Ansys Zemax | 如何設計單透鏡 第一部分：設置
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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，介紹了設計透鏡的基本過(guò)程，包括構建系統(第1部分)、分析其性能(第2部分)，以及根據所需的指標參數和設計約束對其進(jìn)行優(yōu)化(第3部分)。
簡(jiǎn)介
單透鏡為OpticStudio中建模最簡(jiǎn)單的成像系統。盡管如此，這個(gè)簡(jiǎn)單的成像系統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(lái)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(hù)界面的序列模式 (Sequential mode) ，然后重點(diǎn)介紹如何使用系統選項 (System Explorer) 和鏡頭數據編輯器 (Lens Data Editor) 正確設置單透鏡。它還解釋了如何使用求解 (Solves) 來(lái)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。（持續關(guān)注即將更新后續部分內容）
鏡頭分類(lèi)參數和設計約束
在這個(gè)練習中，我們將設計和優(yōu)化一個(gè)玻璃材料為N-BK7， F數為4的單透鏡。最終設計方案應滿(mǎn)足以下規格和約束條件：
規格 | 約束 |
焦距 | 100 mm |
半視場(chǎng)角 (SFOV) | 5 ° |
波長(cháng) | 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(chǎng) RMS 均方根半徑平均值 |
物體位置 | 無(wú)窮遠 |
使用給定OpticStudio的用戶(hù)界面和可用的工具，可以很容易地建模和優(yōu)化單透鏡！
鏡頭數據編輯器
在計算機輔助序列透鏡設計中，光線(xiàn)按其排列的順序從一個(gè)表面追跡到下一個(gè)表面。為此，OpticStudio使用一種名為鏡頭數據編輯器 (LDE) 的電子表格。
打開(kāi)OpticStudio后，OpticStudio主窗口（工作區）中將出現一個(gè)空白的鏡頭數據編輯器。除了工作區中的鏡頭數據編輯器，您還將看到一個(gè)標題欄，其中指定打開(kāi)的窗口的類(lèi)型；菜單(Ribbon)欄，其中提供對OpticStudio所有特性的訪(fǎng)問(wèn)；以及窗口頂部的快速訪(fǎng)問(wèn)工具欄 (Quick Access Toolbar) 。在左邊，您將看到系統選項 (System Explorer) ，其中包含有關(guān)當前設計的特定系統信息。在序列模式下，鏡頭數據編輯器是主要的電子表格，其中輸入了大部分鏡頭數據。部分主要輸入項包括:
列名稱(chēng) | 描述 |
表面類(lèi)型 (Surface Type) | 表面類(lèi)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域 |
曲率半徑 (Radius) | 鏡頭單位定義的表面曲率半徑（曲率的倒數） |
厚度 (Thickness) | 鏡頭單位定義的厚度，區分當前和其后表面頂點(diǎn) |
材料 (Material) | 材料類(lèi)型（玻璃、空氣等），區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 |
鏡頭數據編輯器中的每一行表示一個(gè)表面。在OpticStudio序列模式中，每個(gè)光學(xué)系統從物面 (OBJ) 開(kāi)始，到像面 (IMA) 結束。除了物面和像面外，剩余表面中的一個(gè)表面必須定義為光闌 (STOP) 。
通過(guò)在高亮單元格中鍵入所需的值，可以將數據輸入到鏡頭數據編輯器中。光標鍵或鼠標可以將高亮欄移動(dòng)到所需的任何一欄。
定義系統設置
大多數情況下，系統孔徑是開(kāi)始新設計時(shí)定義的第一個(gè)參數。系統孔徑不僅決定了OpticStudio將通過(guò)光學(xué)系統光線(xiàn)追跡的光束的大小，還決定了物面上每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)發(fā)出光線(xiàn)的初始方向余弦。系統孔徑可由多種類(lèi)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(dòng) (Float By Stop Size) 等。每種類(lèi)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) >系統組 (System Group) >系統選項 (System Explorer) >系統孔徑 (Aperture) ”。
入瞳直徑可能是最常用的系統孔徑類(lèi)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(wú)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(gè)值是在哪里輸入到OpticStudio的呢?系統孔徑以及其它系統特定設置都由系統選項 (System Explorer) 設置。通常，系統資源管理器已經(jīng)打開(kāi)，但如果不是，您可以通過(guò)打開(kāi)設置 (Setup) > 系統選項 (System Explorer) 訪(fǎng)問(wèn)它:
一旦打開(kāi)系統選項，我們就可以為當前的設計輸入合適的系統孔徑類(lèi)型和值。在系統選項的系統孔徑 (Aperture) 選項卡下，選擇入瞳直徑 (Entrance Pupil Diameter) 作為孔徑類(lèi)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中的大多數其它參數。在開(kāi)始設計之前定義系統單位是非常重要的。始終檢查以驗證系統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。在系統選項 (System Explorer) >單位 (Units) ，選擇鏡頭單位 (Lens Units) :毫米。
目前，其它系統設置可以保留為默認選項。
在OpticStudio中定義視場(chǎng)
OpticStudio中的視場(chǎng)在系統選項中的視場(chǎng)數據 (Field Data) 對話(huà)框中定義。要訪(fǎng)問(wèn)視場(chǎng)數據對話(huà)框，請在系統選項中選擇視場(chǎng) (Fields) ，打開(kāi)視場(chǎng)數據編輯器 (Open Field Data Editor) :
OpticStudio支持五種不同的模型來(lái)定義視場(chǎng)：
視場(chǎng)類(lèi)型 | 說(shuō)明 |
角度( Angle )（以度為單位） | 主光線(xiàn)相對于物方空間Z軸的角度。根據定義，主光線(xiàn)穿過(guò)入瞳中心，因此測量了入瞳中心的視場(chǎng)角。正的視場(chǎng)角是指該方向光線(xiàn)為正斜率，因此指向遠處的物體坐標為負。 這個(gè)選項在無(wú)限共軛時(shí)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(wú)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(gè)選項對于固定框架尺寸的設計非常有用，例如照相機系統中的膠卷。 這個(gè)選項只適用于可用近軸光學(xué)很好描述的系統。 |
實(shí)際像高( Real Image Height ) | 像面上的實(shí)際像高。這個(gè)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(lái)確定像平面上主光線(xiàn)的真實(shí)光線(xiàn)坐標，因此使用此選項的光線(xiàn)追跡稍微慢一些。 |
經(jīng)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(xué)。 |
為了實(shí)現單透鏡設計的目的，我們將用角度定義視場(chǎng)。與使用單個(gè)視場(chǎng)表示水平視場(chǎng)角 (HFOV) 不同，三個(gè)視場(chǎng)將在5°范圍內定義:(0,0)、(0,3.5)和(0,5)。
OpticStudio標準版的視場(chǎng)數據編輯器最多可以輸入12個(gè)視場(chǎng)（專(zhuān)業(yè)版和旗艦版允許輸入更多視場(chǎng)）。每個(gè)視場(chǎng)中都可以設置一個(gè)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(chǎng)權重都保留為1。在視場(chǎng)數據對話(huà)框的前三項中輸入三個(gè)視場(chǎng)，如下所示。要插入其它視場(chǎng)，可以使用鍵盤(pán)上的<Insert>鍵，或者<右鍵單擊>并選擇插入視場(chǎng) (Insert Field) 。
您還應該看到這些數據填充在系統選項 (System Explorer) 的視場(chǎng) (Fields) 部分。您現在可以選擇是否關(guān)閉視場(chǎng)數據編輯器 (Field Data Editor) 。
設置波長(cháng)
將波長(cháng)數據輸入到OpticStudio中的操作與輸入視場(chǎng)數據類(lèi)似，只是波長(cháng)數據輸入到波長(cháng)數據 (Wavelength Data) 對話(huà)框內。您可以通過(guò)選擇系統選項 (System Explorer) 訪(fǎng)問(wèn)波長(cháng) (Wavelength) ，再雙擊設置 (Settings) 。
此單透鏡設計是純單色的（使用單一波長(cháng)）。從最初的設計參數來(lái)看，使用的波長(cháng)為0.6328 mm（HeNe激光器的波長(cháng)）。
將這個(gè)波長(cháng)輸入波長(cháng)數據 (Wavelength Data) 對話(huà)框，也可以在波長(cháng)數據對話(huà)框底部的下拉菜單中選擇一個(gè)預先編輯好的的波長(cháng)選項來(lái)輸入。默認情況下，F、d、C（可見(jiàn)光）是第一個(gè)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(cháng)。OpticStudio將自動(dòng)將這個(gè)波長(cháng)放入第一項。
