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ZEMAX 的基本像差控制与优化
公安部第一研究所 许正光
ZEMAX 已经成为光学设计人员最常用的工具软件了。光学设计中,描述和控制一个光学系统的初级像差结构,
通常使用轴上球差、轴向色差、彗差、场曲、畸变、垂轴色差、像散等像差参数。当我们企图更为详细的描述和控制
轴外指定视场、指定光束的像差结构时,常常会使用轴外宽光束球差、彗差和细光束场曲等三个像差参数。然而,
ZEMAX 并不能像 SOD88 那样直接引用相对应的像差操作数来指定像差目标大小,更没有描述高级像差数的像差操
作数,这些通常都需要设计者自行分析和定义。
描述和控制系统光束结构的方法因习惯而有一定的差异, 由于某些像差变量之间有某种相关性, 而设置的优化权
重又可以不同, 因此常常都能够达到相同的效果, 只是所计算的数学步骤不同而已。 到底选择多少个参数来描述一个
系统,虽无统一规定,但是还是要因系统像差特性不同而区别选择。经验表明,最少最准确的参数描述量,能够尽可
能的提高优化的效率,并且减少掉入效果较差的局部优化的次数。经验丰富的工程师,轻车熟路,在这个环节上少走
了很多的弯路,从而其设计效率和设计出来的产品品质要比通常的设计人员有些得多,成功率高的多。
笔者撰写本文的目的就是企图浅显的探讨光学设计中, ZEMAX 中光学结构的描述方法以及权重选择的问题。 这
些都是笔者在设计当中积累的经验, 可能这个文章的论断会由于经验的多寡有一定的局限性, 所以希望读者当作参考,
不要照搬。
一 基本像差描述和控制
1、 轴上球差 LONA 和 SPHA
LONA 表示的是轴上物点指定波长,指定光束尺寸 ( 光线对 )的轴上成像交点到近轴焦平面之间轴向距离。这
个定义和我们定义的轴向球差相同。光瞳尺寸 (光束尺寸 )在 0~1 之间,那么将追迹实际的光束汇交点计算轴向球
差。
SPHA 常用于指定面产生的像差数值。若不指定特殊面 (取值为 0),则计算所有面产生球差总和。注意这个
总合不是像差计算公式中的经过各面逐个放大之后的加权和,而是代数和 ( 有待读者进一步验证 ) 。
经验:当选择 LONA 控制不住球差时,同时加入 SPHA 操作数,设置合理的权重,可以将轴向球差进一步
改善。
2、 轴向色差 AXCL
定义为两个指定波长的近轴焦平面轴向距离。若光瞳尺寸 ( 光束尺寸 ) 定义为 0,那么使用近轴焦平面进行色
差计算,定义不为 0,则使用实际的光线与轴交点位置进行色差计算。
3、 垂轴色差 (倍率色差 )
在 ZEMAX 中没有直接定义垂轴色差的操作数,但是从垂轴色差的定义可以知道,它是指某视场、某指定光
束尺寸的、两指定波长光束在像面上所成的理想像的垂向距离差。
在 ZEMAX 中有 REAY(wav , Hy , Py)操作数。其定义为指定波长、指定视场、指定光束尺寸光在理想像面
上的实际高度。
那么在同一视场选择两个不同波长的光束,其操作数数值之差就表明了理想像面上的垂轴色差大小。
Oprand #1 REAY(wav=1 , Hy=a , Py=b);
Oprand #2 REAY(wav ,Hy , Py);
DIFF(oprand #1,oprand #2);
DIFF 操作数指两个操作数结果的差值