Zemax软件设计教学教程3(长春光机所)
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中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
设置离轴拼接镜Y=270mm X=0 插入一个组态，确认以下参数
轴外镜Z向位置坐标可由decenter 值、反射镜曲率、conic系数来计算
我们可以利用ZEMAX中提供SSAG 操作数计算
打开MFE在CONF2中插入SSAG 并利用CONS和SUMM来计算
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在3D视图中设置选择所有组态，更新视图
在各组态中镜面及像面尺寸是不同的我们 可以使用“Maximum” solve令其固定
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
对多个组态进行优化 打开优化函数编辑器MFE，首先建立默认优化函数
我们需要在多重组态中，每个组态设计为一个拼接镜 六边形反射镜为系统光阑其形状由user-defined surface aperture (UDA) 利用将STOP的偏心量X/Y设置为多重的来实现多片拼接镜 设置一个玻璃窗口改变它的矢高产生模拟像差
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
设置扫描镜我们可以使用Tilt/Decenter Elements 工具 Tools > Miscellaneous > Tilt/Decenter Elements
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
设置多重结构 打开多重结构编辑器插入三个组态 使用PRAM操作数设置三个扫描角度
离轴拼接镜相对轴上镜的坐标发生了改变如下图 注意Z向的位置
Adaptive optics final.zmx
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
输入六边形的自定义孔径，打开记事本程序输入以下字符
POL x_center y_center radius number_of_side(6) rotation_about_its_center(zero) 保存为HEXAGON.UDA放在ZEMAX/Objects 文件夹下
这里为减小设计量做一些假定 只设计抛物面主镜，不考虑整个望远系统中的其他表面 每一块拼接镜是不可变形的 对于每块拼接镜将只设置X/Y方向的倾斜并不引入平移 整个镜面由19块拼接镜组成，我们需要手动输入这些参数，对于更多 数量的拼接镜可以使用ZPL宏语言进行编辑 拼接镜的位置使用decenter 参数关联 由Zemax生成模拟大气影响的随机像差
在Surface选项卡中 可以选择 HEXAGON.UDA
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在LDE中输入以下表面
将第6面反射镜表面设置为Irregular surface 并将semi-diameter 修改为 150mm
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在3D layout Settings 中做如下修改
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
从3D layout 中可以看出此时的光线方向是错误的，我们需将组态2中的 Thicknesses改为负值。 真实光线追迹中Thickness的符号±设置 参考zemax manual chapter 3
在3D layout中选 择5条Y轴光线
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
改变通光孔径 ZEMAX中默认的通光孔径为圆形，这里需设置10×10的矩形通光孔径 在第2及第6面上进行如下更改
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在第4表面进行如下修改
更新3D视图
对棱镜中的倾斜表面使用tilt/decenter工具使它倾斜45°
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
注意：第10表面的材料为BK7而非MIRROR
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在3D layout Settings中选择 只显示当前组态，并切换至组 态2更新3D layout
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
将第1及第5面设置为不显示
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
参考位置关系图计算组态3中镜片的X/Y Decenter 我们利用pickup来实现
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
Y 270mm*sin(30°) =270*0.5 X 270mm*cos(30°) = 270*0.866
更新3D视图
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
通过点击Clone复制一个 Polarization Ray Trace窗 口
在两个窗口中选择不同 的组态
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
二、扫描光学系统
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在LDE中添加一个表面，如图并设置 pick-up solve
因为zemax中规定光线只能通过表面1次（无论反射或者折射） 为了设计从底部反射镜反射回来的光束，我们需要再次定义分束棱镜
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
初始结构设计
修改以下系统参数： System unit to mm Wavelength to 550um Set one field with values X=0 and Y=0 Set system aperture type to Float by Stop Size Turn Ray-Aiming on (System > General > Ray-Aiming)
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
设置反射部分 打开多重结构编辑器Multi-Configuration Editor 添加一个组态
