ZEMAX单透镜设计例子详细(多图)(2)

1-9 设罝优化

我们希望使用优化来修正这个例子的质量。除基本设计的形式之外，优化需要两个附加项：

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设罝允许变动的参数，让ZEMAX可自由地在允许的范围内调整这个参数，以设计出更好系统。 在数学上的观点上，需要设罝优化函数(Merit function)的描述，意即评估系统优劣的指标。

这个例子内有3个参数适合被改变而来进行优化，包括两个表面的曲率半径以及透镜到「IMA」面的距离。只要将游标移至第1面「STO」及第2面「２」的「Radius」栏及第2面的「Thickness」栏点击并按Ctrl+Z或按鼠标右键选，在「Solve Type」选Variable这个选项。如此各个选项之后将出现「V」的字样。

1-10 建立绩效函数

优化函数(Merit function)被定义于优化函数编辑器(Merit function Editor, MFE)。单击键盘的F6或点击菜单的Editors->Merit Function即可开启编辑视窗(MFE)。

从MFE 点击Tools->Default Merit Function会出现一个Default Merit Function的视窗，点击「Reset」后再点击「OK」。后面我们还会说明这个视窗的相关设罝，现在先以默认条件进行优化。

1-11 增加限制条件

接着修正绩效函数(Merit function)，包括系统焦距的需求。将游标移在MFE的第一列并单击按键盘的Insert来产生新的一列，在此列的Type栏上键入EFFL后按Enter。这个操作数的功能是在运算出系统有效焦距，在计算有效焦距时必须设罝参考的主波长(Primary Wavelength)，在此例子里使用第二波长为参考波长，所以在第一列的「Wav#」栏中键入为2。接着在「Target」栏里键入100并按Enter，「Weight」设为1再按Enter，最后将此视窗关闭，虽然关闭编辑视窗但设罝已储存，并不会遗失。

1-12 运行优化

点击「Opt」或Tools->Optimization，便会出现Optimization的视窗。

在优化的对话视窗里，如果「Auto Update」选项被勾选，则当在运行优化时，所有开启的分析视窗如Ray fans plot以及LDE的数据将及时变动。在此请点击「Automatic」这个按钮来进行优化。

1-13 光线扇形图

这个优化的动作是调整Lens的曲率半径使透镜焦距接近100 mm，并调整透镜与成像面的距离，以消除离焦(Defocus)。其是利用最小波前误差之均方根值为依据进行优化，而此次的优化的并没有使焦距完完全全等于100 mm，这是因为我们所设罝的有效焦距操作数(EFFL)只是绩效函数(Merit function)中众多操作数的一项而已，所以在运行优化时也需要符合其它优化条件。其实在许多的设计之中，可以透过LDE里Solve功能来使调整焦距以符合设计需求，而不需使用MFE的操作数。

下图所示是经过优化后的光线扇形图(Ray fans plot)，其最大像差(Maximum Aberration)约为300 microns。

1-14 二维设计图

点击Analysis->Layout或点「Lay」这个选项便可以显示2D设计图(Layout)。此2D设计图的视窗上点击Settings->Number of Rays->7->OK即可显示出如下之图。

1-15 弥散斑

在ZEMAX众多的分析工具里，除了常使用光线扇形图来分析设计系统的光学性能之外，另外也有一个分析功能－弥散斑(Spot Diagrams)也是一个相当常用的分析图表。弥散斑(Spot Diagrams)可以显示出平行光束通过光学系统后聚焦于成像面上的斑点。可点击Analysis->Spot Diagram->Standard或点击「Spt」即可显示出光斑(Spot Diagrams)的分析图。

如下图所示，可由图表判断其Stop的图表大约有400 microns的半径大小，而Airy Disk有5.7 mircons。也可以由此图看出整个系统的像差，由于不同的波长其之焦距点也不一样，所以其成像会产生模糊现象。

1-16 光程差扇形图

另一个常用的分析工具是OPD Fans，这个图是显示光程差(Optical Path Difference)，此图与光线扇形图一样采用主光线(Chief ray)为参考光，显示光离开光瞳(Exit Pupil)后的光程差，而光线扇形图(Ray Fans Plot)一样也是显示光程差但其是显示光在IMA面上的光程差。可点击Analysis->Fans->Optical Path或点「Opd」即可显示光程差扇形图(OPD Fans Plot)。

1-17 进一步分析

这个设计够好了吗?当波前像差(Wavefront Aberration)小于1/4的波长时，则需考虑到透镜的衍射极限(Diffraction Limited)（有关这类的讨论可在使用手册(User's Guide)里找到详细的说明）。在此例子还不需要考虑到衍射极限。为了改善系统的光学性能，设计者都必须了解光学系统中那一些像差限制了系统的光学性能，以及要进行什么修正才可以有效的处理像差问题。

在这一次的设计中，优化后仍然有轴向色差(Axial Color Aberration)及球差(Spherical Aberration)。如果在光线扇型图(Ray Fan Plot)中发现原点部分的曲线斜率不为零（即系统含有离焦），这是因为优化的过程ZEMAX透过近轴焦点(Paraxial Focus)的移动来补偿球差，以达到最小的球差(Spherical Aberration)。

就色差(Chromatic Aberration)而言，焦距的变动是随波长而异，可以在Chromatic Focal Shift Plot看出来。点击Analysis->Miscellaneous->Chromatic Focal Shift，而分析图是显示出波长与焦距位移的关系图。如下图所示

所以虽然此例子已作了最佳化，但仍然有像差存在，仍有设计及进步的空间。

PS：这个例子是我从ZEMAX葵花宝典这样一本书上copy下来的，因为觉得这样一个简单的例子对于初学入门很不错，而且很多书上也有类似的例子，另外《ZEMAX葵花宝典》这样一本书我过一阵会上传上来，然后再整理点别的资料一起。希望大家会喜欢，呵呵。 不得不说的是ZEMAX实在是太强大了！

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