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

光學系統設計(Zemax初學手冊)

 

蔡長青

ISUAL 計畫團隊

focal length

國立成功大學物理系

(第一版,1999年7月29日)

 

內容綱目:

前言

習作一:單鏡片(Singlet)

習作二:雙鏡片

習作三:牛頓望遠鏡

習作四:Schmidt-Cassegrain和aspheric corrector

習作五:multi-configuration laser beam expander

習作六:fold mirrors和coordinate breaks

習作七:使用Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces


 

前言


整個福爾摩沙衛星二號「紅色精靈」科學酬載計畫,其量測儀器基本上是個光學儀器。所以光學系統的分析乃至於設計與測試是整個酬載發展重要一環。

這份初學手冊提供初學者使用軟體作光學系統設計練習,整個需要Zemax光學系統設計軟體。它基本上是Zemax使用手冊中tutorial的中文翻譯,由蔡長青同學完成,並在Zemax E. E. 7.0上測試過。由於蔡長青同學不在參與「紅色精靈」計畫,所以改由黃曉龍同學接手進行校稿與獨立檢驗,整個內容已在Zemax E. E. 8.0版上測試過。我們希望藉此初學手冊(共有七個習作)與後續更多的習作與文件,使團隊成員對光學系統設計有進一步的掌握。(陳志隆註)

 

 


 

習作一:單鏡片(Singlet)

你將學到:啟用Zemax,如何鍵入wavelength,lens data,產生ray fan,OPD,spot diagrams,定義thickness solve以及variables,執行簡單光學設計最佳化。

設想你要設計一個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 editor(LDE),什麼是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。

然後選取你要的光,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,然後在primary wavelength上點在0.486的位置,primary wavelength主要是用來計算光學系統在近軸光學近似(paraxial optics,即first-order optics)下的幾個主要參數,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/#是什麼呢?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。所以現在我們需要的aperture就是100/4=25(mm)。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,你在設計一組光學系統時,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,可前後加入你要的鏡片,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。回到我們的singlet,我們需要4個面 (surface),於是在STO欄上,選取insert cifter,就在STO後面再插入一個鏡片,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。

現在你的輸入資料已大致完畢。你怎麼檢驗你的設計是否達到要求呢?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。縱軸為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,它的輸入變數為curvatures,thickness,glasses,semi-diameters,conics,以及相關的parameters等。parameters是用來描述或補足輸入變數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,要調整的變數才是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,然後OK。這項調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,你可發現defocus已經不見了。但這是最佳化設計嗎?再次調整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,什麼是Merit function呢?Merit function就是把你理想的光學要求規格定為一個標準(如此例中focal length為100mm),然後Zemax會連續調整你輸入solves中的各種variable, 把計算得的值與你訂的標準相減就是Merit function值,所以Merit function值愈小愈好,挑出最小值時即完成variable設定,理想的Merit function值為0。

現在談談如何設Merit function,Zemax 已經default 一個內建的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會發現focal length為時,wavefront aberration的效果會最好,當然就違反我們的設計要求。所以在Merit function editor第1列中往後插入一列,即顯示出第2列,代表surface 2,在此列中的type項上鍵入EFFL(effective 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,完畢後跳出來,此時你已完成設計最佳化。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,後者大約為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,發現其中的aberration大約為20 waves,大都focus,並且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。

 

 


 

●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。

 

 


 

●習作三:牛頓望遠鏡

你將學到:使用mirrors,conic constants,coordinate breaks,three dimensional layouts,obscurations。

牛頓望遠鏡是最簡單的矯正所有on-axis aberrations的望眼鏡。牛頓望遠鏡是利用一個簡單的parabolic mirror完美地矯正所有order的spherical aberration,因為我們只在optical axis上使用,除spherical aberration外並沒有其他的aberration。

假想要設計一個1000mm F/5的望遠鏡,我們需要一個具有2000mm的curvature及200mm的aperture。在surface 1即STO上的curvature項中鍵入-2000 mm,負號表示對object而言,其曲面為concave,即曲面對發光源而言是內彎的。在thickness項中鍵入-1000,負路表示光線沒有透過mirror而是反射回來,在Glass項中鍵入MIRROR,最後在System的General項中的aperture中鍵入200。

