Пример расчета однолинзового объектива в Zemax. Примеры оптимизации в zemax
Пример расчета однолинзового объектива в Zemax / Хабр
Постановка задачи и исходные данные
Предположим, что наш будущий объектив будет находиться на геостационарной орбите на высоте 35 786 км. Угловое поле объектива должно быть таким, чтобы в него попадала вся Земля. Ни больше, ни меньше. Приемником будет служить фотодиод с размерами 10мм х 10мм = 100мм2. Диаметр входного зрачка (в данном случае это диаметр первой поверхности первого и единственного оптического элемента) составляет 20 мм.Оптическая схема
Для построения оптической схемы нам нужно определить требуемое угловое поле системы и фокусное расстояние.Угловое поле системы Нам известно расстояние от поверхности Земли до входного зрачка нашей системы и средний диаметр Земли. Из этих данных можно рассчитать угловое поле системы.Угловое поле нашей системы составляет 17,2 градуса. Теперь необходимо рассчитать требуемое фокусное расстояние системы:
Фокусное расстояние из этой формулы составит F' = 33,2 мм.
Рис. Принципиальная схема
Отлично! Больше половины работы уже сделано.
Сбор дополнительных параметров для расчета
Для начала необходимо проверить имеющиеся данные.Мы знаем: — количество кривых поверхностей системы, — диаметр входного зрачка системы, — требуемый фокус системы.
Мы пока не знаем: — толщину оптического компонента, — марку стекла оптического компонента, — длина волны, на которой будет работать оптическая система. Можно выбрать эти данные самостоятельно. Но представим, что мы работаем на каком-то передовом предприятии, которое осваивает космос :-)
Толщина линзы = 20мм х 20% = 4мм
Выбор марки стекла Предположим, что специалист по радиационной стойкости рекомендовал использовать радиационностойкое стекло. А специалист-тепловик рекомендовал использовать материал стекла с наименьшим показателем теплового расширения, так как оправа для линзы будет из титана или суперинвара. Вообщем, они еще не определились.Получив рекомендации, было решено, что кварцевое стекло марки КУ-1 отлично подойдет. Сказано — сделано!
Расчет системы с помощью Zemax
Программное обеспечение Zemax здорово упрощает жизнь расчетчикам оптических систем. Это не значит, что ПО сама спроектирует за вас крутую оптическую систему. Но при проектировании оптических систем, когда необходимо проанализировать достаточное количество вариантов, Zemax помогает значительно сократить время в разработке. Считаю, что программа для расчетчиков незаменимая. Конечно же, с одним условием, что у вас куплена оригинальная лицензия ;-)Сейчас не буду вдаваться в подробности описания всех прелестей программы, а сразу покажу ее в деле.
При загрузке программы в первую очередь необходимо ознакомится с окном Lens Data Editor: 
Из имеющихся данных на текущий момент мы здесь можем указать пока только количество поверхностей для трассировки лучей, толщины и марку стекла. В качестве марки стекла выберем представление данных в виде модели, в которой необходимо задать коэффициент преломления для выбранной длины волны для нашего стекла. Так как марка выбранного стекла КУ-1 у нас из отечественного ГОСТа, то данные необходимо искать именно в нем ( в нашем случае ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое» ).
Показатель преломления для стекла КУ-1 для длины волны 0,644 мкм составляет 1,4567. Стоит отметить, что это при температуре +20 градусов по Цельсию. А у нас как раз на борту обогрев до +20 градусов :-)
Итого, на данный момент имеем:
В окне General во вкладке Aperture указываем диаметр входного зрачка 20мм:
Указываем угловое поле системы:
Настройка автоматической оптимизации
При расчете системы мы воспользуемся Optimization, которая встроена в Zemax.Во-первых, указываем параметры, которые у нас смогут изменяться во время оптимизация. В нашем случае такими являются радиусы кривизны поверхностей линзы:
Во-вторых, необходимо сформировать оценочную функцию текущей системы (Default Merit Function). 
Сформируем оценочную функцию на основе RMS. Здесь данный параметр показывает среднеквадратичное отклонение лучей волнового фронта при трассировке лучей.
При оптимизации мы укажем единственный параметр, к которому будем стремиться — требуемое фокусное расстояние. Для этого добавляем параметр EFFL и указываем следующие настройки:
Теперь, когда все параметры заданы, можно использовать функцию оптимизации.
