3 zemax像差設(shè)計在zemax中的實現(xiàn)

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1、像差設(shè)計在ZEMAX中的實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，最早用于評價像質(zhì)的指標是幾何像差。如果光學(xué)系統(tǒng)成像符合理想成像，即由同一物點發(fā)出的所有光線通過系統(tǒng)后，應(yīng)該聚焦于理想像面上的同一像點，滿足應(yīng)用光學(xué)中的高斯成像公式，而且高度和理想像高一致。實際上光學(xué)系統(tǒng)成像不可能完全符合理想情況，即同一物點發(fā)出的光線，經(jīng)系統(tǒng)后在像空間的出射光線，不再是聚焦于理想像的同心光束，而是具有較為復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)的像散光束。用來描述像散光的函數(shù)是位置和結(jié)構(gòu)的函數(shù)，稱為幾何像差。據(jù)像質(zhì)評價課程，我們已經(jīng)具有光學(xué)系統(tǒng)的像差概念。如果在可見波段和旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)，軸上物點，主要存在：球差（δL’）、軸軸向色差（ΔLFC’），這兩種

2、像差僅是光束孔徑h的函數(shù)，對于大相對孔徑光學(xué)系統(tǒng)，還需要考慮球差和軸向色差的高級情況，即高級球差δLsn’＝δL’0.707h－0.5δLm’和色球差δL’FC=ΔL’FCm－Δl’FC。對于軸外物點，因光束結(jié)構(gòu)復(fù)雜，像差描述分子午、弧矢和主光線像差，有反映子午和弧矢光束像面相對于像平面的彎曲即子午場曲XT’和弧矢場曲XS’；有反映子午、弧矢光束線對偏離主光線的不對稱像差，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對稱像差，即像散X’TS=XT’－XS’；當光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑較小時，子午和弧矢場曲可以用細光束場曲xt’和xs’代表，像散變成x’ts＝x’t－x’s；主

3、光線像差有畸變和垂軸色差。以上這些像差，我們需要熟悉概念以及它們與孔徑、視場的函數(shù)關(guān)系，分別弄清楚小視場小相對孔徑、小視場大相對孔徑、大視場小相對孔徑、大視場大相對孔徑光學(xué)系統(tǒng)的像差特征。當光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)沒有達到要求時，我們需要建立評價函數(shù)和確定變量、邊界條件，對現(xiàn)有的初始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計；由前面的內(nèi)容知道，建立評價函數(shù)的方法有多種，評價函數(shù)反映了設(shè)計者的設(shè)計思想。當用DefaultMeritFunction建立評價函數(shù)，經(jīng)過優(yōu)化后，如像質(zhì)還不盡人意，此時應(yīng)該如何修改評價函數(shù)，往往還需歸結(jié)到幾何像差的分析和校正上來；同時，由過去的理論學(xué)習(xí)，像差理論是多年的光學(xué)設(shè)計實踐和理論研究的結(jié)晶，使用

4、像差（指獨立幾何像差）設(shè)計方法，能夠快捷地獲得設(shè)計結(jié)果或中間結(jié)果，為后續(xù)采用MTF優(yōu)化提供基礎(chǔ)；另外，有些設(shè)計場合，為簡化結(jié)構(gòu)，需要采用分階段設(shè)計和像差補償?shù)脑O(shè)計方案，即讓其中不同部分的光學(xué)系統(tǒng)留有殘余像差，但符號相反，光學(xué)組合后，殘余像差自動抵消，為了設(shè)計時能恰當?shù)乜刂茪堄嘞癫盍浚捎孟癫钤O(shè)計方法；還有，有些設(shè)計情況下，像面不一定要求為平面，也無法知道像面的面型具體方程，這時的設(shè)計也宜采用像差設(shè)計方法，配合像差容限考慮來完成。因此有必要討論像差設(shè)計的概念和方法，像差設(shè)計是在熟悉當前光學(xué)系統(tǒng)的特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)像差校正方案，確定軸上與軸外分別需要校正哪些像差，在評價函數(shù)編輯器中建立這些像

5、差控制操作符，然后再進行優(yōu)化設(shè)計。3.1DefaultMeritFunction和現(xiàn)有像差控制符的局限性如2.2節(jié)所述，DefaultMeritFunction定義的評價函數(shù)由點列圖或波像差構(gòu)成，用于優(yōu)化象平面或具有固定面型的像面上的成像質(zhì)量，不能完成任意獨立幾何像差的控制。ZEMAX也提供了內(nèi)建的像差控制操作符，下面就對這些操作符做比較分析，闡述現(xiàn)有像差控制操作符的局限性3.1.1軸上點的像差操作符的局限性ZEMAX為軸上點提供了兩個像差操作符，即SPHA，AXCL，其中SPHA是指定光學(xué)面的球差貢獻量，單位：波長。無需指定孔徑，因此，不能控制某一特征孔徑的球差；AXCL是控制近軸位置色

6、差Δl’FC。以上兩個像差操作符，僅適用于小視場小相對孔徑的設(shè)計場合。根據(jù)軸上點像差概念的學(xué)習(xí)，我們知道，對于大相對孔徑的光學(xué)系統(tǒng)，要控制其軸上物點的成像質(zhì)量，至少要控制δL’m、ΔL’FC0.707、δL’sn和δL’FC到預(yù)定的目標值，但是利用ZEMAX內(nèi)建控制操作符不能實現(xiàn)這種控制。3.1.2軸外物點的像差操作符的局限性軸外物點的像差設(shè)計更為復(fù)雜，對于不同光學(xué)特性的系統(tǒng)，像差設(shè)計要求不一樣。對小相對孔徑小視場光學(xué)系統(tǒng)，像差設(shè)計最簡單，最多要求校正孔徑與視場的初級像差；對大相對孔徑小視場光學(xué)系統(tǒng)，則將像差控制集中到跟孔徑有關(guān)的高級像差上面來，至于視場像差，仍只控制視場初級像差；對小相對

7、孔徑大視場光學(xué)系統(tǒng)，則要將像差控制集中到跟視場有關(guān)的像差上面來，根據(jù)視場達到的程度，如中等視場，廣角，超廣角，決定是否校正跟視場有關(guān)的高級像差。ZEMAX的內(nèi)建像差控制操作符中，軸外像差操作符含義如表3.1。種類名稱含義局限性慧差COMA某一面慧差貢獻量，單位：波長無法控制跟視場、孔徑有關(guān)的的子午、弧矢慧差場曲FCUR某一面場曲貢獻量，單位：波長無法控制寬光束場曲（應(yīng)用與大相對孔徑大視場情形）FCGS某一視場細光束弧矢場