Ansys Zemax | 如何設計單透鏡第一部分：設置

發(fā)布人：宇熠科技時間：2022-10-14 來源：工程師

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本系列共3篇文章，旨在介紹如何使用OpticStudio序列模式界面進行操作。本文以單透鏡為例，介紹了設計透鏡的基本過程，包括構建系統(tǒng)(第1部分)、分析其性能(第2部分)，以及根據(jù)所需的指標參數(shù)和設計約束對其進行優(yōu)化(第3部分)。

簡介

單透鏡為OpticStudio中建模最簡單的成像系統(tǒng)。盡管如此，這個簡單的成像系統(tǒng)的設計可以幫助您了解OpticStudio的界面，了解基本的設計概念和策略，并演示如何使用一些基本的分析功能來優(yōu)化和確定光學性能。

這是由三篇文章組成的系列文章的第1部分。首先介紹OpticStudio用戶界面的序列模式 (Sequential mode) ，然后重點介紹如何使用系統(tǒng)選項 (System Explorer) 和鏡頭數(shù)據(jù)編輯器 (Lens Data Editor) 正確設置單透鏡。它還解釋了如何使用求解 (Solves) 來強制設計約束。

在第2部分中，我們將討論一些可用于評估系統(tǒng)性能的分析。在第3部分中，我們將討論如何優(yōu)化單透鏡，使其在設計約束下獲得更好的性能。（持續(xù)關注即將更新后續(xù)部分內容）

鏡頭分類參數(shù)和設計約束

在這個練習中，我們將設計和優(yōu)化一個玻璃材料為N-BK7， F數(shù)為4的單透鏡。最終設計方案應滿足以下規(guī)格和約束條件：

規(guī)格	約束
焦距	100 mm
半視場角 (SFOV)	5 °
波長	632.8 nm (HeNe)
單透鏡中心厚度	在 2 mm -- 12 mm 之間
單透鏡邊緣厚度	大于 2 mm
優(yōu)化標準	全視場 RMS 均方根半徑平均值
物體位置	無窮遠

使用給定OpticStudio的用戶界面和可用的工具，可以很容易地建模和優(yōu)化單透鏡！

鏡頭數(shù)據(jù)編輯器

在計算機輔助序列透鏡設計中，光線按其排列的順序從一個表面追跡到下一個表面。為此，OpticStudio使用一種名為鏡頭數(shù)據(jù)編輯器 (LDE) 的電子表格。

打開OpticStudio后，OpticStudio主窗口（工作區(qū)）中將出現(xiàn)一個空白的鏡頭數(shù)據(jù)編輯器。除了工作區(qū)中的鏡頭數(shù)據(jù)編輯器，您還將看到一個標題欄，其中指定打開的窗口的類型；菜單(Ribbon)欄，其中提供對OpticStudio所有特性的訪問；以及窗口頂部的快速訪問工具欄 (Quick Access Toolbar) 。在左邊，您將看到系統(tǒng)選項 (System Explorer) ，其中包含有關當前設計的特定系統(tǒng)信息。在序列模式下，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器是主要的電子表格，其中輸入了大部分鏡頭數(shù)據(jù)。部分主要輸入項包括:

列名稱	描述
表面類型 (Surface Type)	表面類型（標準面 (Standard) 、偶次非球面 (Even Aslphere) 、衍射光柵 (Diffraction Grating) 等）
標注 (Comment)	用于輸入特定表面注釋的可選區(qū)域
曲率半徑 (Radius)	鏡頭單位定義的表面曲率半徑（曲率的倒數(shù)）
厚度 (Thickness)	鏡頭單位定義的厚度，區(qū)分當前和其后表面頂點
材料 (Material)	材料類型（玻璃、空氣等），區(qū)分當前面與其后的面
凈口徑 (clear Semi-Diameter)	鏡頭單位定義的表面孔徑的半尺寸

鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的每一行表示一個表面。在OpticStudio序列模式中，每個光學系統(tǒng)從物面 (OBJ) 開始，到像面 (IMA) 結束。除了物面和像面外，剩余表面中的一個表面必須定義為光闌 (STOP) 。

通過在高亮單元格中鍵入所需的值，可以將數(shù)據(jù)輸入到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中。光標鍵或鼠標可以將高亮欄移動到所需的任何一欄。

定義系統(tǒng)設置

大多數(shù)情況下，系統(tǒng)孔徑是開始新設計時定義的第一個參數(shù)。系統(tǒng)孔徑不僅決定了OpticStudio將通過光學系統(tǒng)光線追跡的光束的大小，還決定了物面上每個視場點發(fā)出光線的初始方向余弦。系統(tǒng)孔徑可由多種類型定義，包括入瞳直徑 (EPD) 、像方空間F/#、物方空間NA、光闌尺寸浮動 (Float By Stop Size) 等。每種類型都在OpticStudio幫助文件對應部分有更詳細的定義:“設置選項卡 (The Setup Tab) >系統(tǒng)組 (System Group) >系統(tǒng)選項 (System Explorer) >系統(tǒng)孔徑 (Aperture) ”。