Wavelength選用0.550,field angel則為0。現在看看spot diagram,你會看到一個77.6 microns RMS的spot diagram,而一個很方便估算image quality的方法就是在spot diagram的頂端上再superimpose一個Airy diffraction ring。從spot diagram的menu bar選擇Setting,在Show Scale上選”Airy Disk”,結果如圖Figure E3-1所示,你會發現和選”scale bar”的結果是一樣的。圖中所列的RMS spot size選”Airy Disk”為77.6 microns。光線並沒有diffraction-limited的原因是因為我們還沒有設定conic constant。先前我們設定的curvature的值為-2000只是定義一個球面,若要定義一個拋物面鏡,則在STO的Conic項中尚需鍵入-1,接下來Update spot diagram,你會看到”Airy ring”為一個黑圈,而光線則聚集在圈內中心上,RMS值為0。

可惜的是,成像的位置很不好,所謂的不好是它位於在入射光的路徑上,若你要看這個像的話,你的觀看位置剛好擋住入射光。改善的方法是在反射鏡的後面再放一個折鏡,fold mirror(後面是相對於成像點而言)。這個fold mirror相對於光軸的傾斜角度為45,把像往上提離光軸。因為進來的光束為200mm寬,因此成像平面至少在離光軸100mm的上方,如此”看”像的時候才不會擋住入射光。我們決定用200mm,而fold mirror離先前的反射鏡面為800mm,因為200+800=1000等於原先在STO上的thickness,即成像”距離”不變。操作如下,先把STO的thickness改為-800,然後在imagine plane前插入一個dummy surface,為何要插入dummy surface呢?又dummy surface是什麼呢?dummy surface的目的只是在幫助我們把fold mirror的位置標示出來,本身並不具真實的光學鏡片意義,也不參予光學系統的任何”反應”,所以稱為dummy surface。怎麼插入dummy surface呢?先在image plane前面插入一個surface,這個surface很快地就會被轉變成fold mirror,但是你不要自己在surface type處去改變它成為fold mirror,而是選Tools中的Add Fold Mirror,並在其”fold surface”處選”2”代表定義surface 2為fold mirror,完成後你將看到如Zemax P.31頁中LED的表。或許你會問,表中surface type處在surface 2及4中皆為Coord Break,這又是什麼?coordinate break surface是在目前的系統內定義一個新座標系統,它總是用dummy surface的觀念用來作ray tracing的目的。而在描述此新座標系統中,通常選用6個不同參數,即x-decenter,y-dencenter,tiltx,tilty,tiltz及一個flag來指示tilting或decentration的order。

要注意的是,coordinate break總是相對於”current”而”global”的coordinate system,即只是在一個系統內部,若要改變某樣物件的位置或方向,我們即利用coordinate break來作此物件的區域調整,而不用重新改變所有的系統各部份。Coordinate break就像是一個平面指向調整後的局部系統的方位。然而coordinate break surface絕不會顯示出來。而它的glass項中顯示為”-“代表不能鍵入,而它的surface
type型式一定跟它前一面鏡的glass type一致。現在我們來看看layout,不能選2D(2D只能看rotational symmetric systems),要用3D看,叫出layout後,按↑↓ 或page down or up可以看立體效果,這個設計尚可再作改善,首先入射光打到fold mirror背後的部份可以vignetted,這在實際的系統中是一個很重要的思量。在STO的前面插入一個surface,令這個surface的thickness為900,在surface type中的Aperture Type還為”Circular Obscuration”,在Max Radius鍵入40,因為fold mirror的semi-diameter為31,如此才能遮蔽。Update 3D layout,如看不到像Figure E3-3的圖,則在3D layout的setting項中改變the first surface和the last surface分別為1及6即可。

 

 


 

●習作四:Schmidt-Cassegrain和aspheric corrector

你將學到:使用polynomial aspheric surface, obscurations, apertures, solves, optimization, layouts, MTF plots.

