Zemax课堂(分析ray-fan-opd-fa课件.ppt

1、 ZemaxZemax常用的分析诊断工具常用的分析诊断工具Ray fan plotRay fan plot光线扇面图是分析几何像差的有力工具，值得好好学习和分析。光线扇面图是分析几何像差的有力工具，值得好好学习和分析。光线扇面图的坐标轴是如何定义的？有什么意义呢？光线扇面图的坐标轴是如何定义的？有什么意义呢？ 归一化的物、入瞳坐标。通过入瞳某一坐标归一化的物、入瞳坐标。通过入瞳某一坐标【PXPX，PYPY】的光线在像面上有的光线在像面上有唯一的位置唯一的位置【EXEX、EYEY】，以，以PXPX、PYPY为横坐标，为横坐标，EXEX、EYEY为纵坐标，分别建为纵坐标，分别建立坐标系，把通过入瞳

2、的光线都在坐标系里描点就得到了光线扇面图立坐标系，把通过入瞳的光线都在坐标系里描点就得到了光线扇面图离焦、球差、彗差、象散的离焦、球差、彗差、象散的ray fan plotray fan plot纯离焦的光线扇面图。纯离焦的光线扇面图。 只存在离焦时的光线扇面图中曲线是两条方向一致的倾斜直线，直线的只存在离焦时的光线扇面图中曲线是两条方向一致的倾斜直线，直线的斜率可正可负，取决于是正离焦还是负离焦斜率可正可负，取决于是正离焦还是负离焦纯球差的光线扇面图。纯球差的光线扇面图。 从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率为从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率为0 0，表明像面正好是，表明像面正好是近

3、轴像面，没有离焦。曲线整体上来说斜率为负，表示球差欠校近轴像面，没有离焦。曲线整体上来说斜率为负，表示球差欠校正。正。球差和离焦的光线扇面图。球差和离焦的光线扇面图。 从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率不为零，表明像面不在近从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率不为零，表明像面不在近轴像面，存在离焦。经过一个拐点向下的一段曲线说明还有欠校正轴像面，存在离焦。经过一个拐点向下的一段曲线说明还有欠校正 的的球差存在。但是跟前面的球差存在。但是跟前面的ray fanray fan相比，纵坐标范围从相比，纵坐标范围从+-500um+-500um减小到了减小到了+-100um+-100um。说明离焦

4、平衡了球差。说明离焦平衡了球差。 三阶球差的控制，我们用偶次多项式非球面来控制三阶球差。三阶球差的控制，我们用偶次多项式非球面来控制三阶球差。 三阶球差可以用偶次多项式非球面的三阶球差可以用偶次多项式非球面的4 4次项控制，注意看原点附近的曲线，次项控制，注意看原点附近的曲线，没有离焦，三阶球差被控制，剩下校正过的高阶球差。此时纵坐标范围为没有离焦，三阶球差被控制，剩下校正过的高阶球差。此时纵坐标范围为+-0.5um+-0.5um。 偶次多项式非球面的偶次多项式非球面的4 4次项控制可以控制次项控制可以控制3 3阶的球差，阶的球差，6 6次项可以控制次项可以控制5 5阶的球差阶的球差你可以试试

5、控制更高阶的球差，也可以试试同时用离焦来平衡球差，看看你可以试试控制更高阶的球差，也可以试试同时用离焦来平衡球差，看看Ray fanRay fan的曲线如何变化？的曲线如何变化？偶次多项式非球面的公式：偶次多项式非球面的公式：继续控制继续控制5阶的球差，阶的球差，ray fan应应该是这个样子该是这个样子 彗差的光线扇面图如图所示。为了显示出彗差的彗差的光线扇面图如图所示。为了显示出彗差的ray fanray fan曲线，我们设计了曲线，我们设计了一个有偶次非球面的透镜，消除球差，移动透镜前光拦的位置，消除象散，一个有偶次非球面的透镜，消除球差，移动透镜前光拦的位置，消除象散，使存在的彗差是像

6、差的主要贡献，使存在的彗差是像差的主要贡献， 三阶彗差的曲线是归一化入瞳坐标的二次函数。三阶彗差的曲线是归一化入瞳坐标的二次函数。 象散的光线扇面图如图所示。为了显示出象散的象散的光线扇面图如图所示。为了显示出象散的ray fanray fan曲线，我们还用那个有曲线，我们还用那个有偶次非球面的透镜，消除球差，光栏的位置在透镜表面，消除弯曲透镜，使偶次非球面的透镜，消除球差，光栏的位置在透镜表面，消除弯曲透镜，使彗差为零，使象散成为像差的主要贡献。彗差为零，使象散成为像差的主要贡献。 象散的曲线跟离焦有些相似，但是象散的子午曲线和弧矢曲线的斜率不同，象散的曲线跟离焦有些相似，但是象散的子午曲线