入瞳直徑可能是最常用的系統(tǒng)孔徑類型，也是當前示例中最方便的定義。在OpticStudio中，入瞳直徑被定義為從物空間看到的光瞳直徑，以鏡頭單位為單位。

我們可以很容易地確定單透鏡所需的入瞳直徑。如前所述，單透鏡的F/#必須等于4，有效焦距為100mm。由于F/#為無限共軛的近軸有效焦距與近軸入瞳直徑之比，因此入瞳直徑為25mm:

這個值是在哪里輸入到OpticStudio的呢?系統(tǒng)孔徑以及其它系統(tǒng)特定設置都由系統(tǒng)選項 (System Explorer) 設置。通常，系統(tǒng)資源管理器已經打開，但如果不是，您可以通過打開設置 (Setup) > 系統(tǒng)選項 (System Explorer) 訪問它:

一旦打開系統(tǒng)選項，我們就可以為當前的設計輸入合適的系統(tǒng)孔徑類型和值。在系統(tǒng)選項的系統(tǒng)孔徑 (Aperture) 選項卡下，選擇入瞳直徑 (Entrance Pupil Diameter) 作為孔徑類型 (Aperture Type) ，輸入孔徑值 (Aperture Value) : 25.0:

孔徑值 (The Aperture Value) 是用鏡頭單位定義的，在OpticStudio的大多數(shù)電子表格編輯器中，鏡頭單位定義了尺寸的度量單位。這些尺寸包括諸如曲率半徑、厚度、入瞳直徑和OpticStudio中的大多數(shù)其它參數(shù)。在開始設計之前定義系統(tǒng)單位是非常重要的。始終檢查以驗證系統(tǒng)鏡頭單位是否為您所期望的。

OpticStudio的鏡頭單位有四種選擇:毫米、厘米、英寸或米。就本設計而言，將使用毫米。在系統(tǒng)選項 (System Explorer) >單位 (Units) ，選擇鏡頭單位 (Lens Units) :毫米。

目前，其它系統(tǒng)設置可以保留為默認選項。

在OpticStudio中定義視場

OpticStudio中的視場在系統(tǒng)選項中的視場數(shù)據(jù) (Field Data) 對話框中定義。要訪問視場數(shù)據(jù)對話框，請在系統(tǒng)選項中選擇視場 (Fields) ，打開視場數(shù)據(jù)編輯器 (Open Field Data Editor) :

OpticStudio支持五種不同的模型來定義視場：

視場類型	說明
角度( Angle )（以度為單位）	主光線相對于物方空間Z軸的角度。根據(jù)定義，主光線穿過入瞳中心，因此測量了入瞳中心的視場角。正的視場角是指該方向光線為正斜率，因此指向遠處的物體坐標為負。這個選項在無限共軛時最有用。
物高( Object Height )	X和Y高度直接作用于物面 (OBJ) 的位置。高度單位為鏡頭單位。此選項不能在無限共軛情況下使用。
近軸像高( Paraxial Image Height )	像面上的近軸像高位置。這個選項對于固定框架尺寸的設計非常有用，例如照相機系統(tǒng)中的膠卷。這個選項只適用于可用近軸光學很好描述的系統(tǒng)。
實際像高( Real Image Height )	像面上的實際像高。這個選項對于固定框架尺寸的設計也很有用。但是，由于OpticStudio必須使用迭代方法來確定像平面上主光線的真實光線坐標，因此使用此選項的光線追跡稍微慢一些。
經緯角( Theodolite Angle )	極坐標角表示的水平角 θ 和豎直角 φ ，以度為單位。這些角度通常用于測量和天文學。

為了實現(xiàn)單透鏡設計的目的，我們將用角度定義視場。與使用單個視場表示水平視場角 (HFOV) 不同，三個視場將在5°范圍內定義:(0,0)、(0,3.5)和(0,5)。

OpticStudio標準版的視場數(shù)據(jù)編輯器最多可以輸入12個視場（專業(yè)版和旗艦版允許輸入更多視場）。每個視場中都可以設置一個權重，這在優(yōu)化中非常有用。但是，出于本設計的目的，所有視場權重都保留為1。在視場數(shù)據(jù)對話框的前三項中輸入三個視場，如下所示。要插入其它視場，可以使用鍵盤上的<Insert>鍵，或者<右鍵單擊>并選擇插入視場 (Insert Field) 。

您還應該看到這些數(shù)據(jù)填充在系統(tǒng)選項 (System Explorer) 的視場 (Fields) 部分。您現(xiàn)在可以選擇是否關閉視場數(shù)據(jù)編輯器 (Field Data Editor) 。

設置波長

將波長數(shù)據(jù)輸入到OpticStudio中的操作與輸入視場數(shù)據(jù)類似，只是波長數(shù)據(jù)輸入到波長數(shù)據(jù) (Wavelength Data) 對話框內。您可以通過選擇系統(tǒng)選項 (System Explorer) 訪問波長 (Wavelength) ，再雙擊設置 (Settings) 。

