输入其他光学特性参数的方法

2.8.3.1　General输入相对孔径

General功能可以由“System”→“General…”选取,也可以由桌面上“Gen”快捷键来打开,打开后的General对话框如图2-45所示。

图2-45　General对话框

由图2-45可以看出,General对话框中,有Environment、Polarization、Misc.、Non-Sequential、Aperture、Title/Notes、Glass Catalogs、Ray Aiming等选项。

相对孔径的定义在Aperture中完成。下面选择常用选项,阐述它们的含义。

1.Aperture

Aperture type用于定于相对孔径,即轴上物点光束大小。定义的种类有:

(1)Entrance Pupil Diameter(入瞳直径)。当物体位于无限远时,可以选择它来定义,相当于定义相对孔径。此时在Aper Value中输入具体入瞳直径数值,选择Lens Units为Millimeters(mm)。

(2)Image Space F/#(像方F数)。物体无论位于无限远,还是有限远,都可以用像方F数定义相对孔径,其物理含义为:“近轴有效焦距(EFFL)/入瞳直径”,此时在Aper Value中输入F数。

(3)Object　Space　Numerical Aperture(物方数值孔径NA)。当物体位于有限远时,可用之定义,其含义为NA=n·sinθ,n为物方介质折射率,θ为高斯边缘光线孔径角,如图2-46所示。

图2-46　Object Space NA示意图

在Aper Value中输入NA值。

(4)Float by stop size(由光阑大小决定)。这是定义轴上物点光束孔径的另一种方法,即由Lens data Editor中光阑(stop)面的“Semi-diameter”大小来决定,此时“Lens Data Editor”中光阑大小值右边显示“U”,表示Stop Surface的孔径被固定,无法给出Aper Value(自动变暗)。

(5)ParaxialWorking F/#。称之为近轴工作F数,它的定义式为

式中,n′为系统像方折射率;θ为高斯边缘像方光线孔径角。在计算θ过程中,认为系统无像差,按照理想系统的边缘光线追迹方法。在Aper Value中输入F数,注意与前面的Image Space F/#区别。

(6)Object Cone Angle(物方锥角)。也称为物方孔径角。当物体位于有限远时,可用由轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔径,以物空间边缘光线的半角,即图2-47中的U来定义,单位为度(°),可以大于90°。

图2-47　Object Cone Angle定义示意图

定义成像光束孔径大小的同时,还需定义光瞳面上的照明状态,即Apodization Type(定义光瞳上光强分布)。

选项有:

None表示光瞳被均匀照明;

Gaussian表示光瞳上光振幅扰动为高斯型,即

式中,ρ为光瞳归一化极坐标;G为切趾(apodization)因子,如果G=0,表示光瞳被均匀照明,一般G＜40。

Tangential表示正切型光瞳光振幅分布,即

式中,Z为光瞳面上小面元到点光源的距离;r为光瞳面上的位置坐标(离开光轴的距离),如图2-48所示。光瞳中心(轴上)为0,最大值一般被归一化为单位1。光振幅A(ρ)=。如r采用归一化的坐标r=ρH,其中0＜ρ＜1,H为光瞳半径。此时A(ρ)为

图2-48　正切型照明示意图(www.xing528.com)

式(2-53)中,θ由tanθ=决定。

2.General对话框中的其余常用功能

(1)Glass Catalogs(玻璃库)。ZEMAX提供了德国Schott、日本Hoya、Ohara、美国Corning、中国成都光明CDGM等玻璃生产厂商的玻璃库,还有红外、塑料材料(PMMA)、双折射材料等内建玻璃库。

过去老版(如10.0)ZEMAX软件内建玻璃库中没有中国玻璃库,此时,要选用中国玻璃库,有两种方法:

①使用Len data Editor视窗中Glass栏的Model功能,输入vd,nd即可;

②建立中国玻璃库,可以通过按Schott玻璃拟合公式中的A0～A5输入系数建立玻璃库,也可以建立每一个牌号n(k)数据文件,通过Tools→Glass Catalogs→Fit index Data→Load index data→Fit过程建立玻璃库中玻璃牌号记录。

(2)Ray Aiming。适用于孔径光阑不在物方的大视场镜头设计中,确保主光线通过孔径光阑的中心。选项有:

①No Ray Aiming。这是ZEMAX预设选项,表示不进行光线瞄准,此时ZEMAX认为光瞳无像差。对于中等视场的光学系统,可以用该选项。但是对于大相对孔径或大视场光学系统,会存在严重的光阑像差,光阑像差的表现为:光瞳位置随视场值变化;光瞳边缘发生变形。

②Aim to aberrated(real)stop height。对于大视场光学系统,通常选该项,用于消除光阑像差。含义是:瞄准有像差时的孔径光阑高度。使用该选项后,ZEMAX计算像差,孔径光阑大小由来自物面中心的主波长边缘光线在光阑面上的交点决定。然后使用迭代法追迹光线,找出一根经过孔径光阑中心的光线(此时不一定经过入瞳或出瞳中心,但经过像差校正后,也会同时经过入、出瞳中心),作为主光线。

③Aim to unaberrated(paraxial)stop height。该选项与前一选项的明显区别,在于该选项假设镜头系统没有像差,使用理想情况下的近光线追迹来瞄准光阑中心,优点是计算时间短。

2.8.3.2　Fields对话框中定义视场

通过System→Fields…可以打开视场定义对话框,如图2-49所示,该图中首先给出视场种类定义的四个选项:角度(视场角)、物高、近轴像高、实际像高,其中视场角单位为度(°),线视场的单位为ZEMAX选择的Lens Units,一般为mm。

视场类型勾选之后,一次可以勾选12个视场序号,即最多可定义12个视场。X-Field与Y-Field同时选用时,适用于非旋转对称光学系统,或探测器靶面为矩形的光学系统;对于旋转对称系统,一般仅在Y-Field栏中输入数据,定义子午面内的视场。Weight用于定义各个视场的权重。

对于大视场光学系统,一般要考虑渐晕现象,由渐晕系数来描述。ZEMAX提供了4个参数,即VDX、VDY、VCX、VCY,用来描述渐晕现象,其中VDX、VDY用于定义光瞳中心位置的x、y偏心;VCX、VCY用于定义渐晕因子。当VDX=VDY=VCX=VCY=0,表示无渐晕现象,对于旋转对称系统,仅使用VDY与VCY即可。

如轴上物点光瞳归一化坐标为Px、Py,有渐晕时轴外光瞳归一化坐标为

图2-49　Fields定义对话框界面

例如,图2-50表示了旋转对称光学系统在偏心VDY=0.3,渐晕系数VCY=1-的渐晕光瞳,其中H为轴上物点光瞳半径,O′a表示轴外物点光瞳渐晕时的子午面上的半径,此时,VDX=0,VDY=0.3,VCX=0,VCY=1-

图2-50　渐晕定义示意图

考虑渐晕后,优点为:①可以缩小透镜的口径,节省加工成本;②可以把引起严重轴外像差的光线去除掉(即选择光阑位置消除轴外像差)。

图2-49中,底部的Set Vigneting按钮,由ZEMAX可自动设置渐晕系数。在两种状态下可以自动设置渐晕系数:

(1)Lens data Editors中,某一光学面的通光直径固定。

(2)使用Tools→Convert Semi-Diameters to Floating Apertures。

Save与Load对已建好的视场数据可以完成存储与调用,文件扩展名为*.Fld。

2.8.3.3　W avelengths定义镜头工作波长

通过桌面上的快捷键WAV或System→Wavelengths打开Wavelengths对话框,可以定义最多24个波长,波长单位为μm。典型波长的数据已经存储在对话框中,可以用通过Select选用。其中,“Primary”定义的是主波长,用于计算镜头系统的单色像差。

2.8.3.4　本例中的光学特性数据输入方法

(1)定义近轴工作F数(Paraxial working f-number)为10,选择System→General…→Aperture→Paraxial working f-number。在Aper Value中输入10。

(2)定义半视场0:10.5和15°,选择System→Fields…→,在对话框中,选用1,2,3,视场序号,输入Y-Field分别为0,10.5和15°。不定义权重与渐晕因子等。

(3)对有限远物距1 000mm,在Lens Data Editors中Object的Thickness输入1 000,目前镜头系统的近轴放大率可能不为-1.0,输入恰当的有限远物距后,可经过优化设计,改变物距或改变结构参数以保证近轴放大率要求。