zemax笔记12——变焦系统的设计

zemax多重结构介绍

对于一些特殊系统，随使用状况的不同会有不同的结构参数，如变焦系统在不同焦距时，各组件之间的距离不同。设计这类系统时就需要使用zemax的多重结构。

• 常见的需使用多重结构的系统
• 变焦系统。焦距不同，参数不同。
• 消热差系统。温度不同，参数不同。
• 多光路系统。如 透镜阵列、分光系统 等。
• 扫描系统。不同的扫描位置，参数不同。
• 可换组件系统。如 可换目镜的显微镜。

本例中变焦系统的要求

系统设计要求

设置基本结构参数

• 构建初始结构：
  插入3组镜头需要的9个表面，并选择对应玻璃材料：

  
  基本结构

• 基本参数：
  设置入瞳直径为25 mm （genral菜单中）
  设置视场为 虚像高，三个视场分别选 0、 12、 17。（fileds菜单中）
  （确定后弹出警告未发现视场像高所需光线，因为所有厚度参数都没有设置造成，不影响后续设置，后面还会多次弹出。为了不再让软件弹出警告，将所有镜头表面的曲率半径都随便设置一个数。）

  
  视场设置

设置光线为 F,d,C光。（wavelengths菜单中）

设置变量和评价函数

• 注意：平时我们令系统最后一个表面曲率使用F数解求得，来控制系统的F数。但是对于多重结构系统来说，其F数会有变化，则不能使用这个方法来控制。这时需在优化函数编辑器中使用effl操作数来控制不同情况下的焦距。

• 注意：镜头数据编辑器中有一样显示各表面的半孔径，是软件自动根据该面通过的边缘光线计算得到的，在变焦系统中，不同变焦位置边缘光线位置不同，所得到的孔径大小也不同，所以要将其设置为取最大值，使其符合实际情况。

• 构建多重结构参数
  本例中有三个变焦位置对应三个不同结构。
  打开多重结构编辑器：
  editors -> multi configuration：
  插入三个结构：
  edit -> insert config 。

  
  插入三个结构
  

  在变焦系统中会变的参数为各镜片组之间的距离，在这个系统中分别为：第一组到光阑的距离，光阑到第二组的距离，第二组到第三组的距离，第三组到像面的距离 ，共4个距离可以更改。多重结构编辑器中使用4行操作数来控制，同样使用 insert键来插入行。使用THIC操作数来获得各个距离值，并将各距离值设为变量供软件来优化（快捷键 Ctrl+z ）：

  
  多重结构设置

只在多重结构编辑器输入不同结构下有区别的量。

• 设置优化目标
  打开优化函数编辑器（merit function editor）
  使用了多重结构后，优化函数编辑器中自动多了一行CONF操作数，此操作数表示选择一个结构，后续操作都是对当前选定的结构有效，直至重新摆选择一个结构。

• 基础优化设置：
  优化函数使用 均方根 离散斑 方法。
  玻璃材料的中心和边缘厚度为2，最大为8。
  空气间隔 中心 和 边缘 仍为 2 ，最大为1000 。

  
  基础优化设置

• 设置多重结构相关优化参数
  在优化函数编辑器上方插入一些空行，设置为conf操作数，并限制不同结构的焦距（设置焦距值和权重）：

  
  设置conf操作数
  设置焦距和权重

设置完成后 双击 刷新。

• 设置镜头 曲率半径，厚度 等为变量
  将剩下的3组镜头的9个曲率半径，6个玻璃材料的厚度 都设置为变量。
  将 半孔径值（semi-diameter） 都设置为最大值。

  
  设置变量

进行优化

为了更好的看到优化过程中系统的变化，打开3d视图 （3d layout）
右键弹出对话框进行设置，使多重结构同时显示：

多重结构分别显示

打开优化窗口（ optimization），勾选自动更新（auto update），开始优化（automatic）。

几分钟后出现优化结果，然而厚度有负值。显然不正确。为了避免厚度出现负值，将厚度均设为10（任意正值）。

因为所有参数都是任意设置的，和全局最优解差距很大，为了跳过局部最优解直接得到全局最优解，采用垂轴优化（hammer optimization）来优化。

经过数十个小时优化后，优化还没结束，不过数据已经两个多小时没有更新，可认为是全局最优解：

垂轴优化 Paste_Image.png 3D layout 镜头数据

end

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