本習作是完成Schmidt-Cassegrain及polynomial aspheric corrector plate。這個設計是要在可見光譜中使用。我們要一個10inches的aperture和10inches的back focus。開始設計之初,先把primary corrector System, General, 在aperture value中鍵入10,同在一個screen把unit” illimeters”改為”Inches”。再來把Wavelength設為3個,分別為0.486,0.587,0.656,0.587定為primary wavelength。你可以在wavelength的screen中按底部的”select”鍵,即可完成所有動作。目前我們將使用default的field angle value,其值為0。依序鍵入如Zemax P.33頁的starting
prescription for schmidt cassegrain的LDE表,此時the primary corrector為MIRROR球鏡片。你可以叫出2D layout,呈現出如Figure E4-1之圖。現在我們在加入第二個corrector,並且決定imagine plane的位置。鍵入如Zemax P.33 Intermediate prescription for schmide cassegram的LDE,注意到primary corrector的thickness變為-18,比原先的-30小,這是因為要放second corrector並考慮到其size大小的因素。在surface4的radius設定為variable,透過optimization, Zemax可以定下他的值。先看看他的layout,應如Figure E4-2所示。叫出merit function, reset後,改變”Rings” option到5。The rings option決定光線的sampling density, default value為3,在此設計,我們要求他為5。執行optimization, 用Automatic即可,你會發現merit function的值為1.3,不是很理想。這是residual RMS wave error所致。跳出merit function,從system中選Update
All,則secondary corrector的radius已變成41.83。從Analysis, fans,中選Optical Path, OPD plot如Figure E4-3所示,發現其為defocus且為spherical,大概約有4個wave aberration需要矯正。

現在切入另一個主題,利用指定polynomial aspheric cofficients來作aspheric correction。改變surface 1的surface type從standard改為”Even Asphere”,按OK後跳出,回到surface 1 列中,往右移直到4th Order Term, 把此項設為變數,依法炮製,6th, 8th,後再次執行optimization。把OPD plot update,其圖應如Figure E4-4所示,你會發現spherical aberration已被大大地減少。小心一點的觀察,不同的三個波長其相對的aberration有不同的spherical amount, 這就是spherichromatism,是下一個要矯正的目標。依據經驗所得,我們要用axial color來矯正spherochromatism,何謂axial color balance呢?而實際上spherochromatism是在first order axial color中被忽略的higher order效應。而現在first
order axial color並不存在,如果first order存在的話,代表其效應(首先axial color既是指軸而言,他即表示paraxial-optics,即不同color在軸上的效應,也就是first order optics)要遠大於higher order, 即higher order的aberration會被balance掉,即first order會搶higher order的aberration, 用first order axial color來消除higher order的spherochromatism這是在光學設計上常用的手法。

要怎麼引進axial color呢?我們改變surface1的curvature來達到axial color的效果。把曲面1的radius設為variable,執行optimization,再看看update後OPD plot圖,如圖E4-5所示,這就是我們所要設計的,殘餘的像差,residual aberration小於1/20波長,這個良好結果,可以讓我們些微改變field angle,從system, field中,把field angle的值設為3個,分別是0.0, 0.3, 0.5。現在field angle已改變,等於boundary condition已改變,所以你需要重定你的merit function。把merit function的”Rings”改變為”4”後跳出執行optimization, 則新的OPD plot應如圖E4-6所示,雖有不同的field angle,但是所有的aberrations卻可以接受。說明此設計還不錯。

假想我們要用此望遠鏡來照相,則這組望遠鏡的鑑別轉換功效為何?什麼是鑑別轉換功效(Modulation Transfer Function)呢?這就是說,若是發光物Object的鑑別率為M0,而經過此望遠鏡後所得到的鑑別率是Mi,則MTF=Mi/ M0即MTF愈大,代表此望遠鏡較不會降低原有的鑑別率,也就比較不會失真。而MTF的橫軸為spatial frequency in cycles per millimeter, spatial為鑑別尺(bar target)明暗條紋中其分隔空間寬度之意,通常以millimeter為單位,而frequency in cycles即每millimeter有幾組明暗條紋,所以可鑑別最小刻度,即反應該光波的頻率。Modulation Transfer Function,即呈現如圖E4-7所示之圖,而tangential & sagittal對各種入射光field angle的response也一併顯示。

