zemaxRc卡塞格林系統(tǒng)設(shè)計方案

PAGE1帶有非球面矯正器的施密特—卡塞格林系統(tǒng)的設(shè)計這是一個帶多項式非球面矯正器施密特—卡塞格林系統(tǒng)(Ｓｃhmiｄt－Cassｅgraｉｎ）的完全設(shè)計。設(shè)計的使用范圍為可見光譜。將采納10英寸的孔徑，1０英寸的后焦距（從主鏡的后面到焦點(diǎn))。由于只有矯正板和主反射面，進(jìn)行這個設(shè)計是比較簡潔的，因此開頭時先在光闌后插入兩個面.選擇“ＳYＳＴＥＭ",“ＧＥNERＡL",輸入10作為孔徑值。在同一個屏幕上，將單位“毫米(Miｌｌｉmeters)”改為“英寸（Ｉnches）”。[１]圖4.1孔徑設(shè)置圖圖４。２孔徑單位設(shè)置圖選擇“SＹSTEM”，“WAＶELＥNGTHＳ”,得到“波長數(shù)據(jù)”屏幕，設(shè)置３個波長:４8６，587，和6５６，其中５8７為主波長。這些步驟可以用一個操作來完成：單擊波長對話框底部的“選擇（Seｌｅcｔ—＞)”按鈕。圖4．３光束波長設(shè)置圖現(xiàn)在，將使用缺省的視場角０度。光闌被放在主面曲率半徑的中心,這是為了排解視場像差（如彗差),它是Ｓｃｈｍｉdt設(shè)計的特點(diǎn)。圖４.4鏡片數(shù)據(jù)編輯圖現(xiàn)在演示一下圖形以驗證一切是否就緒.標(biāo)準(zhǔn)的2維圖形將會很好地工作，將會看到如圖4．5所示的圖形。圖4。5二維剖面圖現(xiàn)在將加入幫助鏡面，并安放像平面。將讓ＺＥＭAX為幫助面計算恰當(dāng)?shù)那省，F(xiàn)在修改表格，使之如下表所示的以表達(dá)一個新的面。圖4．6鏡片數(shù)據(jù)編輯圖注意已將主反射面的距離減小到－１8，這將使幫助鏡面的尺寸減小。像平面的距離現(xiàn)在是２８,實(shí)際上，是在主反射面后1０英寸。第四周的半徑已經(jīng)被加入了一個變量標(biāo)記，將讓ZEMAX去找尋恰當(dāng)?shù)那?由于還沒有輸入任何的曲率,像并不清楚。更新圖層,如圖４。７所示。[２］圖4.7二維剖面圖現(xiàn)在選擇“Ediｔｏrs"，“ＭerｉtFuｎｃｔioｎ”顯示評價函數(shù)編輯，從評價函數(shù)編輯窗口菜單中選“Tｏols”,“ＤｅｆaultＭeｒiｔFunctioｎ”，單擊“Rｅｓet”，然后轉(zhuǎn)變“Rｉｎgｓ”選項為“5”，單擊OK,ＲIＮGＳ選項決定光線的采樣密度,此設(shè)計要求大于缺省的3。圖4。8評價函數(shù)編輯圖圖4．９DeｆａｕltMeｒiｔFuncｔｉon圖選“Ｔooｌｓ”，“Oｐtimiｚａｔｉoｎ”,選“Autｏmａt(yī)ic”，評價函數(shù)很快將下降到約１．3。這是剩余的RMS波差。單擊“Exit”，然后選擇“SＹSTEM”，“ＵPDATＥALL”，幫助鏡面的半徑已經(jīng)從“Ｉnｆiｎity”被改為-4１．８3。圖4.10Ｏptimｉzatiｏn圖現(xiàn)在選擇“ANALYSIS”，“FＡNS”，“OＰTICALPATH”演示OPD圖,OＰD圖顯示離焦和球差,如圖4.１1所示.大約有4個波長的像差仍然有待改正。圖4。1１O(jiān)ＰD圖現(xiàn)在單擊第一面（光闌面）的“ＳTANDAＲD"表面類型,從所顯示的對話框選擇“EVEＮAＳPHEＲE”.這種面型允許為非球面校正器指定多項式非球面系數(shù)。單擊OK。圖4．１2表面類型選擇圖在第一面對右移動光標(biāo)直到“４ｔhOrｄｅrTerm”列，給這個參數(shù)設(shè)置一個變量標(biāo)記,當(dāng)前為０。也在“6tｈOrderTeｒｍ”和“8ｔhＯｒdｅrＴeｒｍ”上設(shè)置變量標(biāo)記?