В данном окне можно вручную управлять количеством итераций при подборке наиболее лучшего варианта. Либо можно использовать автоматический расчет для нахождения лучшего варианта.
Оптимизируем. Жмем Exit.
Теперь можно посмотреть что получилось.
Вроде бы неплохо :-) Но итоговый фокус системы равен 33,67 мм, что немного отличается от заданного — 33,2 мм.
Как получить требуемый фокус? Чем выше будет значение Weight в параметре EFFL, тем выше будет приоритет этого параметра при расчете. У меня при параметре Weight = 100 000 оптимизированный фокус получился 33,21 мм. Не привожу последовательность, так как она аналогична вышеуказанной.Итог
Поставленные требования выполняются. Ура! :-)P.S. Я еще не успел освоить весь функционал программы. Да и оптических систем я не особо много рассчитал за все время, поэтому извиняйте если что не так. Комментарии и замечания приветствуются :-)
P.P.S. Это мой первый пост, поэтому не знал в какой топик лучше разместить. Если не прав, то подскажите куда перенести. Спасибо.
habr.com
Пример расчета однолинзового объектива в Zemax
Может так случится, что кому-то понадобится рассчитать простенький фотообъектив для своих коварных планов нужд. А так как я по образованию и долгу профессии — инженер-оптик (начинающий :-), то решил поделиться небольшой инструкцией по расчету простого однолинзового фотообъектива.
Постановка задачи и исходные данные
Предположим, что наш будущий объектив будет находиться на геостационарной орбите на высоте 35 786 км. Угловое поле объектива должно быть таким, чтобы в него попадала вся Земля. Ни больше, ни меньше. Приемником будет служить фотодиод с размерами 5мм х 5мм = 25мм2. Диаметр входного зрачка (в данном случае это диаметр первой поверхности первого и единственного оптического элемента) составляет 20 мм.
Оптическая схема
Для построения оптической схемы нам нужно определить требуемое угловое поле системы и фокусное расстояние.
Угловое поле системыНам известно расстояние от поверхности Земли до входного зрачка нашей системы и средний диаметр Земли. Из этих данных можно рассчитать угловое поле системы.
Среднее значение диаметра Земли D = 12 742 км (R=6 371 км)Расстояние от поверхности земли до объектива = 35 786 км
Угловое поле нашей системы составляет 17,2 градуса.Теперь необходимо рассчитать требуемое фокусное расстояние системы:
Фокусное расстояние из этой формулы составит F' = 33,2 мм.
Рис. Принципиальная схемаОтлично! Больше половины работы уже сделано.
Сбор дополнительных параметров для расчета
Для начала необходимо проверить имеющиеся данные.
Мы знаем:— количество кривых поверхностей системы,— диаметр входного зрачка системы,— требуемый фокус системы.
Мы пока не знаем:— толщину оптического компонента,— марку стекла оптического компонента,— длина волны, на которой будет работать оптическая система.Можно выбрать эти данные самостоятельно. Но представим, что мы работаем на каком-то передовой предприятии, которое осваивает космос :-)
Толщина оптического компонентаМеня учили в институте, что минимальная толщина оптического компонента по оси должна составлять минимум 10% от величины диаметра. Если рассчитывать оптический компонент с небольшим отрицательным фокусов (скорее всего это двояковогнутая линза), то толщины по оси в 10% от диаметра вполне хватит. В нашем случае мы имеем собирающую линзу формирующую действительное изображение ( в рассеивающей линзе изображение мнимое) с положительным фокусом. Соотвественно, необходимо выбрать толщину линзы с учетом стрелок прогиба поверхностей, которые будут увеличивать толщину компонента по оси. Для первого приближения возьмем 20% от диаметра. В нашем случае толщина компонента для расчетов составит:
Толщина линзы = 20мм х 20% = 4мм
Выбор марки стеклаПредположим, что специалист по радиационной стойкости рекомендовал использовать радиационностойкое стекло. А специалист-тепловик рекомендовал использовать материал стекла с наименьшим показателем теплового расширения, так как оправа для линзы будет из титана или суперинвара. Вообщем, они еще не определились.
