Zemax_1
.pdf
Третий способ диагностики качества оптической системы - с помощью анализа графика OPD. Для генерации графика OPD выберите в главном меню команду Analysis и в открывшемся списке опцию Fan, a затем Optical Path (оптический путь). Получится график, как показано на рис. 4. Эта система имеет аберрации, равные примерно 20 длинам волн. В основном это аберрации дефокусировки, сферическая, сферохроматическая и продольный хроматизм.
Рис. 4
ZEMAX позволяет получить график хроматического смещения фокуса. Показывает изменения величины параксиального заднего фокального расстояния в зависимости от длины волны. Чтобы увидеть эти графики,
войдите последовательно в Analysis, Miscellaneous (разное), Chromatic Focal (хроматический сдвиг фокуса). На графике, показанном на рис. 5, шкала длин волн располагается вертикально и
охватывает область длин волны. Максимальная величина сдвига
фокуса составляет около 1540 микрон. Монотонная кривая такого типа является типичной для одиночных линз (синглетов).
Для исправления хроматической аберрации первого порядка необходимо использовать второе стекло. Этот подход ведет к следующему примеру – проектированию дуплета.
Рис. 5
2.Моделирование сферической линзы
Задание: провести моделирование стеклянного шара, который используется как линза.
Вменю System, Wavelenghts устанавливаем длину волны 0,6328. В System, General в строке Aperture value задаем цифру 2. Заполняем таблицу LDE, как показано ниже.
Вменю выбираем Anasys, Layout, 3D Layout и получаем трехмерное изображение (рис. 1). Для просмотра диаграммы пятна рассеивания выберем
Spot Diagrams, Standart (рис. 2).
14
Рис. 1 |
Рис. 2 |
3. Моделирование плосковыпуклой линзы
В окне Wavelenght Data (Crtl+W)
установим 3 различные длины волн
0.42\0.48\0. 550, предварительно проставив галочки в диалоговом окне
USE с 1 по 3. В System, General в строке Aperture value зададим цифру 16, а в строке Aperture Type выберем Image Space F/#. Нажав System, Fields выйдет окно под названием Field data. Откроем три поля, нажав в колонке Use (использовать) на 2-й и 3-й ряды.
Рис. 1
15
Во втором ряду колонки Y-поля введем число 14 (градусов), в третье введем 20, в первом ряду оставим нуль для осевого направления. Заполняем окно LDE. Статус переменной величины для радиуса поверхности 4 поставим N (Chief Ray Normal). А для толщины установим статус М
(Marginal Ray Height), добавив в строку Pupil Zone число 0.8. Выведем трехмерное изображение оптической схемы (Shift+Ctrl+L) (рис. 1).
4. Моделирование асферичной линзы
Открываем Zemax. В окне Wavelenght Data (Crtl+W) установим длину волны 0.532. В System, General в строке Aperture value – цифру 50. В строке Apodization Type выберем Gaussian и в строке Apodization Factor цифру 2.
Нажав System, Fields, выйдет окно под названием Field data. Откроем два поля, нажав в колонке Use (использовать) на 2-й ряд. Во втором ряду колонки Y-поля и Weight введем число 0.1, а в первом ряду колонки Y-поля – число 2.0. Запишем данные в окно LDE
Выбирая третий тип поверхности из
Standart в Even Asphere во вкладке Aperture в строке Aperture Type нужно выбрать Floating Aperture. То же самое нужно поставить и для четвертой поверхности. Статус переменной величины для полудиаметра четвертой поверхности установим «Р» (Pick Up) и добавив в строку «From Surface» число 3.
Выведем трехмерное изображение оптической схемы (Shift+Ctrl+L) (рис. 1).
Рис. 1
5. Моделирование одиночных линз разных типов
Выпуклая линза. Запускаем Zemax. В открывшемся окне находим вкладку fail, задаем Sequential or Mixed Sequential. Установим входную апертуру 8 (System, General). Длину волны 1. В редакторе данных линз (LDE)
16
есть три показанные поверхности: OBJ, STO и IMA. Объект и поверхность изображения обязательно должны присутствовать и не могут быть удалены.
Заполняем таблицу. Задаем тип поверхности, радиусы кривизны, толщину, диаметры линз и материал.
Рис.1 |
Рис. 2 |
Для получения двухмерного или |
|
трехмерного |
изображения в главном |
меню щелкаем на Analysis → Layout → |
|
2D Layout (рис. 1) или 3D Layout (рис. 2).
Выбрав в главном меню Analysis → Funs, можно посмотреть абберации луча (Ray Aberration) (рис. 3).
Меняя радиусы кривизны, толщину, диаметр линз и материал, можно создавать различные типы линз.
Рис. 3
Выпукло-вогнутая линза.
17
Рис. 4. 2D-изображение |
Рис. 5. 3D-изображение |
Рис. 6. Графики аберраций.
Двояковогнутая линза.
Рис. 7. 2D-изображение. |
Рис. 8. 3D-изображение. |
Рис. 9. Графики аберраций.
18
6. Исследование линзового дуплета
Задание: провести оптический расчет линзового дуплета. Выполнение: линзовый дуплет состоит из двух стекол, обычно
склеенных (но не всегда). Поэтому они должны иметь одну общую поверхность с одинаковой кривизной.
Выберем стекла ВК7 и SF1. Введем поверхности в редакторе данных (LDE), как показано в нижеследующей таблице. Если необходимо переместить положение апертурной диафрагмы (STO) так, чтобы сделать эту поверхность первой, можете дважды кликнуть мышкой на колонку типа поверхности в том ряду, в который хотите поместить диафрагму. В открывшемся диалоговом окне выберите клавишу Make Surface Stop (сделать поверхность апертурной диафрагмой).
