ZEMAX光学设计孔径类型最全解释说明——值得收藏

2020-01-31 by:CAE仿真在线来源:互联网

学习格言:

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孔径类型

光学设计软件在设计初期,分析计算好光学设计参数好之后,就是开始使用设计软件进行优化设计。无论是code v还是zemax,等等光学设计软件,第一步均是对光学系统的系统参数进行设定,当然系统参数有很多,这里我们首先讲讲光学设计的孔径类型。

光学系统是衍射受限系统,受限与光学系统的孔径(光阑),所以每个光学系统都是有孔径光阑的,也就是之所以这是光学系统的一个系统参数。

其中每个透镜都是透光孔,还有一些专门设置的光孔。但是不是每个透镜都是孔径光阑,具体判别哪一个孔径光阑,这个在所有应用光学的教材上均有说明。首先,需要指导两个概念,入瞳(Entrance pupil)和出瞳(Exit pupil)。

入瞳(Entrance pupil)是孔径光阑相对于其前面透镜或者反射镜组成的像。出瞳(Exitpupil)是孔径光阑相对于其后面透镜或者反射镜组成的像。如上图所示。如何确定系统的孔径光阑则是光学系统中的每一个光孔按照这样的方法去计算它的系统物空间的像。物空间的像最小对应的光孔则是系统的孔径光阑,它的物空间的像则是入瞳。下图为普通照象机的孔径光阑,可变的。

图一为zemax中孔径类型的截图,其是通用General中一个孔径(Aperture)标签。Zemax根据不同光学系统的要求和设计的便捷程度,分为了六大类,也是按照经常使用的先后顺序进行降幂排列的。如下表所示,进行了相应的中英文对照:

English	中文
Entrance Pupil Diameter	入瞳直径
Image Space F/#	像空间F数
Object Space NA	物方空间数值孔径NA
Float By Stop Size	光阑尺寸浮动
Paraxial Working F/#	近轴工作F数
Object Cone Angle	物方锥角

(1)入瞳直径(Entrance Pupil Diameter):这个上文进行了说明,孔径光阑在系统的物空间成的像为系统的入瞳直径。孔径类型多使用与第一片透镜或者反射镜作为系统的孔径光阑时选用。此时的孔径光阑和入瞳直径是重合的,孔径值的大小一致。反证法验证:假如光学系统的孔径光阑是系统中间的一块透镜或者一个实物光阑,优化过程中,孔径光阑前组的曲率半径,厚度,间隔,材料在变化,前组的焦距,孔径光阑相对于其前面的透镜的距离等等都在变,结论是入瞳直径一致在变,系统的F数在变化,那么怎么设置该入瞳直径呢? 那么又如何固定孔径光阑的大小呢?所以不便!当然此时不是不能用。常用的望远物镜的设计就可以选用该孔径类型。这种类型也是使用最多的。

(2)像空间F数(ImageSpace F/#):系统的近轴焦距与系统的入瞳直径的比值。适用于系统像面在近轴焦点附近的光学系统设计,因为像空间F数的定义就限制了其的使用,近轴焦距是物点在无穷远,经过光学系统的近轴区,在像方成的像到后主面的距离。如果是近距离成像系统,那么像面也就不在其近轴焦点附近,在设计中参考像空间F数意义就不大了。例如手机镜头设计可以选用此。

(3)物方空间数值孔径NA(Object Space NA):NA=n*sina。其中n为物空间折射率,a为物空间光线的最大张角,或者说是物点发出的边缘光学对应的角度。从定义可以看出,像望远镜这种就不合适使用此类型,其适合对于有限距离的物体成像的光学系统设计,例如显微物镜的光学设计,其中一指标则是物方NA要高。