计
缩束系统中正透镜1和正透镜2共焦点，此时正透镜2放置在正透镜1的 焦点位置，因而需在正透镜1和正透镜2之间插入一个虚拟面Surface 3， 虚拟面位于正透镜1和正透镜2共焦点位置，Surface3 的厚度（到正透 镜2的距离）与正透镜2正向设计时的后顶焦距。
Surface 3的厚度输入正透镜2的后顶焦距98.67 mm，透镜数据中M表示通过追迹边缘 光线求解厚度，因为缩束系统出射的光束为平行光，焦点位于无限远，Surface 5的 厚度为Infinity。 • 取消两个边缘光学追迹M，改为Fixed • 将Surface 5的厚度改为 100 ，即表示在正透镜2后方100 mm位置处放置像面 南京理工大学 袁群 光学CAD 课件
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
新建：缩束系统-正透镜1-初始结构.zmx
4
设计案例4-缩束/扩束系统
f=400 mm 正透镜1设计
评价函数： 1.控制系统焦距EFFL=400 mm，权重为1 2.控制系统波像差RMS值，权重为1 变量： 透镜前后表面曲率半径R1 和R2
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
打开：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx 然后另存为：伽利略式缩束系统-初始结构.zmx
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
30
设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
复制负透镜的两个面至缩束系统中正透镜1的两个面之后
选中缩束系统-负透镜-优化结果.zmx中的Surface1和Surface2, Ctrl+C
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
另存为：缩束系统-正透镜2-优化结果.zmx
10
设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计
修改评价函数，将EFFL目标值改为100，优化获取新的透镜结构: • 焦距设计值100.09 mm • 波像差
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
另存为：缩束系统-正透镜2-优化结果.zmx
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
完整的评价函数： 操作符1 :EFLY，目标值400，权重1； 操作符2 :EFLY，目标值100，权重1； 操作符3 :REAY，目标值-10，权重1； 操作符4 :REAY，目标值-10，权重1； 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 操作符5及以后 :系统波像差控制，权重1
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
• • • 单独设计正透镜1和正透镜2时均为正向设计，即平行光入射经 正透镜后会聚； 在缩束系统中，正透镜1为正向使用，正透镜2为反向使用； 将透镜1与透镜2组合为缩束系统，透镜1与透镜2之间的间距为 单独正向设计时透镜1与透镜2的顶焦距之和
打开：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx 然后另存为：开普勒式缩束系统-初始结构.zmx
Surface 2和3之间的光学系统的EFLY，即正透镜1焦距，Target输入 400 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 EFLY，即正透镜2焦距，Target输入 100 Surface 5和 6之间的光学系统的
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
Hx Hy Px Py为追迹光线的选择控制符，Py=1表示选择入瞳平面内 （位于正透镜1的前表面，即Surface 2），Y向归一化高度为1的光线， 见下图中红色光线，系统成倒像； 评价函数中分别控制了Surface 6和7的光线高度，即在正透镜2后表面， 以及往后100 mm位置控制光线高度，因缩束系统目标出射光束口径 为20 mm，所以REAY的Target为-10。
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
复制透镜2的两个面至缩束系统中正透镜1的两个面之后
选中缩束系统-正透镜2-优化结果.zmx中的Surface1和Surface2, Ctrl+C
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
选中开普勒式缩束系统-初始结构.zmx中的像面, Ctrl+V，将透镜2数据放置 在透镜1数据之后
源自文库
平面波前与理想平面波相比较 南京理工大学 袁群 光学CAD课件
平面波前经近轴透镜转化为球面 波模式再与理想的球面波相比较
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
在像面前插入一个面，Surf7， 将Surface Type由Standard 改成Paraxial。即表示插入一 个近轴面。 南京理工大学 袁群 光学CAD课件
原有透镜焦距400.36 mm，在Focal length里输入100， 表示对透镜结构进行缩放，满足焦距为100 mm
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
另存为：缩束系统-正透镜2-初始结构.zmx
7
设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计 Make focal 后，因为透镜比例是按400.36/100进行缩放， 所以透镜数据、入瞳口径等都需重新规整
计算机辅助光学设计
袁群 电光学院A628房间
yuanqun@njust.edu.cn
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
1
设计案例4-缩束/扩束系统
D2
D1
开普勒式
f1 f2 f2
D1 f1 D2 f 2
伽利略式
2
D1
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设计案例4-缩束/扩束系统 设计步骤
开普勒式 • 正透镜1 • 正透镜2 • 组合形成缩束系统 伽利略式 • 正透镜1 • 负透镜1 • 组合形成缩束系统
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
优化设计结果
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
对于ZEMAX2005版本，没有像方无焦模式（ Afocal Image Space ），分析波 像差时不能分析平面波的质量，只能分析球面波的质量。只有在ZEMAX2008 以上版本内有像方无焦模式，可勾选后直接分析平面波质量。 在ZEMAX2005版本中分析平面波质量的方法，是加上一个理想的透镜，将 平面波转化为球面波去分析波面质量。 理想的透镜用一个近轴面表示（Surface Type: Paraxial），可以设置焦距值。 无焦模式 采用近轴透镜