Получив рекомендации, было решено, что кварцевое стекло марки КУ-1 отлично подойдет. Сказано — сделано!
Выбор длины волныВроде бы почти все данные ест. Карамба! А как же данные о спектральном диапазоне работы системы?! Мы проявляем инициативу и сами идем к разработчикам и получаем необходимую информацию. После этого выжидаем пару дней и занимаемся другими полезными делами. На третий день приходит разработчик и говорит, что решили изменить основную длину волны для объектива. Сказано-сделано! Рабочая длина волны = 0,644 мкм. Теперь можно продолжать наш оптический расчет.
Расчет системы с помощью Zemax
Программное обеспечение Zemax здорово упрощает жизнь расчетчикам оптических систем. Это не значит, что ПО сама спроектирует за вас крутую оптическую систему. Но при проектировании оптических систем, когда необходимо проанализировать достаточное количество вариантов, Zemax помогает значительно сократить время в разработке. Считаю, что программа для расчетчиков незаменимая. Конечно же, с одним условием, что у вас куплена оригинальная лицензия ;-)
Сейчас не буду вдаваться в подробности описания всех прелестей программы, а сразу покажу ее в деле.
При загрузке программы в первую очередь необходимо ознакомится с окном Lens Data Editor: 
Данное окошко содержит информацию о текущей оптической системе. Набор данных похож на формат оптического выпуска, с которым, лично я, познакомился еще в институте :-)
Из имеющихся данных на текущий момент мы здесь можем указать пока только количество поверхностей для трассировки лучей, толщины и марку стекла. В качестве марки стекла выберем представление данных в виде модели, в которой необходимо задать коэффициент преломления для выбранной длины волны для нашего стекла. Так как марка выбранного стекла КУ-1 у нас из отечественного ГОСТа, то данные необходимо искать именно в нем ( в нашем случае ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое» ).
Показатель преломления для стекла КУ-1 для длины волны 0,644 мкм составляет 1,4567. Стоит отметить, что это при температуре +20 градусов по Цельсию. А у нас как раз на борту обогрев до +20 градусов :-)
Итого, на данный момент имеем:В окне General во вкладке Aperture указываем диаметр входного зрачка 20мм:
Указываем угловое поле системы:
Настройка автоматической оптимизации
При расчете системы мы воспользуемся Optimization, которая встроена в Zemax.
Во-первых, указываем параметры, которые у нас смогут изменяться во время оптимизация. В нашем случае такими являются радиусы кривизны поверхностей линзы:
Во-вторых, необходимо сформировать оценочную функцию текущей системы (Default Merit Function). 
Сформируем оценочную функцию на основе RMS. Здесь данный параметр показывает среднеквадратичное отклонение лучей волнового фронта при трассировке лучей.
При оптимизации мы укажем единственный параметр, к которому будем стремиться — требуемое фокусное расстояние. Для этого добавляем параметр EFFL и указываем следующие настройки:Теперь, когда все параметры заданы, можно использовать функцию оптимизации.
В данном окне можно вручную управлять количеством итераций при подборке наиболее лучшего варианта. Либо можно использовать автоматический расчет для нахождения лучшего варианта.
Оптимизируем. Жмем Exit.
Теперь можно посмотреть что получилось.
Вроде бы неплохо :-)Но итоговый фокус системы равен 33,67 мм, что немного отличается от заданного — 33,2 мм.
Как получить требуемый фокус?Чем выше будет значение Weight в параметре EFFL, тем выше будет приоритет этого параметра при расчете.У меня при параметре Weight = 100 000 оптимизированный фокус получился 33,21 мм. Не привожу последовательность, так как она аналогична вышеуказанной.
Итог
Поставленные требования выполняются. Ура! :-)
P.S. Я еще не успел освоить весь функционал программы. Да и оптических систем я не особо много рассчитал за все время, поэтому извиняйте если что не так. Комментарии и замечания приветствуются :-)
P.P.S. Это мой первый пост, поэтому не знал в какой топик лучше разместить. Если не прав, то подскажите куда перенести. Спасибо.
Автор: keslo
Источник
www.pvsm.ru
Пример расчета однолинзового объектива в Zemax / СоХабр
Может так случится, что кому-то понадобится рассчитать простенький фотообъектив для своих коварных планов нужд. А так как я по образованию и долгу профессии — инженер-оптик (начинающий :-), то решил поделиться небольшой инструкцией по расчету простого однолинзового фотообъектива.
