Ansys Zemax | 如何設(shè)計(jì)單透鏡 第一部分：設(shè)置

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(shè)計(jì)透鏡的基本過程，包括構(gòu)建系統(tǒng)(第1部分)、分析其性能(第2部分)，以及根據(jù)所需的指標(biāo)參數(shù)和設(shè)計(jì)約束對(duì)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(tǒng)。盡管如此，這個(gè)簡(jiǎn)單的成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以幫助您了解OpticStudio的界面，了解基本的設(shè)計(jì)概念和策略，并演示如何使用一些基本的分析功能來優(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用戶界面的序列模式 (Sequential mode) ，然后重點(diǎn)介紹如何使用系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) 和鏡頭數(shù)據(jù)編輯器 (Lens Data Editor) 正確設(shè)置單透鏡。它還解釋了如何使用求解 (Solves) 來強(qiáng)制設(shè)計(jì)約束。

在第2部分中，我們將討論一些可用于評(píng)估系統(tǒng)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(shè)計(jì)約束下獲得更好的性能。（持續(xù)關(guān)注即將更新后續(xù)部分內(nèi)容）

鏡頭分類參數(shù)和設(shè)計(jì)約束 

在這個(gè)練習(xí)中，我們將設(shè)計(jì)和優(yōu)化一個(gè)玻璃材料為N-BK7， F數(shù)為4的單透鏡。最終設(shè)計(jì)方案應(yīng)滿足以下規(guī)格和約束條件：

使用給定OpticStudio的用戶界面和可用的工具，可以很容易地建模和優(yōu)化單透鏡！

鏡頭數(shù)據(jù)編輯器

在計(jì)算機(jī)輔助序列透鏡設(shè)計(jì)中，光線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(shù)據(jù)編輯器 (LDE) 的電子表格。

打開OpticStudio后，OpticStudio主窗口（工作區(qū)）中將出現(xiàn)一個(gè)空白的鏡頭數(shù)據(jù)編輯器。除了工作區(qū)中的鏡頭數(shù)據(jù)編輯器，您還將看到一個(gè)標(biāo)題欄，其中指定打開的窗口的類型；菜單(Ribbon)欄，其中提供對(duì)OpticStudio所有特性的訪問；以及窗口頂部的快速訪問工具欄 (Quick Access Toolbar) 。在左邊，您將看到系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) ，其中包含有關(guān)當(dāng)前設(shè)計(jì)的特定系統(tǒng)信息。在序列模式下，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器是主要的電子表格，其中輸入了大部分鏡頭數(shù)據(jù)。部分主要輸入項(xiàng)包括:

鏡頭數(shù)據(jù)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(tǒng)從物面 (OBJ) 開始，到像面 (IMA) 結(jié)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) 。

通過在高亮單元格中鍵入所需的值，可以將數(shù)據(jù)輸入到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中。光標(biāo)鍵或鼠標(biāo)可以將高亮欄移動(dòng)到所需的任何一欄。

定義系統(tǒng)設(shè)置

大多數(shù)情況下，系統(tǒng)孔徑是開始新設(shè)計(jì)時(shí)定義的第一個(gè)參數(shù)。系統(tǒng)孔徑不僅決定了OpticStudio將通過光學(xué)系統(tǒng)光線追跡的光束的大小，還決定了物面上每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)發(fā)出光線的初始方向余弦。系統(tǒng)孔徑可由多種類型定義，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。每種類型都在OpticStudio幫助文件對(duì)應(yīng)部分有更詳細(xì)的定義:“設(shè)置選項(xiàng)卡 (The Setup Tab) >系統(tǒng)組 (System Group) >系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) >系統(tǒng)孔徑 (Aperture) ”。

入瞳直徑可能是最常用的系統(tǒng)孔徑類型，也是當(dāng)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(tǒng)孔徑以及其它系統(tǒng)特定設(shè)置都由系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) 設(shè)置。通常，系統(tǒng)資源管理器已經(jīng)打開，但如果不是，您可以通過打開設(shè)置 (Setup) > 系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) 訪問它:

一旦打開系統(tǒng)選項(xiàng)，我們就可以為當(dāng)前的設(shè)計(jì)輸入合適的系統(tǒng)孔徑類型和值。在系統(tǒng)選項(xiàng)的系統(tǒng)孔徑 (Aperture) 選項(xiàng)卡下，選擇入瞳直徑 (Entrance Pupil Diameter) 作為孔徑類型 (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(shù)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(shù)其它參數(shù)。在開始設(shè)計(jì)之前定義系統(tǒng)單位是非常重要的。始終檢查以驗(yàn)證系統(tǒng)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(shè)計(jì)而言，將使用毫米。在系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) >單位 (Units) ，選擇鏡頭單位 (Lens Units) :毫米。

