技術摘記

1999-07-30 光學系統設計(Zemax初學手冊)

建立於 2010-12-13, 週一

 

●習作二:雙鏡片

你將學到: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,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,應該呈現出parabolic curve的曲線而非一條直線,此乃second order effect的結果(當然其中variation的scale跟first order比起來必然小很多,應該下降一個order)。

跟習作一一樣,我們仍然要設計一個在光軸上成像,focal length為100mm的光學系統,只不過這次我們用兩塊玻璃來設計。

選用BK7和SF1兩種鏡片,wavelength和aperture如同習作一所設,既然是doublet,你只要在習作一的LDE上再加入一面鏡片即可。所以叫出習作一的LDE,在STO後再插入一個鏡片,標示為2,或者你也可以在STO前在插入一面鏡片標示為1,然後在該鏡片上的surface type上用滑鼠按一下,然後選擇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之間並沒有空隙,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,其glass type為air。現在把STO旱地二面鏡的thickness都fixed為3,僅第3面鏡的thickness為100且設為variable,既然要最佳化,還是要設merit function,注意此時EFFL需設在第三面鏡上,因為第3面鏡是光線在成像前穿過的最後一面鏡,又EFFL是以光學系統上的最後一塊鏡片上的principle plane的位置起算。其他的merit function設定就一切照舊。

既然我們只是依習作一上的設計規範,只不過再加一面SF1鏡片而已,所以其他的merit function設定就一切照舊。現在執行optimization,程序如同習作一,在optimization結束後,你再叫出Chromatic Focal Shift來看看,是否發現first order的chromatic aberration已經被reduced,剩下的是second order chromatic aberration在主宰,所以圖形呈現出來的是一個parabolic curve,而且現在shift的大小為74 microns,先前習作一為1540 microns。

再看其他的performance效果,叫出Ray aberration,此時maximum transverse ray aberration已由習作一的200 microns降至20 microns。而且3個不同波長通過原點的斜率大約一致,這告訴我們對每個wavelength的relative defocus為很小。再者,此斜率不為0(比較習作一Fig E1-2),這告訴我們什麼訊息呢?如果斜率為0,則在pupil coordinate原點附近作一些變動則並不產生aberration代表defocus並不嚴重,而aberration產生的主要因素為spherical aberration。故相對於習作一(比較他們座標的scale及通過原點的斜率),現在spherical aberration已較不嚴重(因為aberration scale已降很多),而允許一點點的defocus出現,而出現在rayfan curve的S形狀,是典型的spherical balanced by defocus的情況。現在我們已確定得到較好的performance,但實際上的光學系統長的什麼樣子呢?選擇Analysis,Layout,2D Layout,除了光學系統的擺設外,你還會看到3條分別通過entrance pupil的top,center,bottom在空間被trace出來,他們的波長是一樣的,就是你定的primary wavelength(在此為surface 1)。這是Zemax default的結果。

但是現在還有一個問題,我們憑直覺定出STO的thickness為3,但是真正在作鏡片的時候,STO和surface 2鏡面會不會互相交錯穿出,即在edge的thickness值為正數或負數,還有是不是應該改一下設計使lens的aperature比diameter小,如此我們可預留些邊緣空間來磨光或架鏡。

於是我們可能更改的是diameter,STO的thickness來解決上述問題。先在STO的diameter上鍵入14來蓋過12.5,此時會有一個”U”字出現代表user define,現在設想我們要edge thickness固定為3mm,可是你或許會問這樣系統豈不是弄亂了嗎?defocus又會出現,關鍵是再一次執行optimization即可。在STO的thickness上按一下,選擇Edge Thickness項目,則會出現”Thickness”及”Radial Height”兩項,設thickness為3及radial height為0(若radial height為0,則Zemax就使定user define的semi-thickness)按OK跳出,你會發現STO的thickness已改變,且會出現一個”E”字代表an active thickness solve在該項的parameter上。

既然edge thickness已改變,所以focal length也一定有些許變動,為了維持原有的EFFL,現在再執行optimization一次即可。現在我們想看看off-axis的performance,從system的Fields中的Field Data,選用3個field來作比較,怎麼選呢?在第2及第3個列中的”Use”項中各按一下,在第2列的y field行中鍵入7(即7 degree),在第3列中鍵入10,第一列則讓它為0即持續on-axis。而設所有的x field皆為0,對一個rotational對稱的系統而言,他們的值很小,按OK鍵跳出。現在Update rayfan,你可看到如Figure E2-4之圖。圖中T代表tangential,S為sagittal,結果顯示off-axis的performance很差,這是因為一開始我們就設計系統在on-axis上來作optimization,這些aberration可以用field
curvature plot來估計,選Analysis中,Miscellaneous的Field Curv/Dist。則出現如Figure E2-5的圖,左圖表示shift in paraxial focus為field angle的函數,而右圖為real ray的distortion,以paraxial ray為參考ray。在field curvature plot的訊息也可從rayfans中得知,為field curvature plot是正比於在rayfan plot中通過原點的斜率。

 

 

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