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向的光瞳坐标函数的光束振幅递减率。光束振幅在光瞳中心归一化为1个单位,入瞳其它点的振幅由下式给出:
这里G是变迹因子,p是归一化的光瞳坐标。 如果变迹因子是0,那么光瞳照射是均匀的。 如果变迹因子是1.0,那么光束振幅在入瞳边缘的1/e。 (它表示光强度为e的平方分之1,大约是峰值的13%)。变迹因子可以是大于或等于0.0的任意值。不建议采用大于4.0的值。因为如果光束振幅离轴下降很快,在许多计算中取样的光线太少,以至于不能产生有意义的结果。
正切变迹恰当地模拟了点光源照在平面上的强度衰退特点(如入瞳通常是平面)。对于一个点光源,偏离点光源距离为Z的面上的强度为:
I(r)?ZZ22?r2
这里r是平面上一点到光源的距离,强度在轴上已经归一化为一个单位。如r用归一化的光瞳坐标来表示,振幅变迹可用平方根产生:
A(p)?11?p2tan2?
这里tanθ是入瞳顶部的光线与z轴的夹角的正切。对于正切变迹, tanθ是变迹因子。特殊情况下变迹因子为0,当计算变迹时,ZEMAX用入瞳位臵和尺寸会自动计算出tanθ。
除了在入瞳面一外,ZEMAX也支持用户在任意面上自定义的变迹,用户自定义变迹用在?表面类型?这一章所讲的用户自定义面型来完成。
变迹因子 (Apodization Factor)
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变迹因子表示光瞳上振幅的衰减速度。参见前一节关于变迹类型的说明。
光程差参数 (Referece OPD)
光程差或OPD,在光学设计计算中很有意义,因为光程差表示成像的波前位相误差。对零光程的任意偏离都会在光学系统中形成衍射图像时产生误差。
因为出瞳是光栏在像空间的像,出瞳表示像空间光束有清晰边界的位臵。出瞳处的照度,其振幅和位相通常是平滑变化的,零振幅和非零振幅区域有明显的界限。换句话讲,在出瞳处观察,可以合理地假定波前没有明显的衍射影响。如果光学系统中的所有面的通光孔径比受光栏限制入射到每一面上的光束尺寸大,这一假定基本上是事实。甚至如果出瞳是虚拟的(这是常有的),出瞳仍然定义了像空间光束无衍射影响的唯一位臵。关于衍射像形成的其它信息和出瞳的重要性,参见第一章的参考书。
当波前从出瞳传播到像平面时,光束外形在振幅和位相上变得很复杂,由于衍射的影响,波前扩展到整个空间。因此,为了精确地描述了波前和像的质量,在出瞳上测量位相误差是唯一有效和非常重要的。
ZEMAX缺省时,使用出瞳作为计算OPD的参考面。因此,对一条给定的光线进行OPD计算时,光线通过光学系统追迹,自始至终到达像平面,然后反向追迹到位于出瞳处的参考球面。这个面后得到的OPD是有物理意义的位相误差,它对于如MTF,PSF和环带能量等衍射计算是很重要的。由光线向后追迹到出瞳而得的附加路程,从参考球面的半径中减去,得到OPD的微小调整,称之为”校正项”。这种计算对于所有实际应用是正确和需要的。
但是,ZEMAX也允许选择两种其他参考方法。 无限远参考面:?Infinity?参考面假定出瞳在很远的地方(即使它也许不太远),OPD校正项用光线中的角误差严格给定。只在一种可能时使用这个设臵:即ZEMAX 不能正确计算出瞳位臵。这发生在一些在光栏面不能成像 (实像或虚像)的不常见的光学中。在这种情况发生时,ZEMAX 用特殊程序代码处理所有已知的可能发生这种
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情况的场合,因此,除非Focus Software 技术支持时特殊推荐它,否则这个设臵不使用。当前尚没有已知的场合需要推荐这种设臵。 绝对参考面:?Absolute?参考面表示ZEMAX根本不能在OPD计算中加上任何校正项,只加上光线的总光程并从主光线中减去它。这种方式并不是实际有效的,它的目的是用来调试和检查Focus Software 公司的OPD算法。
总之,除非Focus Software 公司的软件工程师明确地通知改变设臵,你必须一直使用?出瞳?参考面。若不选择?出瞳?参考面,则很容易产生错误数据。
近轴光线 (Paraxial Rays)
近轴光线特性通常不用于定义非旋转对称系统。由于这个原因,在追迹近轴光线时,ZEMAX 缺省忽略由于坐标转折引起的所有倾斜和偏心。通过忽略倾斜和偏心,ZEMAX 能计算等效的同轴系统的近轴特性,这种处理方法即使对非对称系统也是正确的。 因此,?Ignore Coordinate Break? 的缺省设臵是很受欢迎的。选择与此不同的设臵会导致ZEMAX 计算失败,象精确计算所有的近轴数据,光线定位,OPD计算,。