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
将近轴面（Surf7）的厚度改为200， 焦距改为200。表示采用了一个焦 距为200 mm的理想透镜将平面波 会聚后分析波面质量。
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
近轴面f=200
缩束系统部分
为了分析波前 质量，额外加 入的近轴面会 聚球面波部分。 优化设计完成 后去掉。
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
上述内容是在ZEMAX2005低版本软件软件中，无Afocal Image Space选项时，通过加入近轴面，将平面波转化为球面波，实现 波面质量分析，用于替代无焦模式。 定义完成后跳转回PPT第17页，进行评价函数定义与优化设计。 本章PPT在采用伽利略式缩束系统设计时亦可采用此方法进行波 面质量评价。
以D1=80 mm，f1=400 mm；D2=20 mm， f2=100 mm；工作波长λ=800 nm为例。 缩束比 4:1 ，相对孔径 1:5 南京理工大学 袁群 光学 CAD 课件
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=400 mm 正透镜1设计
• • • • General: 入瞳直径 80 mm, 玻璃库CDGM Fields: 0° Wavelength: 0.8 μm 入瞳位于surface 1
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设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
伽利略式缩束系统为正透镜+负透镜结构，以前 面设计的正透镜1为正透镜，还需设计焦距为100mm的负透镜
f=-100 mm 负透镜设计
• • • • General: 入瞳直径 20 mm, 玻璃库CDGM Fields: 0° Wavelength: 0.8 μm 入瞳位于surface 1
开普勒式缩束系统设计
缩束系统为无焦系统，系统整体 焦距为无限大，将系统设置里 Afocal Image Space勾选上，表示 像方无焦，此时分析波像差时， 以平面波为参考；未勾选时，系 统有焦点，分析波像差时，以球 面波为参考。
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ZEMAX05版本转第21页PPT
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南京理工大学 袁群 光学CAD课件
选中伽利略式缩束系统-初始结构.zmx中的像面, Ctrl+V，将负透镜数据放 置在正透镜1数据之后
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设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
此时缩束系统中正透镜和负透镜均为正向光路，应将 负透镜转化为反向光路
选中透镜2数据（Surface3和Surface4），Tools>>Modify 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 >>Reverse Elements
另存为：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=400 mm 正透镜1设计 f=400 mm 正透镜1设计结果: • 焦距设计值400.36 mm • 波像差
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计 以f=400 mm 正透镜1的优化结果构建正透镜2的初始初 始结构 Tools>>Modify >>Make focal
保存原文件，另存为：缩束系统-负透镜-优化结果.zmx
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=-100 mm 负透镜设计
优化结果，EFFL=-100.093 mm; 3D Layout中表示的是负透镜虚焦点
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设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
与开普勒式缩束系统组合方式类似，正透镜与负透镜组合 • • • 单独设计正透镜1和负透镜时均为正向设计，即平行光入射经 正透镜后会聚，平行光入射经负透镜后发散； 在缩束系统中，正透镜1为正向使用，负透镜为反向使用； 将正透镜1与负透镜组合为缩束系统，正透镜1与负透镜之间的 间距为单独正向设计时正透镜1与负透镜的顶焦距之和（正透 镜的定焦距为正值，负透镜的定焦距为负值）
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
新建：缩束系统-负透镜-初始结构.zmx
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=-100 mm 负透镜设计
评价函数： 1.控制系统焦距EFFL=-100 mm，权重为1 2.控制系统波像差RMS值，权重为1 变量： 透镜前后表面曲率半径R1 和R2
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
将透镜厚度改为2.5 mm 半口径改为11.5 mm
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8
设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计
将入瞳口径改为20
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计
修改评价函数，将EFFL目标值改为100，优化获取新的透镜结构: • 焦距设计值100.09 mm • 波像差
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
• 在正透镜1前方插入一个面，Surface 1厚度为100 mm，用作观察平行光入射用； • 将正透镜1与正透镜2之间的间隔作为变量；
南京理工大学 袁群 光学CAD课件 保存文件，另存为：开普勒式缩束系统 -优化结果.zmx
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设计案例4-缩束/扩束系统
设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
缩束系统整体优化，评价函数控制以下几个因素： • 正透镜1焦距目标值400 mm； • 正透镜2焦距目标值100 mm; • 出射光束口径20 mm; • 出射波前波像差
评价函数的操作符 • EFFL：系统的整体焦距 • EFLY：两个面之间的光学系统在YZ平面上焦距（子午焦距） • REAY：光线追迹在YZ平面上的高度