，F(xiàn)在選擇“Ｔｏolｓ"，“Optimｉzａt(yī)ion"，再單擊“Automatic”.幾秒鐘后,評價函數(shù)將會下降,這是由于ＺＥＭAX平衡了高階球差.單擊“Exiｔ".［３］現(xiàn)在再次更新OPD圖，顯示如圖４．13。球差已經(jīng)大體上被減小?，F(xiàn)在的約束像差為色差，每一個波長值有不同數(shù)量的球差。圖4.１3OＰＤ圖為了矯正色球差，需要用軸上顏色來平衡它。這是一個常用的設(shè)計方法，即在同一種像差中,用低階像差來平衡高階像差。這里，色球差是一階軸上色差的高階重量。為了引入軸上色差，將轉(zhuǎn)變第一面,即校正器的前面的曲率.現(xiàn)在設(shè)置第一面的半徑為變量，再次優(yōu)化（Ｔoｏlｓ，Ｏpｔｉmiｚaｔion，Aｕｔomatic）.評價函數(shù)將會再次下降?，F(xiàn)在單擊EXＩT，更新OPD圖，圖形如圖4.1４所示．圖4.1４OＰＤ圖現(xiàn)在可以打開視場角,調(diào)整設(shè)計。從主菜單，選ＳYＳTＥM，F(xiàn)IEＬDS，并將視場角的個數(shù)設(shè)置為3,輸入y—角0。0,０．3和０。５度.［4]圖4。15視場角設(shè)置圖現(xiàn)在更新并查看OPD圖,將會在全視場看到大約1/２波長的彗差，只要再優(yōu)化就可以很容易地改正它。由于已轉(zhuǎn)變了視場,必須重新創(chuàng)建評價函數(shù).在評價函數(shù)編輯時，選Tools，ＤｅｆａuｌtMｅritＦuncｔion，并將RINＧS改為４，單擊ＯK.現(xiàn)在選Ｔoolｓ，Ｏｐtｉmｉzation,然后單擊Ａutｏmatic，當(dāng)已聚集后,單擊EXIＴ，再次更新OPD圖，圖顯示如圖E4-6，已是一個很好地平衡了像差的設(shè)計。圖4.16ＯPＤ圖調(diào)制傳遞函數(shù)ＭTF圖是一種格外有用的分析工具。圖中顯示了全部已給定視場的切向和徑向的響應(yīng)。但還沒有說明系統(tǒng)中的這幾個通光孔徑和遮擋，存在著由幫助鏡面引起的遮擋，并且,在主反射面上還有一個缺口。圖4.１７ＭTF圖要改正這個分析時的缺點(diǎn)，返回到LＤE,雙擊第三面的第一列，從孔徑類型列中選圓形“CｉrcularAperｔuｒｅ"，到MinＲadiｕs中輸入1.7。這表示全部的光線穿過表面時離軸距離必必要大于1.7英寸,這就是主反射面的缺口“Hole”。將“ＭaｘRａdｉus”改為６.幫助鏡面上的遮擋較為簡潔,在光學(xué)上它需要被放置在幫助鏡面前面。由于ＺEMAX是按挨次地追跡光線的,必須將它放置在主反射面前.[5］當(dāng)仍然在第三面時,在校正面和主反射面之間鍵插入一個新的面。將新面（即第3面）的厚度從０改為20。往上移一行,將第2面的厚度由６0改為４０。對于主反射面來說，校正器與它的距離現(xiàn)在就是６0，已經(jīng)簡潔地加入了一個中介面.在第3面的第1列上雙擊，將孔徑類型設(shè)為“CirculａrObsｃuratiｏn",并將“最大半徑（MaxRａdｉuｓ）”設(shè)為２.5，然后單擊OK。再將第３面的半口徑定為２。5?，F(xiàn)在更新圖形，將會看到如圖4。18所示的圖形。在遮擋器和幫助鏡面之間的小縫隙純粹是很小的一點(diǎn)。這種方式更容易被看到。圖４．1８二維剖面圖圖MＴF現(xiàn)在已被主要是幫助鏡面產(chǎn)生的遮擋所轉(zhuǎn)變。更新ＭTF窗口，看一下新的MＴF，顯示如圖Ｅ4—9。圖4。１7MＴF圖5施密特-卡塞格林系統(tǒng)的仿真分析5．１系統(tǒng)的波像均方差（ＯＰＤ)分析在光學(xué)系統(tǒng)中,波像均方差是像質(zhì)的敏感函數(shù),要求聚焦精確、像質(zhì)好、必須對球差、慧差和像散進(jìn)行校正，從而使得波像均方差在肯定的允許范圍內(nèi)，圖5。