光学设计初学手册

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1、光学系统设计（Zemax初学手册）蔡长青ISUAL计划团队国立成功大学物理系（第一版，1999年7月29日）前言　　整个中华卫星二号「红色精灵」科学酬载计划，其量测仪器基本上是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。　　这份初学手册提供初学者使用软件作光学系统设计练习，整个需要Zemax光学系统设计软件。它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译，由蔡长青同学完成，并在ZemaxE.E.7.0上测试过。由于蔡长青同学不在参与「红色精灵」计划，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验，整个内容已在ZemaxE.E.8.0版上测试过

2、。我们希望藉此初学手册（共有七个习作）与后续更多的习作与文件，使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。（陈志隆注）(回内容纲目)习作一：单镜片(Singlet)　　　你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lensdata，产生rayfan，OPD，spotdiagrams，定义thicknesssolve以及variables，执行简单光学设计最佳化。　　设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focallength为100mm，在可见光谱下，用BK7镜片来作。　　首先叫出ZEMAX的lensdataeditor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的

3、工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置……等。　　然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primarywavelength上点在0.486的位置，primarywavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxialoptics，即first-orderoptics)下的几个主要参数，如focal

4、length，magnification，pupilsizes等。　　再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effectivefocallengthF跟paraxialentrancepupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从systemmenu上选generaldata，在apervalue上键入25，而aperturetype被default为EntrancePupildiameter。也就是说，entrancepupil的大小就是apertur

5、e的大小。　　回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO即aperturestop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagineplane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是在STO栏上，选取insertcifter，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ

6、为0，STO为1，而IMA为3。　　再来如何输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接打上BK7即可。又孔径的大小为25mm，则第一面镜合理的thickness为4，也是直接键入。再来决定第1及第2面镜的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负值。而再令第2面镜的thickness为100。　　现在你的输入数据已大致完毕。你怎么检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，其中的RayAberration，将会把transverse的rayaberration对pupilcoordinate作图。其中ray

7、aberration是以chiefray为参考点计算的。纵轴为EY的，即是在Y方个的aberration，称作tangential或者YZplane。同理X方向的aberration称为XZplane或sagittal。　　Zemax主要的目的，就是帮我们矫正defocus，用solves就可以解决这些问题。solves是一些函数，它的输入变量为curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相关的parameters等。parameters是用来描述或补足输入变量so