目前，其它系統(tǒng)設(shè)置可以保留為默認(rèn)選項(xiàng)。

在OpticStudio中定義視場(chǎng)

OpticStudio中的視場(chǎng)在系統(tǒng)選項(xiàng)中的視場(chǎng)數(shù)據(jù) (Field Data) 對(duì)話框中定義。要訪問視場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)話框，請(qǐng)?jiān)谙到y(tǒng)選項(xiàng)中選擇視場(chǎng) (Fields) ，打開視場(chǎng)數(shù)據(jù)編輯器 (Open Field Data Editor) :

OpticStudio支持五種不同的模型來定義視場(chǎng)：

為了實(shí)現(xiàn)單透鏡設(shè)計(jì)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(nèi)定義:(0,0)、(0,3.5)和(0,5)。

OpticStudio標(biāo)準(zhǔn)版的視場(chǎng)數(shù)據(jù)編輯器最多可以輸入12個(gè)視場(chǎng)（專業(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(shè)置一個(gè)權(quán)重，這在優(yōu)化中非常有用。但是，出于本設(shè)計(jì)的目的，所有視場(chǎng)權(quán)重都保留為1。在視場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)話框的前三項(xiàng)中輸入三個(gè)視場(chǎng)，如下所示。要插入其它視場(chǎng)，可以使用鍵盤上的<Insert>鍵，或者<右鍵單擊>并選擇插入視場(chǎng) (Insert Field) 。

您還應(yīng)該看到這些數(shù)據(jù)填充在系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) 的視場(chǎng) (Fields) 部分。您現(xiàn)在可以選擇是否關(guān)閉視場(chǎng)數(shù)據(jù)編輯器 (Field Data Editor) 。

設(shè)置波長(zhǎng)

將波長(zhǎng)數(shù)據(jù)輸入到OpticStudio中的操作與輸入視場(chǎng)數(shù)據(jù)類似，只是波長(zhǎng)數(shù)據(jù)輸入到波長(zhǎng)數(shù)據(jù) (Wavelength Data) 對(duì)話框內(nèi)。您可以通過選擇系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) 訪問波長(zhǎng) (Wavelength) ，再雙擊設(shè)置 (Settings) 。

此單透鏡設(shè)計(jì)是純單色的（使用單一波長(zhǎng)）。從最初的設(shè)計(jì)參數(shù)來看，使用的波長(zhǎng)為0.6328 mm（HeNe激光器的波長(zhǎng)）。

將這個(gè)波長(zhǎng)輸入波長(zhǎng)數(shù)據(jù) (Wavelength Data) 對(duì)話框，也可以在波長(zhǎng)數(shù)據(jù)對(duì)話框底部的下拉菜單中選擇一個(gè)預(yù)先編輯好的的波長(zhǎng)選項(xiàng)來輸入。默認(rèn)情況下，F(xiàn)、d、C（可見光）是第一個(gè)選項(xiàng)。首先，從下拉菜單中選擇HeNe (.6328) ，然后按下“選為當(dāng)前 (Select Preset) ” 選擇當(dāng)前設(shè)計(jì)波長(zhǎng)。OpticStudio將自動(dòng)將這個(gè)波長(zhǎng)放入第一項(xiàng)。

請(qǐng)注意，OpticStudio中的波長(zhǎng)總是以微米為單位輸入的，而不考慮系統(tǒng)的鏡頭單位！也支持對(duì)單個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行加權(quán)，但是在這個(gè)設(shè)計(jì)中，我們將保持所有的權(quán)重統(tǒng)一。按下窗口右上角的“X”鍵關(guān)閉波長(zhǎng)數(shù)據(jù)對(duì)話框。

插入表面

一旦確定了系統(tǒng)設(shè)置，就可以將每個(gè)表面的特定信息輸入鏡頭數(shù)據(jù)編輯器 (Lens Data Editor) 。重申一下，鏡頭數(shù)據(jù)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(dú)的元件。因此，對(duì)于單透鏡，總共需要4個(gè)表面:

