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ZEMAX 在光學(xué)設(shè)計(jì)外形尺寸計(jì)算中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是根據(jù)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(shù)據(jù)，即設(shè)計(jì)出光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸和各光組的結(jié)構(gòu)等[1，2]。因此，通常可以把光學(xué)設(shè)計(jì)過程分為4 個(gè)階段：外形尺寸計(jì)算、初始結(jié)構(gòu)計(jì)算、像差校正和平衡以及像質(zhì)評(píng)價(jià)。可見外形尺寸的計(jì)算是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要因素，也為后續(xù)三個(gè)階段奠定了基礎(chǔ)。
光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算，即由理想光組所抽象出來的光學(xué)特征公式進(jìn)行光組的初始計(jì)算，也就是以理想光組理論為基礎(chǔ)，根據(jù)要求尋找和確定一個(gè)能滿足要求的光學(xué)系統(tǒng)的整體方案。一個(gè)光學(xué)儀器的工作性能好壞，外形尺寸計(jì)算是關(guān)鍵，尤其對(duì)于復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，如果外形尺寸計(jì)算不合理，嚴(yán)重的可致使儀器根本無法完成工作。在光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算方面，以往均采用手工計(jì)算的方法。本文應(yīng)用ZEMAX中近軸表面可以模擬理想薄透鏡這一功能，將其應(yīng)用到外形尺寸的優(yōu)化計(jì)算中。
1 ZEMAX 進(jìn)行外形尺寸計(jì)算的依據(jù)
光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算需要確定的結(jié)構(gòu)內(nèi)容包括系統(tǒng)的組成、各組元的焦距、各組元的相對(duì)位置和橫向尺寸。為了簡(jiǎn)化各種類型光組的計(jì)算，可以把光學(xué)系統(tǒng)看成是由一系列薄透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)簡(jiǎn)化后的光學(xué)系統(tǒng)就可以用理想光學(xué)系統(tǒng)的理論和公式進(jìn)行計(jì)算。傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸是靠手工計(jì)算完成的，既浪費(fèi)時(shí)間又容易出錯(cuò)，采用ZEMAX 進(jìn)行外形尺寸優(yōu)化計(jì)算可以避免上述問題，并能自動(dòng)優(yōu)化出合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
ZEMAX 支持大量的表面類型，如標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算時(shí)模擬各個(gè)透鏡組的光焦度，從而合理的布置光路，對(duì)外形尺寸計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，確定合理的技術(shù)參數(shù)。
2 設(shè)計(jì)示例
2.1 十倍變焦距物鏡設(shè)計(jì)
2.1.1 技術(shù)要求
接收器件采用 1/3 英寸彩色CCD，焦距 為22~220mm，相對(duì)孔徑為 F/4，波段選取 0.4~0.9 m。2.1.2 外形尺寸計(jì)算
該變焦距物鏡由前固定組、變倍組、補(bǔ)償組及后固定組四部分組成，光闌置于補(bǔ)償組與后固定組之間。應(yīng)用 ZEMAX 中的近軸表面 Paraxial 模擬各組元結(jié)構(gòu)，其焦距、間隔、口徑等參數(shù)如表 1 鏡頭數(shù)據(jù)和表 2 多重結(jié)構(gòu)所示。
表中給出了 22mm、80mm、150mm及 220mm四種焦距下數(shù)據(jù)，在多重結(jié)構(gòu)表中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)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(gè)數(shù)值實(shí)現(xiàn)的。
為通過采用ZEMAX中近軸表面模擬四個(gè)組元結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)在變倍過程中像面穩(wěn)定。
2.1.3 設(shè)計(jì)結(jié)果
根據(jù)以上的外型尺寸計(jì)算結(jié)果，再經(jīng)過初始結(jié)構(gòu)計(jì)算、像差校正和平衡以及像質(zhì)評(píng)價(jià)后的最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖 2 所示，可見設(shè)計(jì)結(jié)果能夠很好的吻合外形尺寸計(jì)算的光路結(jié)構(gòu)。
對(duì)于變焦距物鏡這種成像光學(xué)系統(tǒng)，合理的外形尺寸優(yōu)化計(jì)算能夠保證優(yōu)良的成像質(zhì)量，從而達(dá)到較高的分辨率要求。
2.2 激光光束整形光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.1 技術(shù)要求
2.2.1 技術(shù)要求
光源采用波長(zhǎng)為 488nm的藍(lán)光激光器，其光斑尺寸為 700 m，要求通過整形系統(tǒng)后得到 285m×8.5 m 的光斑。
2.2.2 外形尺寸計(jì)算
要得到橢圓形光斑需要應(yīng)用柱面鏡使兩個(gè)相互垂直的 X 與 Y 方向的光焦度不同，從而實(shí)現(xiàn)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(jìn)行外形尺寸計(jì)算。
首先應(yīng)用伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)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(tǒng)后 10mm處放置一個(gè)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(jì)算的點(diǎn)列圖中可以看出 X 方向光斑的半尺寸為142.508 m，實(shí)現(xiàn)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(shù)控制光斑尺寸來自動(dòng)追跡實(shí)現(xiàn)的。
2.2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果
表 4 為根據(jù)上述外型尺寸優(yōu)化計(jì)算后，采用ZEMAX 設(shè)計(jì)該整形系統(tǒng)的最終結(jié)果，其像面的 Y方向光斑的半尺寸為4.207798 m;圖4為設(shè)計(jì)結(jié)果的點(diǎn)列圖，其像面的 X 方向光斑的半尺寸為142.600 m。設(shè)計(jì)結(jié)果與外形尺寸吻合，并實(shí)現(xiàn)了285 m×8.5 m 的橢圓形光斑。
對(duì)于激光光斑整形系統(tǒng)這種能量系統(tǒng)，外形尺寸的優(yōu)化計(jì)算比成像系統(tǒng)更為重要，因?yàn)樗恍枰^多的注重像差的校正與平衡，只要將其外形尺寸優(yōu)化合理，設(shè)計(jì)結(jié)果就可以滿足使用要求。
3 結(jié)論
通過對(duì)以上兩種光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX 進(jìn)行外形尺寸的優(yōu)化計(jì)算與實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果相比較，證明該方法正確、可靠，且較傳統(tǒng)手工計(jì)算方便、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性更高，能夠得到光學(xué)系統(tǒng)較合理的初始布局。
摘自:中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