7、和弧矢曲线的斜率不同，不仅是大小不同，有时侯斜率的符号也不同。而离焦的子午曲线和弧矢曲线不仅是大小不同，有时侯斜率的符号也不同。而离焦的子午曲线和弧矢曲线的斜率一定相同。的斜率一定相同。常见的常见的ray fanray fan曲线曲线OPD fanOPD fan 光程差图看上去跟光程差图看上去跟ray fanray fan很类似，横坐标也是归一化的入瞳坐标，只是纵很类似，横坐标也是归一化的入瞳坐标，只是纵坐标不由光线在像面上的位置决定，它的纵坐标是出瞳处光线的光程与坐标不由光线在像面上的位置决定，它的纵坐标是出瞳处光线的光程与主光线的光程的差值主光线的光程的差值 OPD fanOPD fan的

8、设置：的设置： Plot scale: Plot scale:设置纵坐标最大范围；设置纵坐标最大范围；number of ray:number of ray:光线追迹时光线的数量；光线追迹时光线的数量；WavelengthWavelength、field:field:用来确定正在计算时选用的波长和视场；用来确定正在计算时选用的波长和视场；TangentialTangential、SagittalSagittal: :这里只能选择这里只能选择OPDOPD；use dashes:use dashes:画图时，是采用颜色表示不同波长画图时，是采用颜色表示不同波长还是用虚线来表示；还是用虚线来表示；c

9、heck aperture:check aperture:检查光线是否能从表面的孔径通过，检查光线是否能从表面的孔径通过，选择此项，使不能通过表面孔径的光线不被画出；选择此项，使不能通过表面孔径的光线不被画出；vignettedvignetted pupil: pupil:选择此选择此项，得到的数据将反映出渐晕的存在。项，得到的数据将反映出渐晕的存在。 重新打开前面讲重新打开前面讲ray fanray fan时的各个例子，看看各个基本像差的时的各个例子，看看各个基本像差的OPDOPD曲线的曲线的特征。你会发现，特征。你会发现，OPDOPD曲线与曲线与ray fanray fan曲线很不一样，事

10、实上他们有一定曲线很不一样，事实上他们有一定的联系，比如的联系，比如ray fanray fan里的离焦曲线是入瞳坐标的一次函数，而离焦的里的离焦曲线是入瞳坐标的一次函数，而离焦的OPDOPD曲线是入瞳坐标的二次函数，其他像差也是如此，他们的曲线是入瞳坐标的二次函数，其他像差也是如此，他们的OPDOPD曲线曲线都比他们的都比他们的ray fanray fan曲线高一阶。曲线高一阶。 像差常有两种表示方法，一种是像面上的横向光线像差，像差常有两种表示方法，一种是像面上的横向光线像差，ray fanray fan表示；一表示；一种是出瞳面上的光程差，用种是出瞳面上的光程差，用OPD fanOPD

11、fan表示。初级横向光线像差一般被称为表示。初级横向光线像差一般被称为三阶的像差，而在出瞳面上，他们对应的三阶的像差，而在出瞳面上，他们对应的OPDOPD是四阶的像差是四阶的像差Field Field CurvCurv/Dist plot/Dist plotField Field CurvCurv/Dist/Dist可以用来分析场曲和畸变。左边的是场曲，右边的是畸变。可以用来分析场曲和畸变。左边的是场曲，右边的是畸变。 场曲图的纵坐标是视场角，横坐标是像点偏离近轴像面的距离，场曲图的纵坐标是视场角，横坐标是像点偏离近轴像面的距离，T T表示表示子午场曲，子午场曲，S S表示弧矢场曲。表示弧矢场

12、曲。畸变图的纵坐标是视场角，横坐标是畸变百分比畸变图的纵坐标是视场角，横坐标是畸变百分比我们来看子午场曲。我们来看子午场曲。 从设计图中可以看到像面是弯曲的表面，而场曲图中的从设计图中可以看到像面是弯曲的表面，而场曲图中的T T曲线基本与曲线基本与y y轴轴重合，表示子午场曲与像面重合，说明现在的像面就是子午场曲面，这重合，表示子午场曲与像面重合，说明现在的像面就是子午场曲面，这个面上，轴外光线的像是弧矢方向的直线。个面上，轴外光线的像是弧矢方向的直线。我们来看弧矢场曲。我们来看弧矢场曲。 这次场曲图中的这次场曲图中的S S曲线基本与曲线基本与y y轴重合，表示弧矢场曲与像面重合，说明轴重合，表示弧矢场曲与像面重合，说明现在的像面是弧矢场曲面，这个面上，轴外光线的像是子午方向的直线。现在的像面是弧矢场曲面，这个面上，轴外光线的像是子午方向的直线。畸变的示意图：畸变的示意图：真实主光线在像面上的高度真实主光线在像面上的高度设为设为H，近轴主光线在像面，近轴主光线在像面上的高度设为上的高度设为h，畸变图中，畸变图中纵坐标计算公式：纵坐标计算公式： 【(H-h)/h】100%