對一個有經驗的設計者而言,此設計所呈現的MTF為circular pupil autocorrelation的結果。這是我們尚未考慮the secondary corrector所帶來遮蔽效應。既然secondary corrector放在primary的前面中心位置上,則入射光一定有部分被擋住,並且在primary上有個洞把成像的光放出去,此洞也需納入考量,所以我們高估了我們的performance。改良如下,回到LDE,在曲面3的第一項中點兩下,從Aperture types中選Circular Aperture,在Min Radius中鍵入1.7,即入射光離光軸的半徑需大於1.7才可進入,此動作再處理primary上的洞,同時把Max Radius改為6。再來處理secondary corrector的obscuration,在surface 3的前面,插入一個surface這個new surface就變成了surface 3,把其thickness改為20,且surface 2的thickness改為40,如此20+40=60並不改變光從BK7後到primary的長度。調整surface 3的Aperture type,設定為Circular Obscuration。把Max Radius訂為2.5,按OK後跳出,同時設定surface 3的semi-diameter也是2.5,update後的MTF,你會發現performance已降低,特別是在medial spatial frequencies部分。

 

 


 

●習作五:multi-configuration laser beam expander

你將學到:使用multi-configuration capability。

假設你需要設計一個在波長λ=1.053μ下操作的laser beam expander,Input diameter為100mm,而output diameter為20mm,且Input 和output皆為collimated。在此設計之前,我們必須遵守下列設計條件,

  1. 只能使用2個鏡片
  2. 本設計在形式上必須是Galilean(沒有internal focus)
  3. 只有一個aspheric surface可以使用
  4. 此光學系統必須在λ328μ下完成測試。


本設計任務不只是要矯正aberration而已,而是在兩個不同wavelengths的情況下都要做到。先談談條件2中什麼是Galilean呢?Galilean就是光線從入射到離開光學系統,在光學系統內部不能有focus現象,在本例中即beams在兩個鏡片之間不能有focus。好在本系統不是同時在2個wavelengths下操作,所以在操作時我們可以變動某些conjugates。現在開始設計,依據Zemax P.4-18頁的LDE表中鍵入各surface的相關值。其中surface 5的surface type從Standard改為Paraxial,這時在鏡片後面的focal length項才會出現。注意到使用paraxial lens的目的是把collimated light(平行光)給focus。同時把surface 5的thickness及focal length皆設為25,entrance pupil的diameter定為100,wavelength只選一個1.053 microns即可,記住不要在設第二個wavelength。叫出merit function,在第1列中把operand type改為REAY這表示real ray Y將用來作為一種constraint,在本設計中,我們被要求Input diameter為100而output diameter為20,其比值為100:20=5:1,即入射beam被壓縮了5倍,在srf#中鍵入5,表示在surface中我們要控制他的ray height,而Py上則鍵入1.00。把target value定為10,這個動作將會給我們一個diameter collimated為20mm的output beam。為什麼呢?因為Py是normalized的pupil coordinate,即入射光的semi-diameter為50。,Py=1即現在的入射光is aimed to the top of the entrance pupil,把target value定為10,就是輸出光的semi-diameter為10,所以50:10=5:1,光被壓縮了5倍,達到我們的要求。semi-diameter的值定為10,現在選Tools,Update,你會看到在value column上出現50的值,這就是entrance pupil radius即表示coordinates是座落在一個單位圓(unit circle)上,而其半徑為50,當Px=0,Py=1即表示在y軸的pupil大小為50,而在x軸的則為0。

從edit menu bar選Tools,Default Merit Function,按Reset後把”Start At” field的值改為2,這表示以後的operands會從第二列開始,而不會影響已建立的REAY operand。執行optimization後,把OPD plot叫出來,如圖E5-1所示,你會發現performance很差,大約為7個waves。

這個aberration主要來自spherical aberration,所以我們要把surface 1改為a spheric,把surface 1列中的conic設為variable,再次執行optimization,你會看到較好的OPD plot。現在把所有的variable都去掉,然後將此field存檔,因為你已完成wavelength在1.053μ下的beam
expander設計。但是wavelength在0.6328μ的情況怎麼辦呢?我們進入此習作的另一個主題,也就是multi-configuration可以在同一系統中同時設定不同的configuration,以適應不同的工作環境或要求,先前我們已完成了wavelength為1.053μ的configuration,把他看做configuration 1,而wavelength 0.6328為configuration 2。