插入操作数PRAM
在组态2上设置pick-up solve，令factor为-1
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
更改第4表面的参数 将其作为反射面，如上图
在这一部分我们将学习设置一个±5°的扫描镜
初始结构如图，参数如下： 5mm厚度N-BK7 在后表面设置f/5solve 通过优化前表面曲率及后 截距使RMS光斑最佳
初始结构在附件中 starting point.zmx
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
添加一个折转镜 点击Tools > Fold Mirror > Add Fold Mirror
透射部分这样就完成了
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
分析膜层引起的光强度的变化，使用偏振光线追迹 Analysis > Polarization >Polarization Ray Trace
Polarization Ray Trace中 解释了镀AR表面、50/50分束表面， 及BK7材料吸收引起的光强度衰减
在LDE中输入以上表面数据
Beam splitter cube.zmx
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
将第三个表面绕X轴倾斜-45° Tools > Miscellaneous > Tilt/Decenter Elements
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在第7面上设置tilt pickup，在第8面上设置decenter pickup
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
打开多重结构编辑器MCE 使用PRAM设置surface #4的 XY tilt 和decenter 使用THIC操作数修改不同镜片在Z向上的位置
使用Add Fold Mirror工具后 Zemax将选择的表面设置为MIRROR 添加两个coordinate break 自动修改thickness的符号
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
galvanometer.ZMX
直接将coordinate break中的倾 斜参数改成50并不能满足我们的 需求，如图。改成50后整个后续 的表面都将倾斜
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在Settings中勾选Delete Vignetted，删除边缘渐晕光线
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
将surface 4 设置成膜层“I.50” 将surfaces 2 和 6设置成膜层 “AR” I.50 是理想的 50% 透过率膜层 AR 是厚度1/4波长 的MgF2 减反膜.
ZEMAX光学软件培训课程 (第三讲)
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
CIOMP.CAS
主要内容
一、分光棱镜 二、扫描光学系统 三、主动光学望远镜 四、衍射元件设计 五、变焦距系统设计 六、如何建立自己的评价函数
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
一、分光棱镜
在这一部分，我们将练习以下内容： 在序列模式下用多重结构建立分束棱镜 在光路图及分析窗口中同时追迹透射/反射光线 计算透射光束及反射光束的光功率
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
使用pickup修改第8、10、12面的孔径参数
修改膜层信息
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更新3D视图
在SetLeabharlann Baiduings中选择显示所有组态
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在组态1中Surfaces 7-12应当是不用显示的，我们可以使用IGNR (ignore surface)操作数来实现
进行优化使三个组态下RMS光斑最佳
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
通常扫描镜并不是完全以它的顶点旋转，例如扫描镜为一个多面 体时，扫描镜为绕在其表面后某位置的一点旋转。 我们需要将旋转中心点设置到整个扫描镜的中心位置
polygon.ZMX
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
设计参数： Mirror sag shape = parabolic (conic =-1) Radius of curvature = -4000 mm ; focal length = -2000mm Shape of the segment = Hexagon Semi-diameter of each segment = 150mm
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
指标要求： 设计一个偏振不相关的50/50分光 棱镜； 材料为BK7玻璃，镀有MgF2； 50/50为理想膜层，不受偏振、波 长、入射角影响
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
打开ZEMAX，输入以下系统参数： System unit to mm Wavelength to 550um Set one field with values X=0 and Y=0 Set system aperture as Entrance Pupil Diameter of 15mm
在第5面上设置position solve使3~5 在第2面上设置glass solve为model
面间距始终为2100
确认以下参数
设置反射镜厚度
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在多重结构中设置不同的decenter 来实现多片拼接镜 使用两个Coordinate Break 面分别恢复decenter和tilt
三、主动光学望远镜
在这一部分我们将学习设计一个 拼接的反射式主动望远镜
拼接的反射式望远镜可以通过调 整每个组件的位置来使像面处的像差 达到最小
对于天文望远镜，使用主动光学 能够减小一部分由大气引入的像差
主动光学可以在序列、非序列及混合模式中设计，这里作为初探使用序 列模式中多重结构的方式来实现
