3 zemax像差设计在zemax中的实现

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1、像差设计在ZEMAX中的实现光学系统的优化设计，最早用于评价像质的指标是几何像差。如果光学系统成像符合理想成像，即由同一物点发出的所有光线通过系统后，应该聚焦于理想像面上的同一像点，满足应用光学中的高斯成像公式，而且高度和理想像高一致。实际上光学系统成像不可能完全符合理想情况，即同一物点发出的光线，经系统后在像空间的出射光线，不再是聚焦于理想像的同心光束，而是具有较为复杂的几何结构的像散光束。用来描述像散光的函数是位置和结构的函数，称为几何像差。据像质评价课程，我们已经具有光学系统的像差概念。如果在可见波段和旋转对称系统，轴上物点，主要存在：球差（δL’）、轴轴向色差（ΔLFC’），这两种

2、像差仅是光束孔径h的函数，对于大相对孔径光学系统，还需要考虑球差和轴向色差的高级情况，即高级球差δLsn’＝δL’0.707h－0.5δLm’和色球差δL’FC=ΔL’FCm－Δl’FC。对于轴外物点，因光束结构复杂，像差描述分子午、弧矢和主光线像差，有反映子午和弧矢光束像面相对于像平面的弯曲即子午场曲XT’和弧矢场曲XS’；有反映子午、弧矢光束线对偏离主光线的不对称像差，即子午慧差KT’和弧矢慧差KS’；有反映子午面和弧矢面成像光束的不对称像差，即像散X’TS=XT’－XS’；当光学系统相对孔径较小时，子午和弧矢场曲可以用细光束场曲xt’和xs’代表，像散变成x’ts＝x’t－x’s；主

3、光线像差有畸变和垂轴色差。以上这些像差，我们需要熟悉概念以及它们与孔径、视场的函数关系，分别弄清楚小视场小相对孔径、小视场大相对孔径、大视场小相对孔径、大视场大相对孔径光学系统的像差特征。当光学系统的像质没有达到要求时，我们需要建立评价函数和确定变量、边界条件，对现有的初始结构进行优化设计；由前面的内容知道，建立评价函数的方法有多种，评价函数反映了设计者的设计思想。当用DefaultMeritFunction建立评价函数，经过优化后，如像质还不尽人意，此时应该如何修改评价函数，往往还需归结到几何像差的分析和校正上来；同时，由过去的理论学习，像差理论是多年的光学设计实践和理论研究的结晶，使用

4、像差（指独立几何像差）设计方法，能够快捷地获得设计结果或中间结果，为后续采用MTF优化提供基础；另外，有些设计场合，为简化结构，需要采用分阶段设计和像差补偿的设计方案，即让其中不同部分的光学系统留有残余像差，但符号相反，光学组合后，残余像差自动抵消，为了设计时能恰当地控制残余像差量，要采用像差设计方法；还有，有些设计情况下，像面不一定要求为平面，也无法知道像面的面型具体方程，这时的设计也宜采用像差设计方法，配合像差容限考虑来完成。因此有必要讨论像差设计的概念和方法，像差设计是在熟悉当前光学系统的特性的基础上，根据像差校正方案，确定轴上与轴外分别需要校正哪些像差，在评价函数编辑器中建立这些像

5、差控制操作符，然后再进行优化设计。3.1DefaultMeritFunction和现有像差控制符的局限性如2.2节所述，DefaultMeritFunction定义的评价函数由点列图或波像差构成，用于优化象平面或具有固定面型的像面上的成像质量，不能完成任意独立几何像差的控制。ZEMAX也提供了内建的像差控制操作符，下面就对这些操作符做比较分析，阐述现有像差控制操作符的局限性3.1.1轴上点的像差操作符的局限性ZEMAX为轴上点提供了两个像差操作符，即SPHA，AXCL，其中SPHA是指定光学面的球差贡献量，单位：波长。无需指定孔径，因此，不能控制某一特征孔径的球差；AXCL是控制近轴位置色

6、差Δl’FC。以上两个像差操作符，仅适用于小视场小相对孔径的设计场合。根据轴上点像差概念的学习，我们知道，对于大相对孔径的光学系统，要控制其轴上物点的成像质量，至少要控制δL’m、ΔL’FC0.707、δL’sn和δL’FC到预定的目标值，但是利用ZEMAX内建控制操作符不能实现这种控制。3.1.2轴外物点的像差操作符的局限性轴外物点的像差设计更为复杂，对于不同光学特性的系统，像差设计要求不一样。对小相对孔径小视场光学系统，像差设计最简单，最多要求校正孔径与视场的初级像差；对大相对孔径小视场光学系统，则将像差控制集中到跟孔径有关的高级像差上面来，至于视场像差，仍只控制视场初级像差；对小相对

7、孔径大视场光学系统，则要将像差控制集中到跟视场有关的像差上面来，根据视场达到的程度，如中等视场，广角，超广角，决定是否校正跟视场有关的高级像差。ZEMAX的内建像差控制操作符中，轴外像差操作符含义如表3.1。种类名称含义局限性慧差COMA某一面慧差贡献量，单位：波长无法控制跟视场、孔径有关的的子午、弧矢慧差场曲FCUR某一面场曲贡献量，单位：波长无法控制宽光束场曲（应用与大相对孔径大视场情形）FCGS某一视场细光束弧矢场