1. 物面 (OBJ) :光線發(fā)出的位置。

2. 透鏡的前表面:光線進(jìn)入透鏡的地方。對(duì)于這個(gè)設(shè)計(jì)，這里也是光闌 (STO) 。

3. 透鏡的后表面:光線從后表面射入空氣。

4. 像面 (IMA) :光線追跡停止的位置（始終是最后一個(gè)表面）。

       默認(rèn)情況下，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中只包含三個(gè)表面?？梢酝ㄟ^按鍵盤上的<Insert> ，或通過在表面上<右鍵單擊>并選擇插入表面 (Insert surface) ，將表面添加到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中。使用此方法，將在高亮光標(biāo)當(dāng)前所在的行之前添加一個(gè)表面。要在當(dāng)前表面之后添加另一個(gè)表面，按下鍵盤上的<Ctrl + Insert>或右鍵單擊當(dāng)前表面，然后選擇插入后續(xù)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(shù)據(jù)編輯器中的標(biāo)注 (Comment) 列對(duì)于跟蹤每個(gè)表面表示的內(nèi)容非常有用。要為一個(gè)表面輸入注釋，請(qǐng)高亮該單元格，并鍵入所需的文本。完成后，點(diǎn)擊<Enter>或使用箭頭鍵將光標(biāo)移動(dòng)到另一個(gè)單元格。在設(shè)計(jì)進(jìn)程中編寫注釋是一個(gè)很好的習(xí)慣。對(duì)于單透鏡，通過在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的每個(gè)適當(dāng)單元格中鍵入以下文本來標(biāo)識(shí)每個(gè)表面。

輸入鏡頭數(shù)據(jù)

單透鏡由N-BK7玻璃制成。在OpticStudio中，材料用于區(qū)分透鏡前后表面。想通過輸入材料類型來區(qū)分兩個(gè)表面，只需在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中的適當(dāng)單元格中鍵入材料名稱（本例中為N-BK7）。

OpticStudio自動(dòng)將這種材料類型識(shí)別為內(nèi)置玻璃庫(kù) (Glass Catalog) 中編譯的眾多玻璃之一。玻璃庫(kù)包含了世界各地制造商提供的數(shù)百種玻璃的所有必要信息。OpticStudio將自動(dòng)在其數(shù)據(jù)庫(kù)中查找這種玻璃，以確定每種設(shè)計(jì)波長(zhǎng)下材料的折射率。

一旦將玻璃類型輸入到透鏡數(shù)據(jù)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?yàn)樗强讖綖?5 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(shù)稍后將被設(shè)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(yù)先確定，因?yàn)樗鼈儗⒈辉O(shè)置為優(yōu)化變量。目前，我們將保持表面1的曲率半徑為無窮大，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(dāng)光學(xué)設(shè)計(jì)存在約束時(shí)，保持這些約束的方法有兩種:

1. 將影響這些約束的參數(shù)設(shè)置為變量，并將邊界約束添加到評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器 (Merit Function Editor) 中（稍后將介紹）；

2. 使用內(nèi)置的求解功能來執(zhí)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(diào)整透鏡參數(shù)以保持特定的約束，但邊界約束會(huì)減慢評(píng)價(jià)函數(shù)的執(zhí)行速度。

OpticStudio中有許多不同的求解類型，每個(gè)求解類型都有特定的用途。然而，該設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)只要求使用其中一個(gè)求解類型：設(shè)置系統(tǒng)F/#以保持所需的焦距。要打開求解對(duì)話框，可以單擊所需單元格右側(cè)的較小單元格?；谒x擇的參數(shù)，可以使用不同的求解類型。

為了保證系統(tǒng)F/#，可以在表面2的曲率半徑上放置F數(shù)求解 (F Number solve) 。F數(shù)求解調(diào)節(jié)最后一個(gè)光學(xué)表面的曲率以保證系統(tǒng)焦距。單擊表面2的曲率半徑單元格右側(cè)的框，打開曲率求解 (Curvature solve dialog) 對(duì)話框。選擇求解類型 (Solve Type) :F數(shù) (F Number) 并輸入F/#: 4。

輸入求解設(shè)置后，要關(guān)閉求解對(duì)話框，請(qǐng)按鍵盤上的<Enter>。

一旦設(shè)置了F數(shù)求解，OpticStudio將自動(dòng)調(diào)整半徑，以保持所需的F/#。換句話說，只要改變透鏡參數(shù)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)重新計(jì)算一個(gè)解。曲率半徑旁邊的字母“F”表示F數(shù)求解設(shè)置已完成。

現(xiàn)在，單透鏡已經(jīng)建立完成，我們將在《如何設(shè)計(jì)單透鏡 ，第二部分：分析》中解釋如何可視化和評(píng)估系統(tǒng)性能，請(qǐng)期待后續(xù)更新。