Ansys Zemax | 如何設(shè)計單透鏡 第一部分：設(shè)置
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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(jìn)行操作。本文以單透鏡為例，介紹了設(shè)計透鏡的基本過程，包括構(gòu)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(biāo)參數(shù)和設(shè)計約束對其進(jìn)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(shè)計可以幫助您了解OpticStudio的界面，了解基本的設(shè)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(xué)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(shè)置單透鏡。它還解釋了如何使用求解 (Solves) 來強制設(shè)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(shè)計約束下獲得更好的性能。（持續(xù)關(guān)注即將更新后續(xù)部分內(nèi)容）
鏡頭分類參數(shù)和設(shè)計約束
在這個練習(xí)中，我們將設(shè)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(shè)計方案應(yīng)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(biāo)準(zhǔn) | 全視場 RMS 均方根半徑平均值 |
物體位置 | 無窮遠(yuǎn) |
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(shè)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(biāo)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(guān)當(dāng)前設(shè)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(biāo)準(zhǔn)面 (Standard) 、偶次非球面 (Even Aslphere) 、衍射光柵 (Diffraction Grating) 等） |
標(biāo)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(dāng)前和其后表面頂點 |
材料 (Material) | 材料類型（玻璃、空氣等），區(qū)分當(dāng)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(xué)系統(tǒng)從物面 (OBJ) 開始，到像面 (IMA) 結(jié)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(biāo)鍵或鼠標(biāo)可以將高亮欄移動到所需的任何一欄。
定義系統(tǒng)設(shè)置
大多數(shù)情況下，系統(tǒng)孔徑是開始新設(shè)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(xué)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(yīng)部分有更詳細(xì)的定義:“設(shè)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(dāng)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(shè)置都由系統(tǒng)選項 (System Explorer) 設(shè)置。通常，系統(tǒng)資源管理器已經(jīng)打開，但如果不是，您可以通過打開設(shè)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(dāng)前的設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置可以保留為默認(rèn)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(yuǎn)處的物體坐標(biāo)為負(fù)。 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(shè)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(xué)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(shè)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(biāo)，因此使用此選項的光線追跡稍微慢一些。 |
經(jīng)緯角( Theodolite Angle ) | 極坐標(biāo)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(xué)。 |
為了實現(xiàn)單透鏡設(shè)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(nèi)定義:(0,0)、(0,3.5)和(0,5)。
OpticStudio標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置一個權(quán)重，這在優(yōu)化中非常有用。但是，出于本設(shè)計的目的，所有視場權(quán)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(yīng)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(guān)閉視場數(shù)據(jù)編輯器 (Field Data Editor) 。
設(shè)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(nèi)。您可以通過選擇系統(tǒng)選項 (System Explorer) 訪問波長 (Wavelength) ，再雙擊設(shè)置 (Settings) 。
此單透鏡設(shè)計是純單色的（使用單一波長）。從最初的設(shè)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(yù)先編輯好的的波長選項來輸入。默認(rèn)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(dāng)前 (Select Preset) ” 選擇當(dāng)前設(shè)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(jìn)行加權(quán)，但是在這個設(shè)計中，我們將保持所有的權(quán)重統(tǒng)一。按下窗口右上角的“X”鍵關(guān)閉波長數(shù)據(jù)對話框。
插入表面
一旦確定了系統(tǒng)設(shè)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(jìn)入透鏡的地方。對于這個設(shè)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(rèn)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(biāo)當(dāng)前所在的行之前添加一個表面。要在當(dāng)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(dāng)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(biāo)注 (Comment) 列對于跟蹤每個表面表示的內(nèi)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(biāo)移動到另一個單元格。在設(shè)計進(jìn)程中編寫注釋是一個很好的習(xí)慣。對于單透鏡，通過在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的每個適當(dāng)單元格中鍵入以下文本來標(biāo)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(dāng)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(nèi)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(shè)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(shè)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(yù)先確定，因為它們將被設(shè)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(dāng)光學(xué)設(shè)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(shè)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(nèi)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(diào)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(shè)計的性能指標(biāo)只要求使用其中一個求解類型：設(shè)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(cè)的較小單元格。基于所選擇的參數(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(diào)節(jié)最后一個光學(xué)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(cè)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。
輸入求解設(shè)置后，要關(guān)閉求解對話框，請按鍵盤上的<Enter>。
一旦設(shè)置了F數(shù)求解，OpticStudio將自動調(diào)整半徑，以保持所需的F/#。換句話說，只要改變透鏡參數(shù)，系統(tǒng)就會自動重新計算一個解。曲率半徑旁邊的字母“F”表示F數(shù)求解設(shè)置已完成。
現(xiàn)在，單透鏡已經(jīng)建立完成，我們將在《如何設(shè)計單透鏡 ，第二部分：分析》中解釋如何可視化和評估系統(tǒng)性能，請期待后續(xù)更新。
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