Oslo和Zemax的特點

Oslo是光學(xué)設(shè)計的專業(yè)軟件，比ZEMAX要好很多，業(yè)界一般這樣排列的，頂級CODE V然后OSLO然后ZEMAX。如果只是想學(xué)習(xí)OSLO的話，可以下載LT版的，可以設(shè)計十個面，對于一般的鏡頭設(shè)計足夠了?？梢試L試把OSLO優(yōu)化出的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到CODE V里邊，CODE V的建模比OSLO好一些！OSLO 是一套 處理光學(xué)系統(tǒng)的布局和優(yōu)化的代表性光學(xué)設(shè)計軟件。 最主要的，它是用來決定光學(xué)系統(tǒng)中最佳的組件大小和外型，例如照相機、客戶產(chǎn)品、通訊系統(tǒng)、軍事 /外太空應(yīng)用以及科學(xué)儀器等。除此之外，它也常用于仿真光學(xué)系統(tǒng)性能以及發(fā)展出一套對光學(xué)設(shè)計、測試和制造的專門軟件工具。OSLO的應(yīng)用范圍與領(lǐng)域: 照相機 / 高解析成像系統(tǒng)常規(guī)鏡頭 / 變焦鏡頭 / 透鏡數(shù)組高斯光束 / 激光腔光纖耦合光學(xué)非序列傳播系統(tǒng)感光偏振光學(xué)漸變式折射率表面 / 非球面 / 繞射表面干涉變形光學(xué)檢測儀器天文望遠鏡通信系統(tǒng)、軍事、太空運用精密醫(yī)學(xué)設(shè)備 :胃鏡、內(nèi)視鏡OSLO功能說明 :以設(shè)計者為導(dǎo)向的設(shè)計 OSLO強調(diào)相互應(yīng)用的光學(xué)設(shè)計，計算機對設(shè)計者提供一個令人簡易了解的返回消息，這允許設(shè)計者對于做一個關(guān)鍵性的應(yīng)用，提供了較好的解釋， OSLO在交互設(shè)計控制的使用上是獨一無二的，它的使用者界面越做越好。 提供能力及準(zhǔn)確性 OSLO使用高級的設(shè)計技術(shù)，包括多樣的最佳化及公差分析方法，高實行的非序列描光和推測來源模型的制造和分析。OSLO是第一套在桌上型計算機上使用的嚴謹光學(xué)設(shè)計程序，然而它已經(jīng)廣泛的被發(fā)展超過其他軟件。 適應(yīng)性 一個最初的理由OSLO變成導(dǎo)致在這世界的設(shè)計者選擇這個工具是由于它容易簡單去定做和適合程序的特性需要。OSLO利用高級軟件的技術(shù)帶領(lǐng)窗口進入技術(shù)演算能力范圍內(nèi)。事實上，OSLO提供CCL語言在應(yīng)用上可比較Sun‘s Java 或 Microsoft‘s Visual Basic軟件超過簡易微軟語言支持其他光學(xué)設(shè)計軟件。OSLO的特色 OSLO 是一套包含有幾百個內(nèi)建指令和功能的強大軟件，OSLO模塊常因使用者做更新和修補，這里不可能將所有OSLO軟件可以做的功能全部詳細編列出來，以下提供一般OSLO特色的概觀，但這并不是完全詳盡的目錄。透鏡和材質(zhì)數(shù)據(jù)庫特殊表面信息變焦和多結(jié)構(gòu)系統(tǒng)數(shù)組和非序列群特殊孔徑公差和組件信息極化和薄膜鍍膜光線追跡繞射和非同調(diào)優(yōu)化方法公差分析激光、光纖和高斯光束照明分析完美透鏡和 Eikonals 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計Zemax初學(xué)手冊 作者:veryce 提交日期:2005-07-02 10:46 ????第一版，2005年5月22日????內(nèi)容綱目:????前言????習(xí)作一:單鏡片Singlet????習(xí)作二:雙鏡片????習(xí)作三:牛頓望遠鏡????習(xí)作四:Schmidt-Cassegrain和aspheric corrector????習(xí)作五:multi-configuration laser beam expander????習(xí)作六:fold mirrors和coordinate breaks????習(xí)作七:使用Extra Date Editor， Optimization with Binary Surfaces????????前言???? 整個中華衛(wèi)星二號「紅色精靈」科學(xué)酬載計畫，其量測儀器基本上是個光學(xué)儀器。所以光學(xué)系統(tǒng)的分析乃至於設(shè)計與測試是整個酬載發(fā)展重要一環(huán)。???? 這份初學(xué)手冊提供初學(xué)者使用軟體作光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計練習(xí)，整個需要Zemax光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計軟體。它基本上是Zemax使用手冊中tutorial的中文翻譯，由蔡長青同學(xué)完成，并在Zemax E. E. 7.0上測試過。由於蔡長青同學(xué)不在參與「紅色精靈」計畫，所以改由黃曉龍同學(xué)接手進行校稿與獨立檢驗，整個內(nèi)容已在Zemax E. E. 8.0版上測試過。我們希望藉此初學(xué)手冊共有七個習(xí)作與后續(xù)更多的習(xí)作與文件，使團隊成員對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計有進一步的掌握。陳志隆注????