光学系统设计(Zemax初学手册).doc

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1、光學系統設計（Zemax初學手冊）蔡長青ISUAL計畫團隊國立成功大學物理系（第一版，1999年7月29日）內容綱目:前言習作一：單鏡片(Singlet)習作二：雙鏡片習作三：牛頓望遠鏡習作四：Schmidt-Cassegrain和asphericcorrector習作五：multi-configurationlaserbeamexpander習作六：foldmirrors和coordinatebreaks習作七：使用ExtraDateEditor,OptimizationwithBinarySurfaces　前言　　整個中華衛星二號「紅色精靈」科學酬載計畫，其量測

2、儀器基本上是個光學儀器。所以光學系統的分析乃至於設計與測試是整個酬載發展重要一環。　　這份初學手冊提供初學者使用軟體作光學系統設計練習，整個需要Zemax光學系統設計軟體。它基本上是Zemax使用手冊中tutorial的中文翻譯，由蔡長青同學完成，並在ZemaxE.E.7.0上測試過。由於蔡長青同學不在參與「紅色精靈」計畫，所以改由黃曉龍同學接手進行校稿與獨立檢驗，整個內容已在ZemaxE.E.8.0版上測試過。我們希望藉此初學手冊（共有七個習作）與後續更多的習作與文件，使團隊成員對光學系統設計有進一步的掌握。（陳志隆註）(回內容綱目)習作一：單鏡片(Singlet

3、)　　　你將學到：啟用Zemax，如何鍵入wavelength，lensdata，產生rayfan，OPD，spotdiagrams，定義thicknesssolve以及variables，執行簡單光學設計最佳化。　　設想你要設計一個F/4單鏡片在光軸上使用，其focallength為100mm，在可見光譜下，用BK7鏡片來作。　　首先叫出ZEMAX的lensdataeditor(LDE)，什麼是LDE呢？它是你要的工作場所，譬如你決定要用何種鏡片，幾個鏡片，鏡片的radius，thickness，大小，位置……等。　　然後選取你要的光，在主選單system下，圈出

4、wavelengths，依喜好鍵入你要的波長，同時可選用不同的波長等。現在在第一列鍵入0.486，以microns為單位，此為氫原子的F-line光譜。在第二、三列鍵入0.587及0.656，然後在primarywavelength上點在0.486的位置，primarywavelength主要是用來計算光學系統在近軸光學近似(paraxialoptics，即first-orderoptics)下的幾個主要參數，如focallength，magnification，pupilsizes等。　　再來我們要決定透鏡的孔徑有多大。既然指定要F/4的透鏡，所謂的F/#是什麼呢

5、？F/#就是光由無限遠入射所形成的effectivefocallengthF跟paraxialentrancepupil的直徑的比值。所以現在我們需要的aperture就是100/4=25(mm)。於是從systemmenu上選generaldata，在apervalue上鍵入25，而aperturetype被default為EntrancePupildiameter。也就是說，entrancepupil的大小就是aperture的大小。　　回到LDE，可以看到3個不同的surface，依序為OBJ，STO及IMA。OBJ就是發光物，即光源，STO即aperture

6、stop的意思，STO不一定就是光照過來所遇到的第一個透鏡，你在設計一組光學系統時，STO可選在任一透鏡上，通常第一面鏡就是STO，若不是如此，則可在STO這一欄上按滑鼠，可前後加入你要的鏡片，於是STO就不是落在第一個透鏡上了。而IMA就是imagineplane，即成像平面。回到我們的singlet，我們需要4個面(surface)，於是在STO欄上，選取insertcifter，就在STO後面再插入一個鏡片，編號為2，通常OBJ為0，STO為1，而IMA為3。　　再來如何輸入鏡片的材質為BK7。在STO列中的glass欄上，直接打上BK7即可。又孔徑的大小為2

7、5mm，則第一面鏡合理的thickness為4，也是直接鍵入。再來決定第1及第2面鏡的曲率半徑，在此分別選為100及-100，凡是圓心在鏡面之右邊為正值，反之為負值。而再令第2面鏡的thickness為100。　　現在你的輸入資料已大致完畢。你怎麼檢驗你的設計是否達到要求呢？選analysis中的fans，其中的RayAberration，將會把transverse的rayaberration對pupilcoordinate作圖。其中rayaberration是以chiefray為參考點計算的。縱軸為EY的，即是在Y方個的aberration，稱作tangent