ZEMAX光學設計孔徑類型最全解釋說明——值得收藏

2020-01-31 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

學習格言:

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孔徑類型

光學設計軟件在設計初期,分析計算好光學設計參數(shù)好之后,就是開始使用設計軟件進行優(yōu)化設計。無論是code v還是zemax,等等光學設計軟件,第一步均是對光學系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)進行設定,當然系統(tǒng)參數(shù)有很多,這里我們首先講講光學設計的孔徑類型。

光學系統(tǒng)是衍射受限系統(tǒng),受限與光學系統(tǒng)的孔徑(光闌),所以每個光學系統(tǒng)都是有孔徑光闌的,也就是之所以這是光學系統(tǒng)的一個系統(tǒng)參數(shù)。

其中每個透鏡都是透光孔,還有一些專門設置的光孔。但是不是每個透鏡都是孔徑光闌,具體判別哪一個孔徑光闌,這個在所有應用光學的教材上均有說明。首先,需要指導兩個概念,入瞳(Entrance pupil)和出瞳(Exit pupil)。

入瞳(Entrance pupil)是孔徑光闌相對于其前面透鏡或者反射鏡組成的像。出瞳(Exitpupil)是孔徑光闌相對于其后面透鏡或者反射鏡組成的像。如上圖所示。如何確定系統(tǒng)的孔徑光闌則是光學系統(tǒng)中的每一個光孔按照這樣的方法去計算它的系統(tǒng)物空間的像。物空間的像最小對應的光孔則是系統(tǒng)的孔徑光闌,它的物空間的像則是入瞳。下圖為普通照象機的孔徑光闌,可變的。

圖一為zemax中孔徑類型的截圖,其是通用General中一個孔徑(Aperture)標簽。Zemax根據(jù)不同光學系統(tǒng)的要求和設計的便捷程度,分為了六大類,也是按照經(jīng)常使用的先后順序進行降冪排列的。如下表所示,進行了相應的中英文對照:

English	中文
Entrance Pupil Diameter	入瞳直徑
Image Space F/#	像空間F數(shù)
Object Space NA	物方空間數(shù)值孔徑NA
Float By Stop Size	光闌尺寸浮動
Paraxial Working F/#	近軸工作F數(shù)
Object Cone Angle	物方錐角

(1)入瞳直徑(Entrance Pupil Diameter):這個上文進行了說明,孔徑光闌在系統(tǒng)的物空間成的像為系統(tǒng)的入瞳直徑。孔徑類型多使用與第一片透鏡或者反射鏡作為系統(tǒng)的孔徑光闌時選用。此時的孔徑光闌和入瞳直徑是重合的,孔徑值的大小一致。反證法驗證:假如光學系統(tǒng)的孔徑光闌是系統(tǒng)中間的一塊透鏡或者一個實物光闌,優(yōu)化過程中,孔徑光闌前組的曲率半徑,厚度,間隔,材料在變化,前組的焦距,孔徑光闌相對于其前面的透鏡的距離等等都在變,結(jié)論是入瞳直徑一致在變,系統(tǒng)的F數(shù)在變化,那么怎么設置該入瞳直徑呢? 那么又如何固定孔徑光闌的大小呢?所以不便!當然此時不是不能用。常用的望遠物鏡的設計就可以選用該孔徑類型。這種類型也是使用最多的。

(2)像空間F數(shù)(ImageSpace F/#):系統(tǒng)的近軸焦距與系統(tǒng)的入瞳直徑的比值。適用于系統(tǒng)像面在近軸焦點附近的光學系統(tǒng)設計,因為像空間F數(shù)的定義就限制了其的使用,近軸焦距是物點在無窮遠,經(jīng)過光學系統(tǒng)的近軸區(qū),在像方成的像到后主面的距離。如果是近距離成像系統(tǒng),那么像面也就不在其近軸焦點附近,在設計中參考像空間F數(shù)意義就不大了。例如手機鏡頭設計可以選用此。

(3)物方空間數(shù)值孔徑NA(Object Space NA):NA=n*sina。其中n為物空間折射率,a為物空間光線的最大張角,或者說是物點發(fā)出的邊緣光學對應的角度。從定義可以看出,像望遠鏡這種就不合適使用此類型,其適合對于有限距離的物體成像的光學系統(tǒng)設計,例如顯微物鏡的光學設計,其中一指標則是物方NA要高。

(4)光闌尺寸浮動(Float By Stop Size):孔徑光闌大小固定,不定入瞳直徑大小。如一些有實際孔徑光闌的光學系統(tǒng),廣角鏡頭。

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(5)近軸工作F數(shù)(Paraxial Working F/#):ZEMAX中有三個F數(shù),像空間F數(shù),近軸工作F數(shù),工作F數(shù)。其中,最為有用的是工作F數(shù),所以ZEMAX界面最下面一行中顯示的WFNO則是工作F數(shù)。像空間F數(shù)上文已經(jīng)進行說明了。

而近軸工作F數(shù)是指的2*n*tana,其中n為像空間折射率,a為近軸邊緣光線角度。對于對稱系統(tǒng),像空間F數(shù)和近軸工作F數(shù)基本上是一致的。

工作F數(shù)是指的是2*n*sina,其中n為像空間折射率,a為邊緣光線角度,所以其考慮到像差與漸暈等。在設計中,當使用了自由曲面后,工作F數(shù)會與前面兩種差別比較大。