請注意，OpticStudio中的波長(cháng)總是以微米為單位輸入的，而不考慮系統的鏡頭單位！也支持對單個(gè)波長(cháng)進(jìn)行加權，但是在這個(gè)設計中，我們將保持所有的權重統一。按下窗口右上角的“X”鍵關(guān)閉波長(cháng)數據對話(huà)框。
插入表面
一旦確定了系統設置，就可以將每個(gè)表面的特定信息輸入鏡頭數據編輯器 (Lens Data Editor) 。重申一下，鏡頭數據編輯器中的每一行表示一個(gè)表面。因此，由玻璃分隔的兩個(gè)表面組成一個(gè)單獨的元件。因此，對于單透鏡，總共需要4個(gè)表面:
物面 (OBJ) :光線(xiàn)發(fā)出的位置。
透鏡的前表面:光線(xiàn)進(jìn)入透鏡的地方。對于這個(gè)設計，這里也是光闌 (STO) 。
透鏡的后表面:光線(xiàn)從后表面射入空氣。
像面 (IMA) :光線(xiàn)追跡停止的位置（始終是最后一個(gè)表面）。
默認情況下，鏡頭數據編輯器中只包含三個(gè)表面?？梢酝ㄟ^(guò)按鍵盤(pán)上的<Insert> ，或通過(guò)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據編輯器中。使用此方法，將在高亮光標當前所在的行之前添加一個(gè)表面。要在當前表面之后添加另一個(gè)表面，按下鍵盤(pán)上的<Ctrl + Insert>或右鍵單擊當前表面，然后選擇插入后續面 (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(gè)表面（表示透鏡的后表面）。
鏡頭數據編輯器中的標注 (Comment) 列對于跟蹤每個(gè)表面表示的內容非常有用。要為一個(gè)表面輸入注釋?zhuān)埜吡猎搯卧?，并鍵入所需的文本。完成后，點(diǎn)擊<Enter>或使用箭頭鍵將光標移動(dòng)到另一個(gè)單元格。在設計進(jìn)程中編寫(xiě)注釋是一個(gè)很好的習慣。對于單透鏡，通過(guò)在鏡頭數據編輯器中的每個(gè)適當單元格中鍵入以下文本來(lái)標識每個(gè)表面。
輸入鏡頭數據
單透鏡由N-BK7玻璃制成。在OpticStudio中，材料用于區分透鏡前后表面。想通過(guò)輸入材料類(lèi)型來(lái)區分兩個(gè)表面，只需在透鏡數據編輯器中的適當單元格中鍵入材料名稱(chēng)（本例中為N-BK7）。
OpticStudio自動(dòng)將這種材料類(lèi)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百種玻璃的所有必要信息。OpticStudio將自動(dòng)在其數據庫中查找這種玻璃，以確定每種設計波長(cháng)下材料的折射率。
一旦將玻璃類(lèi)型輸入到透鏡數據編輯器中，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(gè)表面的距離，這就稱(chēng)為透鏡元件的中心厚度。作為起始點(diǎn)，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(gè)參數稍后將被設置為優(yōu)化變量。
同樣，第一個(gè)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(wú)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(xué)設計存在約束時(shí)，保持這些約束的方法有兩種:
將影響這些約束的參數設置為變量，并將邊界約束添加到評價(jià)函數編輯器 (Merit Function Editor) 中（稍后將介紹）；
使用內置的求解功能來(lái)執行約束，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以保持特定的約束，但邊界約束會(huì )減慢評價(jià)函數的執行速度。
OpticStudio中有許多不同的求解類(lèi)型，每個(gè)求解類(lèi)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(gè)求解類(lèi)型：設置系統F/#以保持所需的焦距。要打開(kāi)求解對話(huà)框，可以單擊所需單元格右側的較小單元格?；谒x擇的參數，可以使用不同的求解類(lèi)型。
為了保證系統F/#，可以在表面2的曲率半徑上放置F數求解 (F Number solve) 。F數求解調節最后一個(gè)光學(xué)表面的曲率以保證系統焦距。單擊表面2的曲率半徑單元格右側的框，打開(kāi)曲率求解 (Curvature solve dialog) 對話(huà)框。選擇求解類(lèi)型 (Solve Type) :F數 (F Number) 并輸入F/#: 4。
輸入求解設置后，要關(guān)閉求解對話(huà)框，請按鍵盤(pán)上的<Enter>。
一旦設置了F數求解，OpticStudio將自動(dòng)調整半徑，以保持所需的F/#。換句話(huà)說(shuō)，只要改變透鏡參數，系統就會(huì )自動(dòng)重新計算一個(gè)解。曲率半徑旁邊的字母“F”表示F數求解設置已完成。
現在，單透鏡已經(jīng)建立完成，我們將在《如何設計單透鏡 ，第二部分：分析》中解釋如何可視化和評估系統性能，請期待后續更新。
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