首頁>技術中心>技術資訊>ZEMAX 在光學設計外形尺寸計算中的應用
ZEMAX 在光學設計外形尺寸計算中的應用
發布時間：2017-09-01
光學系統設計就是根據使用儀器所提出的使用要求，來決定滿足各種使用要求的數據，即設計出光學系統的性能參數、外形尺寸和各光組的結構等[1，2]。因此，通常可以把光學設計過程分為4 個階段：外形尺寸計算、初始結構計算、像差校正和平衡以及像質評價。可見外形尺寸的計算是光學系統設計的首要因素，也為后續三個階段奠定了基礎。
光學系統的外形尺寸計算，即由理想光組所抽象出來的光學特征公式進行光組的初始計算，也就是以理想光組理論為基礎，根據要求尋找和確定一個能滿足要求的光學系統的整體方案。一個光學儀器的工作性能好壞，外形尺寸計算是關鍵，尤其對于復雜光學系統，如果外形尺寸計算不合理，嚴重的可致使儀器根本無法完成工作。在光學系統外形尺寸計算方面，以往均采用手工計算的方法。本文應用ZEMAX中近軸表面可以模擬理想薄透鏡這一功能，將其應用到外形尺寸的優化計算中。
1 ZEMAX 進行外形尺寸計算的依據
光學系統的外形尺寸計算需要確定的結構內容包括系統的組成、各組元的焦距、各組元的相對位置和橫向尺寸。為了簡化各種類型光組的計算，可以把光學系統看成是由一系列薄透鏡組成的光學系統，經簡化后的光學系統就可以用理想光學系統的理論和公式進行計算。傳統的光學系統外形尺寸是靠手工計算完成的，既浪費時間又容易出錯，采用ZEMAX 進行外形尺寸優化計算可以避免上述問題，并能自動優化出合理的系統結構。
ZEMAX 支持大量的表面類型，如標準面、非球面、近軸面、自定義面型等，其中近軸表面用作理想薄透鏡，它可以在復雜光學系統外形尺寸計算時模擬各個透鏡組的光焦度，從而合理的布置光路，對外形尺寸計算的結果進行優化，確定合理的技術參數。
2 設計示例
2.1 十倍變焦距物鏡設計
2.1.1 技術要求
接收器件采用 1/3 英寸彩色CCD，焦距 為22~220mm，相對孔徑為 F/4，波段選取 0.4~0.9 m。2.1.2 外形尺寸計算
該變焦距物鏡由前固定組、變倍組、補償組及后固定組四部分組成，光闌置于補償組與后固定組之間。應用 ZEMAX 中的近軸表面 Paraxial 模擬各組元結構，其焦距、間隔、口徑等參數如表 1 鏡頭數據和表 2 多重結構所示。
表中給出了 22mm、80mm、150mm及 220mm四種焦距下數據，在多重結構表中可以看出，整個系統焦距的變化是通過改變前固定組與變倍組之間的間隔及光闌前、后空氣間隔三個數值實現的。
為通過采用ZEMAX中近軸表面模擬四個組元結構后的光路圖，由圖可見，四種焦距下共軛距保持恒定，即可以實現在變倍過程中像面穩定。
2.1.3 設計結果
根據以上的外型尺寸計算結果，再經過初始結構計算、像差校正和平衡以及像質評價后的最終設計結果如圖 2 所示，可見設計結果能夠很好的吻合外形尺寸計算的光路結構。
對于變焦距物鏡這種成像光學系統，合理的外形尺寸優化計算能夠保證優良的成像質量，從而達到較高的分辨率要求。
2.2 激光光束整形光學系統設計
2.2.1 技術要求
2.2.1 技術要求
光源采用波長為 488nm的藍光激光器，其光斑尺寸為 700 m，要求通過整形系統后得到 285m×8.5 m 的光斑。
2.2.2 外形尺寸計算
要得到橢圓形光斑需要應用柱面鏡使兩個相互垂直的 X 與 Y 方向的光焦度不同，從而實現不同的放大倍率。采用 ZEMAX 中的近軸表面 Paraxial及近軸XY表面ParaxialXY進行外形尺寸計算。
首先應用伽利略望遠系統將 700 m 的圓形光斑整形為 285 m 的圓形光斑，然后在該整形系統后 10mm處放置一個柱面鏡。從表 3 中可以看出，該柱面鏡X方向的光焦度為零，Y方向的光焦度為0.1，得到 Y 方向光斑的半尺寸為 4.25 m，從近軸計算的點列圖中可以看出 X 方向光斑的半尺寸為142.508 m，實現了 285 m×8.5 m 的橢圓形光斑。其中柱面鏡與接收面之間距離是通過采用 ZEMAX中操作數控制光斑尺寸來自動追跡實現的。
2.2.3 設計結果
表 4 為根據上述外型尺寸優化計算后，采用ZEMAX 設計該整形系統的最終結果，其像面的 Y方向光斑的半尺寸為4.207798 m;圖4為設計結果的點列圖，其像面的 X 方向光斑的半尺寸為142.600 m。設計結果與外形尺寸吻合，并實現了285 m×8.5 m 的橢圓形光斑。
對于激光光斑整形系統這種能量系統，外形尺寸的優化計算比成像系統更為重要，因為它不需要過多的注重像差的校正與平衡，只要將其外形尺寸優化合理，設計結果就可以滿足使用要求。
3 結論
通過對以上兩種光學系統應用光學設計軟件ZEMAX 進行外形尺寸的優化計算與實際設計結果相比較，證明該方法正確、可靠，且較傳統手工計算方便、簡單、準確性更高，能夠得到光學系統較合理的初始布局。
摘自:中國計量測控網