把wavelength從1.053改為0.6328後看看OPD plot,出現非常差的performance,這是因為glass dispersion的緣故。我們調整lens spacing來消除此defocus把surface 2的thickness設為variable,執行optimization後,update OPD plot,此時的aberration大約為一個wave,接下來消掉surface 2 thickness的variable。現在我們來使用Zemax的multi-configuration capability功能,從main menu上選Editors,後Multi-configuration,再選其中的Edit,Insert Config,如此我們就可以加入一個新的configuration,在第一列的第一項中按兩下,選”wave”,同時在”Wavelength#”中選為1,這表示在不同的configuration,我們使用不同的wavelengths。在Config 1下鍵入1.053,Config 2下鍵入0.6328,在插入一個新的列於此列的第一項中按兩下,選THIC為一個operand type,這會讓我們在各別的configuration中定義不同的thickness,從”surface” list中選2後按OK。在Config 1下鍵入250,Config 2也鍵入250,不過在surface中選2即表示在LDE中surface 2的thickness是當作mult-configuration的一項oprand value,把Config 2下surface 2的thickness設為variable。回到merit function editor,選Tools,Default Merit Function,把”StartAt”的值改為1,使default merit function會從第一列開始考慮。現在先前設定的REAY constraint條件必須加到此新的multi-config merit function,在merit function的第一列中,有一個CONFoperand且在”Cfg#”項中定為1,表示現在configuration 1是avtive。在此列之下尚有三個OPDXoperands,於CONF和第一個OPDX之間插入一個新列,把其operand type改為”REAY”,”Srf#”鍵入5。表示我們要控制的ray height是對surface 5而言,Py鍵入1.00target value設為10。如同先前的file讓輸出beam的diameter為20mm。在CONF 1的要求接設定完畢,在CONF 2則不設任何operand,因為我們不可能在兩種wavelengths操作下要求exact 5:1的beam。回到LED,把surface 1,2,4的curvatures及surface 1的conic皆設為variable,執行optimization(現在有5個variable為active,3個curvatures,1個conic,1個multi-config thickness)。叫出update的OPD plot,你可以在mulit-configuration editor上在”Config 1”或”Config 2”上按兩下,則OPD plot會顯示其對應的configuration,或者你可用Ctrl-A的hot key,在不同的configuration間作變換,你會發現兩者的performance都很好,表示我們所設計的系統在wavelength 1.053或0.6328μ的laser之下皆可以工作。

 

 


 

●習作六:fold mirrors和coordinate breaks

你將學到:瞭解coordinate breaks, sign conventions在調整傾斜度,或改變系統中心的作用和如何裝置fold mirrors等,本習作的大部分技巧在”Add Fold Mirror”工具中可自動執行,然而瞭解實際的操作內容和細節,才是本習作的目的。

在習作3時或許你已學會如何設計Newtonian望遠鏡,其中已經有coordinate breaks的操作,以及光在經過mirror反射後thickness虛設定為負值,和coordinate breaks需伴隨著一對使用,而把要的fold mirror如三明治般地夾在其中。本習作將教你如何在一個簡單的converging beam中manually加入fold mirrors,而不使用Tools中的”Add Fold Mirror”功能。