此單透鏡設計是純單色的（使用單一波長）。從最初的設計參數(shù)來看，使用的波長為0.6328 mm（HeNe激光器的波長）。

將這個波長輸入波長數(shù)據(jù) (Wavelength Data) 對話框，也可以在波長數(shù)據(jù)對話框底部的下拉菜單中選擇一個預先編輯好的的波長選項來輸入。默認情況下，F(xiàn)、d、C（可見光）是第一個選項。首先，從下拉菜單中選擇HeNe (.6328) ，然后按下“選為當前 (Select Preset) ” 選擇當前設計波長。OpticStudio將自動將這個波長放入第一項。

請注意，OpticStudio中的波長總是以微米為單位輸入的，而不考慮系統(tǒng)的鏡頭單位！也支持對單個波長進行加權，但是在這個設計中，我們將保持所有的權重統(tǒng)一。按下窗口右上角的“X”鍵關閉波長數(shù)據(jù)對話框。

插入表面

一旦確定了系統(tǒng)設置，就可以將每個表面的特定信息輸入鏡頭數(shù)據(jù)編輯器 (Lens Data Editor) 。重申一下，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的每一行表示一個表面。因此，由玻璃分隔的兩個表面組成一個單獨的元件。因此，對于單透鏡，總共需要4個表面:

物面 (OBJ) :光線發(fā)出的位置。
透鏡的前表面:光線進入透鏡的地方。對于這個設計，這里也是光闌 (STO) 。
透鏡的后表面:光線從后表面射入空氣。
像面 (IMA) :光線追跡停止的位置（始終是最后一個表面）。

默認情況下，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中只包含三個表面?？梢酝ㄟ^按鍵盤上的<Insert> ，或通過在表面上<右鍵單擊>并選擇插入表面 (Insert surface) ，將表面添加到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中。使用此方法，將在高亮光標當前所在的行之前添加一個表面。要在當前表面之后添加另一個表面，按下鍵盤上的<Ctrl + Insert>或右鍵單擊當前表面，然后選擇插入后續(xù)面 (Insert after) 。

由于光闌位于單透鏡的前表面，所以在表面1之后插入另一個表面（表示透鏡的后表面）。

鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的標注 (Comment) 列對于跟蹤每個表面表示的內容非常有用。要為一個表面輸入注釋，請高亮該單元格，并鍵入所需的文本。完成后，點擊<Enter>或使用箭頭鍵將光標移動到另一個單元格。在設計進程中編寫注釋是一個很好的習慣。對于單透鏡，通過在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的每個適當單元格中鍵入以下文本來標識每個表面。

輸入鏡頭數(shù)據(jù)

單透鏡由N-BK7玻璃制成。在OpticStudio中，材料用于區(qū)分透鏡前后表面。想通過輸入材料類型來區(qū)分兩個表面，只需在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中的適當單元格中鍵入材料名稱（本例中為N-BK7）。

OpticStudio自動將這種材料類型識別為內置玻璃庫 (Glass Catalog) 中編譯的眾多玻璃之一。玻璃庫包含了世界各地制造商提供的數(shù)百種玻璃的所有必要信息。OpticStudio將自動在其數(shù)據(jù)庫中查找這種玻璃，以確定每種設計波長下材料的折射率。

一旦將玻璃類型輸入到透鏡數(shù)據(jù)編輯器中，單片透鏡的透鏡厚度就可以輸入到表面1 (Surface 1) 的厚度欄中。由于厚度是沿光軸到下一個表面的距離，這就稱為透鏡元件的中心厚度。作為起始點，可以使用4 mm的厚度，因為它是孔徑為25 mm透鏡的合理中心厚度。在表面1的厚度列中鍵入值：4。注意，這個參數(shù)稍后將被設置為優(yōu)化變量。

同樣，第一個表面的曲率半徑和透鏡后表面與像面之間的厚度不需要預先確定，因為它們將被設置為優(yōu)化變量。目前，我們將保持表面1的曲率半徑為無窮大，并將表面2的厚度更改為100mm。將值100輸入到表面2的厚度列中。

求解

當光學設計存在約束時，保持這些約束的方法有兩種:

將影響這些約束的參數(shù)設置為變量，并將邊界約束添加到評價函數(shù)編輯器 (Merit Function Editor) 中（稍后將介紹）；
使用內置的求解功能來執(zhí)行約束，消除不必要的變量。

后一種選擇要好得多。雖然這兩種方法都可以調整透鏡參數(shù)以保持特定的約束，但邊界約束會減慢評價函數(shù)的執(zhí)行速度。

OpticStudio中有許多不同的求解類型，每個求解類型都有特定的用途。然而，該設計的性能指標只要求使用其中一個求解類型：設置系統(tǒng)F/#以保持所需的焦距。要打開求解對話框，可以單擊所需單元格右側的較小單元格?；谒x擇的參數(shù)，可以使用不同的求解類型。

為了保證系統(tǒng)F/#，可以在表面2的曲率半徑上放置F數(shù)求解 (F Number solve) 。F數(shù)求解調節(jié)最后一個光學表面的曲率以保證系統(tǒng)焦距。單擊表面2的曲率半徑單元格右側的框，打開曲率求解 (Curvature solve dialog) 對話框。選擇求解類型 (Solve Type) :F數(shù) (F Number) 并輸入F/#: 4。