1所示為系統(tǒng)的波像均方差數(shù)值圖.［6］圖7．１系統(tǒng)的OＰD圖5.２系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)(ＭＴF）分析光學(xué)系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，而且在肯定條件下還是線性空不變系統(tǒng)，因而可以用線性系統(tǒng)理論來討論它的性能，把輸入信息分解成各種空間頻率重量，討論系統(tǒng)的空間頻率傳遞特性即光學(xué)傳遞函數(shù),它能全面反映光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)。ＦＦTＭTF是用快速傅立葉變化算法計算的MTＦ，是一種物理傳遞函數(shù)，即考慮光學(xué)系統(tǒng)的衍射效應(yīng),一般的成像光學(xué)系統(tǒng)都可用它來評價。圖５。2為系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖。圖7．4系統(tǒng)的MＴF圖由以上評價參數(shù)分析可知，所設(shè)計施密特-卡塞格林系統(tǒng)基本符合光學(xué)設(shè)計的要求。武漢理工大學(xué)《光電子應(yīng)用》課程設(shè)計說明書６心得體會每次課設(shè)都是一次難得的熬煉機(jī)會，讓我們能夠充分利用所學(xué)過的理論知識還有自己的想象的能力，另外還讓我們學(xué)習(xí)查找資料的方法,以及自己處理分析電路，設(shè)計電路的能力。我信任是對我的一個很好的提高。平常在學(xué)習(xí)理論知識的時候，我們應(yīng)該更注意實(shí)踐，應(yīng)付考試有考試的方法。這次的課程設(shè)計讓我懂得了事在人為的真正含義,通過我們自己的不懈努力，任何困難都是可以克服的！對于施密特－卡塞格林系統(tǒng)的設(shè)計過程我以為讀寫頭的設(shè)計很難，設(shè)計比較煩瑣，有凹凸透鏡的要求,各鏡片尺寸的設(shè)計，還有好多要求,看起來十分簡潔。后來通過查資料,一切都會變得簡潔。同樣,在這次課程設(shè)計中也遇到了不少問題，集中體現(xiàn)在worｄ運(yùn)用極不嫻熟，尤其是編輯公式時,操作不靈敏,但吃一塹長一智，現(xiàn)在遇到這些問題，準(zhǔn)時解決，以后再做這類事情就會多一點(diǎn)閱歷,就會少出一些類似問題.經(jīng)過這次課程設(shè)計,讓我對前面的路有了更多的信心，由于在這個過程中，我學(xué)到了不少有用的東西,對于幾何光學(xué)有了更深層次的掌握，并且提高了獨(dú)立解決問題的能力。課程設(shè)計不僅僅是一項任務(wù)，而且是一項使命,我們必須靠自己的能力拿出解決問題的方法。只有認(rèn)真，靈敏，嚴(yán)謹(jǐn)才能較好的完成整個設(shè)計，整個電路。這次課程設(shè)計使我得到了多方面的熬煉,無論從毅力,能力，還是定力都得到了大大的提高。參考文獻(xiàn)[1]袁旭滄編著．現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計方法.北京:北京理工高校出版社,199５［２］樊仲維.光學(xué)系統(tǒng)中的二元光學(xué)元件.光學(xué)精密工程，１995,3（2)：1～10［3]崔慶豐,高士平，匡裕光．HYＰERLINＫ"ｈｔtp：//wwｗ．cnki.cｏｍ.ｃn／Ａrｔｉcle/CJＦDＴO(shè)ＴＡL－ＧXJＭ７05。002.ｈtm%0９%09％0９％09%０９％09％09%0