回內(nèi)容綱目????習(xí)作一:單鏡片Singlet???????? 你將學(xué)到:啟用Zemax，如何鍵入wavelength，lens data，產(chǎn)生ray fan，OPD，spot diagrams，定義thickness solve以及variables，執(zhí)行簡單光學(xué)設(shè)計最佳化。???? 設(shè)想你要設(shè)計一個F/4單鏡片在光軸上使用，其focal length 為100mm，在可見光譜下，用BK7鏡片來作。???? 首先叫出ZEMAX的lens data editorLDE，什N是LDE呢？它是你要的工作場所，譬如你決定要用何種鏡片，幾個鏡片，鏡片的radius，thickness，大小，位置……等。???? 然后選取你要的光，在主選單system下，圈出wavelengths，依喜好鍵入你要的波長，同時可選用不同的波長等。現(xiàn)在在第一列鍵入0.486，以microns為單位，此為氫原子的F-line光譜。在第二、三列鍵入0.587及0.656，然后在primary wavelength上點在0.486的位置，primary wavelength主要是用來計算光學(xué)系統(tǒng)在近軸光學(xué)近似paraxial optics，即first-order optics下的幾個主要參數(shù)，如focal length，magnification，pupil sizes等。???? 再來我們要決定透鏡的孔徑有多大。既然指定要F/4的透鏡，所謂的F/#是什N呢？F/#就是光由無限遠入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直徑的比值。所以現(xiàn)在我們需要的aperture就是100/4=25mm。於是從system menu上選general data，在aper value上鍵入25，而aperture type被default為Entrance Pupil diameter。也就是說，entrance pupil的大小就是aperture的大小。???? 回到LDE，可以看到3個不同的surface，依序為OBJ，STO及IMA。OBJ就是發(fā)光物，即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照過來所遇到的第一個透鏡，你在設(shè)計一組光學(xué)系統(tǒng)時，STO可選在任一透鏡上，通常第一面鏡就是STO，若不是如此，則可在STO這一欄上按滑鼠，可前后加入你要的鏡片，於是STO就不是落在第一個透鏡上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面?；氐轿覀兊膕inglet，我們需要4個面 surface，於是在STO欄上，選取insert cifter，就在STO后面再插入一個鏡片，編號為2，通常OBJ為0，STO為1，而IMA為3。???? 再來如何輸入鏡片的材質(zhì)為BK7。在STO列中的glass欄上，直接打上BK7即可。又孔徑的大小為25mm，則第一面鏡合理的thickness為4，也是直接鍵入。再來決定第1及第2面鏡的曲率半徑，在此分別選為100及-100，凡是圓心在鏡面之右邊為正值，反之為負值。而再令第2面鏡的thickness為100。???? 現(xiàn)在你的輸入資料已大致完畢。你怎N檢驗?zāi)愕脑O(shè)計是否達到要求呢？選analysis中的fans，其中的Ray Aberration，將會把transverse的ray aberration對pupil coordinate作圖。其中ray aberration是以chief ray為參考點計算的?？v軸為EY的，即是在Y方個的aberration，稱作tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration稱為XZ plane或sagittal。???? Zemax主要的目的，就是幫我們矯正defocus，用solves就可以解決這些問題。solves是一些函數(shù)，它的輸入變數(shù)為curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相關(guān)的parameters等。parameters是用來描述或補足輸入變數(shù)solves的型式。如curvature的型式有chief ray angle，pick up，Marginal ray normal，chief ray normal，Aplanatic，Element power，concentric with surface等。而描述chief ray angle solves的parameter即為angle，而補足pick up solves的parameters為surface，scale factor兩項，所以parameters本身不是solves，要調(diào)整的變數(shù)才是solves的對象。???? 在surface 2欄中的thickness項上點兩下，把solve type從fixed變成Marginal Ray height，然后OK。這項調(diào)整會把在透鏡邊緣的光在光軸上的height為0，即paraxial focus。再次update ray fan，你可發(fā)現(xiàn)defocus已經(jīng)不見了。但這是最佳化設(shè)計嗎？