Поскольку воздушный промежуток между стеклами ВК7 и SF1 отсутствует, то это склеенный дуплет.
В этом примере ZEMAX не моделирует сам склеивающий слой; он просто моделирует стекла, находящиеся в (оптическом) контакте.
Выберите последовательно из главного меню Tools, Optimization и нажмите на Automatic. Величина оценочной функции быстро уменьшится. После остановки процесса оптимизации нажмите на Exit. Чтобы увидеть, насколько улучшилась схема, посмотрите на график хроматического смещения фокусного расстояния (если его еще нет на экране, то выберите последовательно Analysis, Miscellaneous, Chromatic Focal Shift). Должны увидеть график, показанный на рис. 1.
Обновите график лучевых аберраций, нажав на Update в окне этого графика (если это окно закрыто, то выберите из главного меню Analysis. Fans, Ray Aberration. Полученный график показан на рис. 2.
Рис. 1 |
Рис. 2 |
19
Чтобы увидеть двумерное сечение нашей оптической системы, выберите из главного меню последовательно Analysis, Layout (схема), 2D Layout (двумерная схема). Появится схема, изображенная на рис. 3. На схеме показаны все оптические поверхности от первой до плоскости изображения.
Увеличим размер линзы так, чтобы ее диаметр был несколько больше, чем ее чистая апертура, это необходимо, например, для запаса на полировку и монтировку линзы.
Переместим курсор LDE в любую колонку строки поверхности 1 (например, нажмем на слово ВК7). Теперь из главного меню выберем последовательно команды
Рис. 3 Reports (сообщения), Surface Data (данные о поверхностях). Появится окно, в котором будут представлены данные об этой поверхности. Мы увидим, что краевая толщина этой линзы равна 0,17, что очень мало.
Перед заданием краевой толщины линзы сначала нужно увеличить ее диаметр. Переместим курсор LDE в колонку Semi-Diameter (полудиаметр) на строке поверхности 1. Напечатаем поверх числа 12.5 число 14. ZEMAX сотрет число 12,5 и покажет число 14.000000 U. Буква U означает, что величина этого параметра установлена пользователем (User). После сделанных изменений выберите из главного меню System, Update для обновления данных. Установленная нами величина 14 относится к полудиаметру, а диаметр линзы будет равен 28 мм. Таким же образом введите числа 14 для поверхностей 2 и 3.
Обновим окно с изображением оптической схемы. Теперь апертуры увеличились, но краевая толщина первой линзы стала отрицательной величиной. Обновим окно с данными о поверхности, чтобы увидеть новое значение ее краевой толщины; оно стало отрицательным числом. Чтобы сделать краевую толщину линзы разумной величиной, можно было бы увеличить ее центральную толщину. Однако имеется более мощный метод задания требуемой величины для краевой толщины линзы.
Предположим, что хотим сделать краевую толщину линзы равной 3 мм. Для этого дважды кликнете мышкой на колонку толщины в строке 1 поверхности. На экране появится диалоговое окно для установки статуса поверхности. Выберите опцию Edge Thickness. Установите толщину 3 и радиальную высоту 0 (если радиальная высота равна нулю, то ZEMAX использует заданную величину полудиаметра); нажмите на ОК.
Рис. 4
20
В таблице редактора LDE автоматически установится новая величина толщины поверхности 1. Появившаяся рядом с этой величиной буква Е означает, что на этот параметр наложено специальное условие.
Обновите снова окно с данными о поверхности. Посмотрите сейчас на график аберраций. Затем запустите алгоритм оптимизации (выберите Tools, Optimization и режим Automatic). После оптимизации выйдите из режима оптимизации, нажав на Exit, выберите в главном меню System и Update All для обновления графиков.
Проверим внеосевые характеристики дуплета. Из главного меню выберите System, Fields (поля) для входа в диалоговое окно Field Data (дaнныe поля зрения). Откройте три поля, нажав в колонке Use на 2 и 3. Во втором ряду колонки Y-поля введите число 7 (градусов) и в третье введите число 10. Оставьте в первом ряду нулевое значение для осевого направления. Оставьте также нулевые значения в рядах X поля. Теперь выберите System, Update All. Появится график аберраций, показанный на рис. 4. График может слегка отличаться от показанного на этом рисунке в зависимости от того, как прошла реоптимизация системы после введенных функций solves.
Анализ графика аберраций показывает, что главная аберрация – это кривизна поля. Величину этой аберрации можно оценить по графику кривизны поля. Выберите из главного меню
Analysis, Miscellaneous, Field Curv/Dist (кривизна поля / дисторсия). Появится график, показанный на рис. 5.
Левый график изображает величины смещения параксиального фокуса в зависимости от угла поля, а правый – дисторсию реальных лучей относительно параксиального луча.
Рис. 5
7. Моделирование телеобъектива
Исходные данные: диаметры линз 60 мм для 1 и 2, 58 мм для 3 и 4, 54 мм для 5, 40 мм для 6. Расстояние между линзами 2 и 3 – 5 мм, 4 и 5 – 10 мм, 5 и 6 – 15 мм. Фокус задаем 80 мм.
Открываем меню File, выбираем Sequential or Mixed Sequential/NonSequential Mode. Открывается окно Lens Data Editor, основная таблица, куда и будем вводить данные. Введем 13 дополнительных строк.
Открываем меню System, выбираем пункт Wavelength, в открывшемся окне указываем длины волн, которые будем использовать при моделировании объектива. Для этого внизу этого окна выбираем Select – F, d, C (visible). Автоматически заполняются три строчки этого окна длинами волн (синяя, зеленая, красная – стандартная система RGB). Размеры длин волн – в микронах. В этом же меню System открываем вкладку General. В General открываем Aperture, вводим Aperture Value – 47.2, это будет входная
21