叫出LDE,把STO的surface type改為paraxial,thickness定為100,這時對paraxial lens的default focal length值,然後從System, General,中把aperture設為20,即產生一個F/5的lens。完畢後看看3D layout,一個簡單的paraxial lens所造成converging beam的光學系統已完成。假設我們要把輸出的convergingbeam導向上,怎麼作呢?那就是加入一個fold mirror,先假定此fold mirror為45°oriented且具paraxial lens為30mm。總共需要3個鏡片。一個為coordinate break把coordinate system轉45°,然後一個mirror來反射光線,最後再一個coordinate break把反射後的beam給轉45°這是很重要的一點,共要3個surface來裝置一個fold mirror。coordinate breaks本身沒什麼作用,只是把入射光和輸出光作同樣的傾斜或改變中心座標的動作而已。在imaging surface前面出入3個lens,把surface 1的thickness定為30,在surface 3的glass fold mirror尚未titled,所以系統會在paraxial lens的左邊40mm處focus。更改surface 2及4的surface type為Coordinate Brek,回到LDE往右一,在surface 4的第3個parameter column中期heading上頭標示為”Title About X”。在此項中按兩下,選”Pick Up”,且設定”From Surface”為2,”Scale Factor”為1.0,這代表surface 4的coordinate break動作會跟surface 2的一樣。移由標到surface 2的”title about x”項中,鍵入45,Update layout你會看到如Figure E6-1的圖。注意到coordinate break的thickness為0,表示mirror和coordinate break surface是重合的。應該注意的是,mirror本身並沒有轉,轉的是入射前合入射後的座標系統,在反射後除了轉45°外,並且移了-70units去focus,所有的tilt或decenter動作總是在光線跑,即thickness之前完成。現在再裝第二個fold mirror,同樣在imagine surface前面插入3個surface,把surface 4的thickness從-70改為-30,在surface 5的tilt about x項鍵入-45,目的是在把光的進行方向還原到平行於原始入射方向,而surface 7的tilt about x項一樣選擇pick up from surface 5且scale factor定為1。

Update 3D layout,則呈現如Figure E6-2的圖,如我們期待的,+45和-45互相抵消,輸出光平行於入射光,又要改變兩組的coordinate breaks的參數,只要改變surface 2及5即可。因為surface 4及7會各別依隨他們變動而變動。

 

 


●習作七:使用Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces

或許你不會相信,會有”achromatic singlet”這樣的東西。當然,mirror是一個achromatic singlet,姑且不論之,去設計一個矯正到first-order chromatic aberration混合refractive/diffractive成分是可能的。其中的技巧就是使用一個傳統refrative singlet,然後將其中的一面蝕刻成一個diffractive surface。此singlet造成很大的focusing power,而the weak diffractive component則提供足夠的dispersion來補償glass的dispersion。讓我們來回顧一些概念,一個focal length f的singlet其optical power為φ=f-1,在λFC的波長範圍下,power的變異部分可由singlet其glass的Abbe number V來描述,其中λF及λC為hydrogen的F及C
line的wavelength依序為0.4861μm和0.6563μm。故

Δφ=φ/V

在大部分的glasses種類中,他們的dispersion都很小,如BK7來說,其V值為64.2。而Δφ大約為整體的2%。

而Diffractive optics則直接使用phase of wavefront操作來增加光數的optical power。對一個具有quadratic phase profile的diffractive
surface,其phase為

ψ=Ar2

A為每平方單位長度的弧度量,而r為radial coordinate。如此的diffrective surface,他的power為

φ=λA/π

和他所承受的波長呈線性相關。在同樣的波長範圍下,refractive singlet的power變異為2%,而diffractive optic power則幾乎為40%,此外,dispersion的正負號可由A的正負號來決定。這有什麼好處呢?如果我們在refractive部分增加一些positive power,同時可由在diffractive部分增加一些negative power來達到補償的效果。所增的power量可以從”Standard”改為”Binary 2”。然後在IMA前面加入一個新的surface,即插入surface 2,其thickness設為100。STO的thickness設為10,glass選為BK7,從System, General中Aperture Value定為20。Wavelengths選0.486,0.587及0.656,選0.587定為primary。首先我們看一個convex-plano singlet的performance,把surface 1的radius設為variable,且從Merit Function Editor的tools中使用Default Merit Function。子行Optimization,叫出OPD plot,你會發現其aberration約為8個waves。除了axial
color主宰此設計外,spherical aberrotion和default也相當可觀。

現在改良此設計,從Editors,Extra Data中在”Max Term”項上鍵入1和”Norm Aper”上鍵入10,而”Coeff on PΛ2”此項則設為變數。然後執行Optimization,其中有兩項變數,分別是surface 1的radius及diffractive power。Update OPD plot則maximum aberration已經降至約一個wave,造成aberration的主要原因只剩下secondary spectrum及spherical aberration。我們利用higher order term的技巧來矯正他,回到Extra Date Editor,把”MaxTerm #”改為2,且社fourth order term項為variable,再次執行optimization。叫出updated後的OPD plot,你會發現wavefront aberration已大大降至1個wave以下。

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