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
此时缩束系统中正透镜1和正透镜2均为正向光路，应 将正透镜2转化为反向光路
选中透镜2数据（Surface3和Surface4），Tools>>Modify 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 >>Reverse Elements
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设计案例4-缩束/扩束系统
缩束系统中正透镜1和正透镜2共焦点，此时正透镜2放置在正透镜1的 焦点位置，因而需在正透镜1和正透镜2之间插入一个虚拟面Surface 3， 虚拟面位于正透镜1和正透镜2共焦点位置，Surface3 的厚度（到正透 镜2的距离）与正透镜2正向设计时的后顶焦距。
Surface 3的厚度输入正透镜2的后顶焦距98.67 mm，透镜数据中M表示通过追迹边缘 光线求解厚度，因为缩束系统出射的光束为平行光，焦点位于无限远，Surface 5的 厚度为Infinity。 • 取消两个边缘光学追迹M，改为Fixed • 将Surface 5的厚度改为 100 ，即表示在正透镜2后方100 mm位置处放置像面 南京理工大学 袁群 光学CAD 课件
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=400 mm 正透镜1设计
评价函数： 1.控制系统焦距EFFL=400 mm，权重为1 2.控制系统波像差RMS值，权重为1 变量： 透镜前后表面曲率半径R1 和R2
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打开：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx 然后另存为：伽利略式缩束系统-初始结构.zmx
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设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
复制负透镜的两个面至缩束系统中正透镜1的两个面之后
选中缩束系统-负透镜-优化结果.zmx中的Surface1和Surface2, Ctrl+C
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计
修改评价函数，将EFFL目标值改为100，优化获取新的透镜结构: • 焦距设计值100.09 mm • 波像差
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
完整的评价函数： 操作符1 :EFLY，目标值400，权重1； 操作符2 :EFLY，目标值100，权重1； 操作符3 :REAY，目标值-10，权重1； 操作符4 :REAY，目标值-10，权重1； 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 操作符5及以后 :系统波像差控制，权重1
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
• • • 单独设计正透镜1和正透镜2时均为正向设计，即平行光入射经 正透镜后会聚； 在缩束系统中，正透镜1为正向使用，正透镜2为反向使用； 将透镜1与透镜2组合为缩束系统，透镜1与透镜2之间的间距为 单独正向设计时透镜1与透镜2的顶焦距之和
打开：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx 然后另存为：开普勒式缩束系统-初始结构.zmx
Surface 2和3之间的光学系统的EFLY，即正透镜1焦距，Target输入 400 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 EFLY，即正透镜2焦距，Target输入 100 Surface 5和 6之间的光学系统的
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
Hx Hy Px Py为追迹光线的选择控制符，Py=1表示选择入瞳平面内 （位于正透镜1的前表面，即Surface 2），Y向归一化高度为1的光线， 见下图中红色光线，系统成倒像； 评价函数中分别控制了Surface 6和7的光线高度，即在正透镜2后表面， 以及往后100 mm位置控制光线高度，因缩束系统目标出射光束口径 为20 mm，所以REAY的Target为-10。
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
复制透镜2的两个面至缩束系统中正透镜1的两个面之后
选中缩束系统-正透镜2-优化结果.zmx中的Surface1和Surface2, Ctrl+C
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选中开普勒式缩束系统-初始结构.zmx中的像面, Ctrl+V，将透镜2数据放置 在透镜1数据之后
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平面波前与理想平面波相比较 南京理工大学 袁群 光学CAD课件
平面波前经近轴透镜转化为球面 波模式再与理想的球面波相比较
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
在像面前插入一个面，Surf7， 将Surface Type由Standard 改成Paraxial。即表示插入一 个近轴面。 南京理工大学 袁群 光学CAD课件
原有透镜焦距400.36 mm，在Focal length里输入100， 表示对透镜结构进行缩放，满足焦距为100 mm
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计 Make focal 后，因为透镜比例是按400.36/100进行缩放， 所以透镜数据、入瞳口径等都需重新规整
计算机辅助光学设计
袁群 电光学院A628房间
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设计案例4-缩束/扩束系统
D2
D1
开普勒式
f1 f2 f2
D1 f1 D2 f 2
伽利略式
2
D1
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设计案例4-缩束/扩束系统 设计步骤
开普勒式 • 正透镜1 • 正透镜2 • 组合形成缩束系统 伽利略式 • 正透镜1 • 负透镜1 • 组合形成缩束系统
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
优化设计结果
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
对于ZEMAX2005版本，没有像方无焦模式（ Afocal Image Space ），分析波 像差时不能分析平面波的质量，只能分析球面波的质量。只有在ZEMAX2008 以上版本内有像方无焦模式，可勾选后直接分析平面波质量。 在ZEMAX2005版本中分析平面波质量的方法，是加上一个理想的透镜，将 平面波转化为球面波去分析波面质量。 理想的透镜用一个近轴面表示（Surface Type: Paraxial），可以设置焦距值。 无焦模式 采用近轴透镜