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设置离轴拼接镜Y=270mm X=0 插入一个组态，确认以下参数
轴外镜Z向位置坐标可由decenter 值、反射镜曲率、conic系数来计算
我们可以利用ZEMAX中提供SSAG 操作数计算
打开MFE在CONF2中插入SSAG 并利用CONS和SUMM来计算
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在3D视图中设置选择所有组态，更新视图
在各组态中镜面及像面尺寸是不同的我们 可以使用“Maximum” solve令其固定
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对多个组态进行优化 打开优化函数编辑器MFE，首先建立默认优化函数
我们需要在多重组态中，每个组态设计为一个拼接镜 六边形反射镜为系统光阑其形状由user-defined surface aperture (UDA) 利用将STOP的偏心量X/Y设置为多重的来实现多片拼接镜 设置一个玻璃窗口改变它的矢高产生模拟像差
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设置扫描镜我们可以使用Tilt/Decenter Elements 工具 Tools > Miscellaneous > Tilt/Decenter Elements
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设置多重结构 打开多重结构编辑器插入三个组态 使用PRAM操作数设置三个扫描角度
离轴拼接镜相对轴上镜的坐标发生了改变如下图 注意Z向的位置
Adaptive optics final.zmx
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输入六边形的自定义孔径，打开记事本程序输入以下字符
POL x_center y_center radius number_of_side(6) rotation_about_its_center(zero) 保存为HEXAGON.UDA放在ZEMAX/Objects 文件夹下
这里为减小设计量做一些假定 只设计抛物面主镜，不考虑整个望远系统中的其他表面 每一块拼接镜是不可变形的 对于每块拼接镜将只设置X/Y方向的倾斜并不引入平移 整个镜面由19块拼接镜组成，我们需要手动输入这些参数，对于更多 数量的拼接镜可以使用ZPL宏语言进行编辑 拼接镜的位置使用decenter 参数关联 由Zemax生成模拟大气影响的随机像差
在Surface选项卡中 可以选择 HEXAGON.UDA
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在LDE中输入以下表面
将第6面反射镜表面设置为Irregular surface 并将semi-diameter 修改为 150mm
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在3D layout Settings 中做如下修改
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从3D layout 中可以看出此时的光线方向是错误的，我们需将组态2中的 Thicknesses改为负值。 真实光线追迹中Thickness的符号±设置 参考zemax manual chapter 3
在3D layout中选 择5条Y轴光线
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改变通光孔径 ZEMAX中默认的通光孔径为圆形，这里需设置10×10的矩形通光孔径 在第2及第6面上进行如下更改
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在第4表面进行如下修改
更新3D视图
对棱镜中的倾斜表面使用tilt/decenter工具使它倾斜45°
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注意：第10表面的材料为BK7而非MIRROR
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在3D layout Settings中选择 只显示当前组态，并切换至组 态2更新3D layout
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将第1及第5面设置为不显示
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参考位置关系图计算组态3中镜片的X/Y Decenter 我们利用pickup来实现
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Y 270mm*sin(30°) =270*0.5 X 270mm*cos(30°) = 270*0.866
更新3D视图
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通过点击Clone复制一个 Polarization Ray Trace窗 口
在两个窗口中选择不同 的组态
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二、扫描光学系统
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在LDE中添加一个表面，如图并设置 pick-up solve
因为zemax中规定光线只能通过表面1次（无论反射或者折射） 为了设计从底部反射镜反射回来的光束，我们需要再次定义分束棱镜
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初始结构设计
修改以下系统参数： System unit to mm Wavelength to 550um Set one field with values X=0 and Y=0 Set system aperture type to Float by Stop Size Turn Ray-Aiming on (System > General > Ray-Aiming)
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
设置反射部分 打开多重结构编辑器Multi-Configuration Editor 添加一个组态
插入操作数PRAM
在组态2上设置pick-up solve，令factor为-1
