解读ZEMAX中几何像差垂轴表示法(RayFans)

ZEMAX中直接给出独立几何像差情况可供分析与评价的数据结果并不多,也就是所谓的Miscellaneous中,给出了轴向球差、细光束场曲与畸变、垂轴色差这几种独立几何像差。借助于这几种像差数据,不能全面评价和指出系统设计下一步改进方向,尤其是对成像质量影响较大的彗差,没有给出专门的彗差曲线或数据供设计者查看。

获得彗差的途径有两种:

(1)通过光线追迹数据,用ZEMAX宏语言编写ZPL(ZEMAX Program Language)程序,计算与绘制彗差曲线。

(2)通过垂轴几何像差曲线,依据像差概念,得到彗差或其他独立几何像差。

第一种途径,对设计人员的要求较高,一方面需理解编程,另一方面需熟悉像差概念与计算方法。第二种途径是借助于ZEMAX已经提供的Ray aberration曲线图,结合像差定义与光线结构,“取出”我们需要的像差数据。(www.xing528.com)

由Ray aberration图,可看出几何像差存在时的综合弥散情况,还可看出其他独立几何像差的大小,如由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差量,诸如球差、场曲、离焦的大小,图2-52中表明目前初始结构的场曲较大;再如由曲线边缘孔径(±1.0)处的yaberration之和,能够反映彗差值的大小;如果工作波长是一光谱段,则每一视场的Ray Aberration曲线中每一幅图有三根曲线,反映波长序号为1、2、3的Ray aberration数据。这样,Ray Aberration曲线中,1、3波长的曲线与ey轴的交点之差反映垂轴色差的大小。随着视场的变化,可以看出垂轴色差的变化。

图2-60是典型双高斯物镜的Ray Aberration曲线图,该双高斯物镜工作在可见光波段,最大视场半角为14°,系统定义了0°视场、10°视场、14°视场,共三个视场,下面结合像差概念与计算方法,阐述几何像差的垂轴表示法(Ray Fans)中的像差解读方法。

图2-60　典型双高斯物镜的Ray Aberration曲线图

像差量值接近于0的Ray Aberration,一定是每根曲线贴着横轴延伸。任何造成曲线上翘的因素,都对应某种像差,造成弥散圆变大,降低成像质量。