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
将近轴面（Surf7）的厚度改为200， 焦距改为200。表示采用了一个焦 距为200 mm的理想透镜将平面波 会聚后分析波面质量。
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
近轴面f=200
缩束系统部分
为了分析波前 质量，额外加 入的近轴面会 聚球面波部分。 优化设计完成 后去掉。
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
上述内容是在ZEMAX2005低版本软件软件中，无Afocal Image Space选项时，通过加入近轴面，将平面波转化为球面波，实现 波面质量分析，用于替代无焦模式。 定义完成后跳转回PPT第17页，进行评价函数定义与优化设计。 本章PPT在采用伽利略式缩束系统设计时亦可采用此方法进行波 面质量评价。
以D1=80 mm，f1=400 mm；D2=20 mm， f2=100 mm；工作波长λ=800 nm为例。 缩束比 4:1 ，相对孔径 1:5 南京理工大学 袁群 光学 CAD 课件
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=400 mm 正透镜1设计
• • • • General: 入瞳直径 80 mm, 玻璃库CDGM Fields: 0° Wavelength: 0.8 μm 入瞳位于surface 1
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设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
伽利略式缩束系统为正透镜+负透镜结构，以前 面设计的正透镜1为正透镜，还需设计焦距为100mm的负透镜
f=-100 mm 负透镜设计
• • • • General: 入瞳直径 20 mm, 玻璃库CDGM Fields: 0° Wavelength: 0.8 μm 入瞳位于surface 1
开普勒式缩束系统设计
缩束系统为无焦系统，系统整体 焦距为无限大，将系统设置里 Afocal Image Space勾选上，表示 像方无焦，此时分析波像差时， 以平面波为参考；未勾选时，系 统有焦点，分析波像差时，以球 面波为参考。
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选中伽利略式缩束系统-初始结构.zmx中的像面, Ctrl+V，将负透镜数据放 置在正透镜1数据之后
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设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
此时缩束系统中正透镜和负透镜均为正向光路，应将 负透镜转化为反向光路
选中透镜2数据（Surface3和Surface4），Tools>>Modify 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 >>Reverse Elements
另存为：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=400 mm 正透镜1设计 f=400 mm 正透镜1设计结果: • 焦距设计值400.36 mm • 波像差
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计 以f=400 mm 正透镜1的优化结果构建正透镜2的初始初 始结构 Tools>>Modify >>Make focal
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=-100 mm 负透镜设计
优化结果，EFFL=-100.093 mm; 3D Layout中表示的是负透镜虚焦点
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设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
与开普勒式缩束系统组合方式类似，正透镜与负透镜组合 • • • 单独设计正透镜1和负透镜时均为正向设计，即平行光入射经 正透镜后会聚，平行光入射经负透镜后发散； 在缩束系统中，正透镜1为正向使用，负透镜为反向使用； 将正透镜1与负透镜组合为缩束系统，正透镜1与负透镜之间的 间距为单独正向设计时正透镜1与负透镜的顶焦距之和（正透 镜的定焦距为正值，负透镜的定焦距为负值）
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=-100 mm 负透镜设计
评价函数： 1.控制系统焦距EFFL=-100 mm，权重为1 2.控制系统波像差RMS值，权重为1 变量： 透镜前后表面曲率半径R1 和R2
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将透镜厚度改为2.5 mm 半口径改为11.5 mm
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f=100 mm 正透镜2设计
将入瞳口径改为20
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计
修改评价函数，将EFFL目标值改为100，优化获取新的透镜结构: • 焦距设计值100.09 mm • 波像差
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
• 在正透镜1前方插入一个面，Surface 1厚度为100 mm，用作观察平行光入射用； • 将正透镜1与正透镜2之间的间隔作为变量；
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设计案例4-缩束/扩束系统
设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
缩束系统整体优化，评价函数控制以下几个因素： • 正透镜1焦距目标值400 mm； • 正透镜2焦距目标值100 mm; • 出射光束口径20 mm; • 出射波前波像差
评价函数的操作符 • EFFL：系统的整体焦距 • EFLY：两个面之间的光学系统在YZ平面上焦距（子午焦距） • REAY：光线追迹在YZ平面上的高度
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
此时缩束系统中正透镜1和正透镜2均为正向光路，应 将正透镜2转化为反向光路
选中透镜2数据（Surface3和Surface4），Tools>>Modify 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 >>Reverse Elements
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设计案例4-缩束/扩束系统