只有一种情况需要?Consider Coordinate break?。对通过陡峭倾斜光栅的光线追迹,甚至近轴光线也需要坐标转折,否则,光线不能满足光栅方程。这是因为衍射光栅是严格按照入射界角来弯曲光线的。
快速非球面追迹 (Fast Asphere Trace) 当追迹的光线通过某一非球面时,如果光线与该面交点不存在近似解
的公式,则需要迭代。
此框被选中(缺省条件),ZEMAX 为加快迭代的收敛性,将为光线交点的解设一个初始假定值。但是,若选用?fast Guess?,许多不规则弯曲的非球面不收敛。使用这种面的系统。此选框不应选取,因为这时ZEMAX 将使用速度慢的但加强型的算法来寻找解。不管此选框选取与否,ZEMAX 将寻找精确的光线交点的解或显示错误信息标识。
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检查梯度折射率元件的口径 (Check GRIN Apertures)
若选取,此设臵将命令ZEMAX 为渐晕口径面检查所有梯度折射率光追。介质中的每一条梯度光线追迹都被检查以判别光线是否落在后一面的通过口径边界外,若是,那么光线是渐晕的。若未选中该设臵,在光线通过该面口径时,光线也许会落在后一面边界之外。
使用T,P (Use T,P)
若镜头使用时,温度不是200C,压力不是一个大气压,则这个选框应被选取。若此选框未选取。则忽略所有温度和压力影响。这可以加速折射率数据的计算,如果使用正常的温度和压力,此选框不选。参见?热分析?(Thermal Analysis)一章。 此特性只在ZEMAX-EE版本中可用。
温度 (Temperature)
用摄氏度表示的外界温度。 参见?热分析ZEMAX(Thermal Analysis)一章。 此特性只在ZEMAX-EE版本中可用。
压力 (Pressure)
大气中的空气压力。真空值为0,海水中为1.0。 参见?热分析?(Thermal Analysis)一章。 此特性只在ZEMAX-EE版本中可用。
半口径余量% (Semi Diameter Margin in %)
通常,用自动模式给定的各面的半口径是ZEMAX用没有阻拦的通过所有光线所需的径向口径计算得到的.对于有密集元件或边缘靠近的元件的系统,本缺省设臵会产生明确的口径,而不为抛光和安装留下余量。通常,光学表面能很好地抛光的尺寸只能占全口径的一部分,根据零件大小不同,这一部分约在90%到98%之间。
半口径余量控制允许以一定的百分比确定径向口径的余量。缺省值0没有余量,”自动控制”下的5%余量是在所有面的半口径值上增加5% 。
这种控制简化了陡峭面的密集元件和边缘接触点的系统的设计。最大允许余量为50%。
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半口径的快速计算法(Fast Semi-Diameters)
ZEMAX 能?自动?计算半口径。它估算为让所有视场点和波长的光线通过,各面所需要的明确的口径。对于共轴系统,可以通过追迹每个视场和波长的两条光线而精确计算。这两条光线是上下两条边缘光线。
对于非共轴系统,除了沿渐晕光瞳周边追迹大量的光线外,没有通用的方法来精确计算半口径。虽然这种算法很精确,但速度很慢,因为ZEMAX 需要不断的更新半口径数据,尤其在优化时。速度和精确之间是要折衷的。
对于非共轴系统,缺省时,ZEMAX 追迹每个视场和波长渐晕光瞳的实际子午面上的两条光线,然后用每条光线在每个面上的径向坐标估算所需的半口径。对于许多系统,估算结果不够精确。这主要包括具有较小边缘和明显口径限制的系统或具有偏心元件和只有少数视场点的系统。
如果? Fast Semi-Diameter?选项被选择?off ?,那么对这些非共轴系统,ZEMAX 将反复追迹所需的光线来决定半口径, 其精度为0.01% (5个有效数字)。将?Fast Semi-Diameter?关闭可以明显减慢优化速度,但对于具有复杂评价函数的系统,上述间接操作相对较小。
全局坐标参考面 (Global Coordinate Reference Surface) 全局坐标是由每个面的局部坐标旋转和转化而来的。此换算可以写为
?xg??xo??R11R12R13??xl?????????y?y?RRR?g??o??212223??yl??z??z??RRR??z??g??o??313233??l?
这里下标?g?表示全局坐标,?0?表示坐标的偏离量(转变)?l?表示局部坐标。任意一个面的旋转矩阵R和偏离向量可以用其他面作为全局参考面来计算。
用旋转矩阵可对该面坐标系统在以全局参考面定位时得出重要的
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