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:互聯網

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好之后,就是開始使用設計軟件進行優化設計。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的系統參數進行設定,當然系統參數有很多,這里我們首先講講光學設計的孔徑類型。

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

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。如何確定系統的孔徑光闌則是光學系統中的每一個光孔按照這樣的方法去計算它的系統物空間的像。物空間的像最小對應的光孔則是系統的孔徑光闌,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根據不同光學系統的要求和設計的便捷程度,分為了六大類,也是按照經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
Object Space NA	物方空間數值孔徑NA
Float By Stop Size	光闌尺寸浮動
Paraxial Working F/#	近軸工作F數
Object Cone Angle	物方錐角

(1)入瞳直徑(Entrance Pupil Diameter):這個上文進行了說明,孔徑光闌在系統的物空間成的像為系統的入瞳直徑。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:假如光學系統的孔徑光闌是系統中間的一塊透鏡或者一個實物光闌,優化過程中,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,結論是入瞳直徑一致在變,系統的F數在變化,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(ImageSpace F/#):系統的近軸焦距與系統的入瞳直徑的比值。適用于系統像面在近軸焦點附近的光學系統設計,因為像空間F數的定義就限制了其的使用,近軸焦距是物點在無窮遠,經過光學系統的近軸區,在像方成的像到后主面的距離。如果是近距離成像系統,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。