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ZEMAX 在光学设计外形尺寸计算中的应用
发布时间：2017-09-01
光学系统设计就是根据使用仪器所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等[1，2]。因此，通常可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、像差校正和平衡以及像质评价。可见外形尺寸的计算是光学系统设计的首要因素，也为后续三个阶段奠定了基础。
光学系统的外形尺寸计算，即由理想光组所抽象出来的光学特征公式进行光组的初始计算，也就是以理想光组理论为基础，根据要求寻找和确定一个能满足要求的光学系统的整体方案。一个光学仪器的工作性能好坏，外形尺寸计算是关键，尤其对于复杂光学系统，如果外形尺寸计算不合理，严重的可致使仪器根本无法完成工作。在光学系统外形尺寸计算方面，以往均采用手工计算的方法。本文应用ZEMAX中近轴表面可以模拟理想薄透镜这一功能，将其应用到外形尺寸的优化计算中。
1 ZEMAX 进行外形尺寸计算的依据
光学系统的外形尺寸计算需要确定的结构内容包括系统的组成、各组元的焦距、各组元的相对位置和横向尺寸。为了简化各种类型光组的计算，可以把光学系统看成是由一系列薄透镜组成的光学系统，经简化后的光学系统就可以用理想光学系统的理论和公式进行计算。传统的光学系统外形尺寸是靠手工计算完成的，既浪费时间又容易出错，采用ZEMAX 进行外形尺寸优化计算可以避免上述问题，并能自动优化出合理的系统结构。
ZEMAX 支持大量的表面类型，如标准面、非球面、近轴面、自定义面型等，其中近轴表面用作理想薄透镜，它可以在复杂光学系统外形尺寸计算时模拟各个透镜组的光焦度，从而合理的布置光路，对外形尺寸计算的结果进行优化，确定合理的技术参数。
2 设计示例
2.1 十倍变焦距物镜设计
2.1.1 技术要求
接收器件采用 1/3 英寸彩色CCD，焦距 为22~220mm，相对孔径为 F/4，波段选取 0.4~0.9 m。2.1.2 外形尺寸计算
该变焦距物镜由前固定组、变倍组、补偿组及后固定组四部分组成，光阑置于补偿组与后固定组之间。应用 ZEMAX 中的近轴表面 Paraxial 模拟各组元结构，其焦距、间隔、口径等参数如表 1 镜头数据和表 2 多重结构所示。
表中给出了 22mm、80mm、150mm及 220mm四种焦距下数据，在多重结构表中可以看出，整个系统焦距的变化是通过改变前固定组与变倍组之间的间隔及光阑前、后空气间隔三个数值实现的。
为通过采用ZEMAX中近轴表面模拟四个组元结构后的光路图，由图可见，四种焦距下共轭距保持恒定，即可以实现在变倍过程中像面稳定。
2.1.3 设计结果
根据以上的外型尺寸计算结果，再经过初始结构计算、像差校正和平衡以及像质评价后的最终设计结果如图 2 所示，可见设计结果能够很好的吻合外形尺寸计算的光路结构。
对于变焦距物镜这种成像光学系统，合理的外形尺寸优化计算能够保证优良的成像质量，从而达到较高的分辨率要求。
2.2 激光光束整形光学系统设计
2.2.1 技术要求
2.2.1 技术要求
光源采用波长为 488nm的蓝光激光器，其光斑尺寸为 700 m，要求通过整形系统后得到 285m×8.5 m 的光斑。
2.2.2 外形尺寸计算
要得到椭圆形光斑需要应用柱面镜使两个相互垂直的 X 与 Y 方向的光焦度不同，从而实现不同的放大倍率。采用 ZEMAX 中的近轴表面 Paraxial及近轴XY表面ParaxialXY进行外形尺寸计算。
首先应用伽利略望远系统将 700 m 的圆形光斑整形为 285 m 的圆形光斑，然后在该整形系统后 10mm处放置一个柱面镜。从表 3 中可以看出，该柱面镜X方向的光焦度为零，Y方向的光焦度为0.1，得到 Y 方向光斑的半尺寸为 4.25 m，从近轴计算的点列图中可以看出 X 方向光斑的半尺寸为142.508 m，实现了 285 m×8.5 m 的椭圆形光斑。其中柱面镜与接收面之间距离是通过采用 ZEMAX中操作数控制光斑尺寸来自动追迹实现的。
2.2.3 设计结果
表 4 为根据上述外型尺寸优化计算后，采用ZEMAX 设计该整形系统的最终结果，其像面的 Y方向光斑的半尺寸为4.207798 m;图4为设计结果的点列图，其像面的 X 方向光斑的半尺寸为142.600 m。设计结果与外形尺寸吻合，并实现了285 m×8.5 m 的椭圆形光斑。
对于激光光斑整形系统这种能量系统，外形尺寸的优化计算比成像系统更为重要，因为它不需要过多的注重像差的校正与平衡，只要将其外形尺寸优化合理，设计结果就可以满足使用要求。
3 结论
通过对以上两种光学系统应用光学设计软件ZEMAX 进行外形尺寸的优化计算与实际设计结果相比较，证明该方法正确、可靠，且较传统手工计算方便、简单、准确性更高，能够得到光学系统较合理的初始布局。
摘自:中国计量测控网