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更改第4表面的参数 将其作为反射面，如上图
在这一部分我们将学习设置一个±5°的扫描镜
初始结构如图，参数如下： 5mm厚度N-BK7 在后表面设置f/5solve 通过优化前表面曲率及后 截距使RMS光斑最佳
初始结构在附件中 starting point.zmx
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
添加一个折转镜 点击Tools > Fold Mirror > Add Fold Mirror
透射部分这样就完成了
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分析膜层引起的光强度的变化，使用偏振光线追迹 Analysis > Polarization >Polarization Ray Trace
Polarization Ray Trace中 解释了镀AR表面、50/50分束表面， 及BK7材料吸收引起的光强度衰减
在LDE中输入以上表面数据
Beam splitter cube.zmx
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将第三个表面绕X轴倾斜-45° Tools > Miscellaneous > Tilt/Decenter Elements
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在第7面上设置tilt pickup，在第8面上设置decenter pickup
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打开多重结构编辑器MCE 使用PRAM设置surface #4的 XY tilt 和decenter 使用THIC操作数修改不同镜片在Z向上的位置
使用Add Fold Mirror工具后 Zemax将选择的表面设置为MIRROR 添加两个coordinate break 自动修改thickness的符号
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
galvanometer.ZMX
直接将coordinate break中的倾 斜参数改成50并不能满足我们的 需求，如图。改成50后整个后续 的表面都将倾斜
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在Settings中勾选Delete Vignetted，删除边缘渐晕光线
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将surface 4 设置成膜层“I.50” 将surfaces 2 和 6设置成膜层 “AR” I.50 是理想的 50% 透过率膜层 AR 是厚度1/4波长 的MgF2 减反膜.
ZEMAX光学软件培训课程 (第三讲)
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
CIOMP.CAS
主要内容
一、分光棱镜 二、扫描光学系统 三、主动光学望远镜 四、衍射元件设计 五、变焦距系统设计 六、如何建立自己的评价函数
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
一、分光棱镜
在这一部分，我们将练习以下内容： 在序列模式下用多重结构建立分束棱镜 在光路图及分析窗口中同时追迹透射/反射光线 计算透射光束及反射光束的光功率
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
使用pickup修改第8、10、12面的孔径参数
修改膜层信息
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更新3D视图
在SetLeabharlann Baiduings中选择显示所有组态
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在组态1中Surfaces 7-12应当是不用显示的，我们可以使用IGNR (ignore surface)操作数来实现
进行优化使三个组态下RMS光斑最佳
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
通常扫描镜并不是完全以它的顶点旋转，例如扫描镜为一个多面 体时，扫描镜为绕在其表面后某位置的一点旋转。 我们需要将旋转中心点设置到整个扫描镜的中心位置
polygon.ZMX
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
设计参数： Mirror sag shape = parabolic (conic =-1) Radius of curvature = -4000 mm ; focal length = -2000mm Shape of the segment = Hexagon Semi-diameter of each segment = 150mm
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
指标要求： 设计一个偏振不相关的50/50分光 棱镜； 材料为BK7玻璃，镀有MgF2； 50/50为理想膜层，不受偏振、波 长、入射角影响
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
打开ZEMAX，输入以下系统参数： System unit to mm Wavelength to 550um Set one field with values X=0 and Y=0 Set system aperture as Entrance Pupil Diameter of 15mm
在第5面上设置position solve使3~5 在第2面上设置glass solve为model
面间距始终为2100
确认以下参数
设置反射镜厚度
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS
在多重结构中设置不同的decenter 来实现多片拼接镜 使用两个Coordinate Break 面分别恢复decenter和tilt
三、主动光学望远镜
在这一部分我们将学习设计一个 拼接的反射式主动望远镜
拼接的反射式望远镜可以通过调 整每个组件的位置来使像面处的像差 达到最小
对于天文望远镜，使用主动光学 能够减小一部分由大气引入的像差
主动光学可以在序列、非序列及混合模式中设计，这里作为初探使用序 列模式中多重结构的方式来实现
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Ciomp.CAS