再次調(diào)整surface 1的radius項從fixed變成variable，依次把surface 2的radius，及放棄原先的surface 2中thickness的Marginal Ray height也變成variable。再來我們定義一個Merit function，什N是Merit function呢？Merit function就是把你理想的光學(xué)要求規(guī)格定為一個標(biāo)準(zhǔn)如此例中focal length為100mm，然后Zemax會連續(xù)調(diào)整你輸入solves中的各種variable， 把計算得的值與你訂的標(biāo)準(zhǔn)相減就是Merit function值，所以Merit function值愈小愈好，挑出最小值時即完成variable設(shè)定，理想的Merit function值為0。???? 現(xiàn)在談?wù)勅绾卧O(shè)Merit function，Zemax 已經(jīng)default 一個內(nèi)建的merit function，它的功能是把RMS wavefront error 減至最低，所以先在editors中選Merit function，進入其中的Tools，再按Default Merit Function 鍵，再按ok，即我們選用default Merit function ，這還不夠，我們還要規(guī)定給merit function 一個focal length 為100的限制，因為若不給此限制則Zemax會發(fā)現(xiàn)focal length為??時，wavefront aberration的效果會最好，當(dāng)然就違反我們的設(shè)計要求。所以在Merit function editor第1列中往后插入一列，即顯示出第2列，代表surface 2，在此列中的type項上鍵入EFFLeffective focal length，同列中的target項鍵入100，weight項中定為1。跳出Merit function editor，在Tools中選optimization項，按Automatic鍵，完畢后跳出來，此時你已完成設(shè)計最佳化。重新檢驗ray fan，這時maximum aberration已降至200 microns。???? 其他檢驗optical performance還可以用Spot Diagrams及OPD等。從Analysis中選spot diagram中的standard，則該spot大約為400 microns上下左右交錯，與Airy diffraction disk比較而言，后者大約為6 microns交錯。???? 而OPD為optical path difference跟chief ray作比較，亦從Analysis中挑選，從Fans中的Optical Path，發(fā)現(xiàn)其中的aberration大約為20 waves，大都focus，并且spherical，spherochromatism及axial color。 Zemax 另外提供一個決定first order chromatic abberation 的工具，即 the chromatic focal shift plot，這是把各種光波的back focal length跟在paraxial上用primary wavelength 計算出first order的focal length之間的差異對輸出光波的wavelength 作圖，圖中可指出各光波在paraxial focus上的variation。從Analysis中Miscellaneous項的Chromatic Focal Shift即可叫出。????回內(nèi)容綱目????●習(xí)作二:雙鏡片???????? 你將學(xué)到:畫出layouts和field curvature plots，定義edge thickness solves， field angles等。???????? 一個雙鏡片是由兩片玻璃組成，通常黏在一起，所以他們有相同的curvature。藉著不同玻璃的dispersion性質(zhì)，the chromatic aberration可以矯正到first order所以剩下的chromatic aberration主要的貢獻為second order，於是我們可以期待在看chromatic focal shift plot圖時，應(yīng)該呈現(xiàn)出parabolic curve的曲線而非一條直線，此乃second order effect的結(jié)果當(dāng)然其中variation的scale跟first order比起來必然小很多，應(yīng)該下降一個order。???????? 跟習(xí)作一一樣，我們?nèi)匀灰O(shè)計一個在光軸上成像，focal length為100mm的光學(xué)系統(tǒng)，只不過這次我們用兩塊玻璃來設(shè)計。???? 選用BK7和SF1兩種鏡片，wavelength和aperture如同習(xí)作一所設(shè)，既然是doublet，你只要在習(xí)作一的LDE上再加入一面鏡片即可。所以叫出習(xí)作一的LDE，在STO后再插入一個鏡片，標(biāo)示為2，或者你也可以在STO前在插入一面鏡片標(biāo)示為1，然后在該鏡片上的surface type上用滑鼠按一下，然后選擇Make Surface Stop，則此地一面鏡就變成STO的位置。在第一、第二面鏡片上的Glass項目鍵入BK7即SF1，因為在BK7和SF1之間并沒有空隙，所以此doublet為相黏的二鏡片，如果有空隙則需5面鏡因為在BK7和SF1間需插入另一鏡片