Постановка задачи и исходные данные
Предположим, что наш будущий объектив будет находиться на геостационарной орбите на высоте 35 786 км. Угловое поле объектива должно быть таким, чтобы в него попадала вся Земля. Ни больше, ни меньше. Приемником будет служить фотодиод с размерами 10мм х 10мм = 100мм2. Диаметр входного зрачка (в данном случае это диаметр первой поверхности первого и единственного оптического элемента) составляет 20 мм.Оптическая схема
Для построения оптической схемы нам нужно определить требуемое угловое поле системы и фокусное расстояние.Угловое поле системы Нам известно расстояние от поверхности Земли до входного зрачка нашей системы и средний диаметр Земли. Из этих данных можно рассчитать угловое поле системы.Среднее значение диаметра Земли D = 12 742 км (R=6 371 км) Расстояние от поверхности земли до объектива = 35 786 км
Угловое поле нашей системы составляет 17,2 градуса. Теперь необходимо рассчитать требуемое фокусное расстояние системы:
Фокусное расстояние из этой формулы составит F' = 33,2 мм.
Рис. Принципиальная схема
Отлично! Больше половины работы уже сделано.
Сбор дополнительных параметров для расчета
Для начала необходимо проверить имеющиеся данные.Мы знаем: — количество кривых поверхностей системы, — диаметр входного зрачка системы, — требуемый фокус системы.
Мы пока не знаем: — толщину оптического компонента, — марку стекла оптического компонента, — длина волны, на которой будет работать оптическая система. Можно выбрать эти данные самостоятельно. Но представим, что мы работаем на каком-то передовом предприятии, которое осваивает космос :-)
Толщина оптического компонента Меня учили в институте, что минимальная толщина оптического компонента по оси должна составлять минимум 10% от величины диаметра. Если рассчитывать оптический компонент с небольшим отрицательным фокусов (скорее всего это двояковогнутая линза), то толщины по оси в 10% от диаметра вполне хватит. В нашем случае мы имеем собирающую линзу формирующую действительное изображение ( в рассеивающей линзе изображение мнимое) с положительным фокусом. Соотвественно, необходимо выбрать толщину линзы с учетом стрелок прогиба поверхностей, которые будут увеличивать толщину компонента по оси. Для первого приближения возьмем 20% от диаметра. В нашем случае толщина компонента для расчетов составит:Толщина линзы = 20мм х 20% = 4мм
Выбор марки стекла Предположим, что специалист по радиационной стойкости рекомендовал использовать радиационностойкое стекло. А специалист-тепловик рекомендовал использовать материал стекла с наименьшим показателем теплового расширения, так как оправа для линзы будет из титана или суперинвара. Вообщем, они еще не определились.Получив рекомендации, было решено, что кварцевое стекло марки КУ-1 отлично подойдет. Сказано — сделано!
Выбор длины волны Вроде бы почти все данные ест. Карамба! А как же данные о спектральном диапазоне работы системы?! Мы проявляем инициативу и сами идем к разработчикам и получаем необходимую информацию. После этого выжидаем пару дней и занимаемся другими полезными делами. На третий день приходит разработчик и говорит, что решили изменить основную длину волны для объектива. Сказано-сделано! Рабочая длина волны = 0,644 мкм. Теперь можно продолжать наш оптический расчет.Расчет системы с помощью Zemax
Программное обеспечение Zemax здорово упрощает жизнь расчетчикам оптических систем. Это не значит, что ПО сама спроектирует за вас крутую оптическую систему. Но при проектировании оптических систем, когда необходимо проанализировать достаточное количество вариантов, Zemax помогает значительно сократить время в разработке. Считаю, что программа для расчетчиков незаменимая. Конечно же, с одним условием, что у вас куплена оригинальная лицензия ;-)Сейчас не буду вдаваться в подробности описания всех прелестей программы, а сразу покажу ее в деле.
При загрузке программы в первую очередь необходимо ознакомится с окном Lens Data Editor: 
Данное окошко содержит информацию о текущей оптической системе. Набор данных похож на формат оптического выпуска, с которым, лично я, познакомился еще в институте :-)
Из имеющихся данных на текущий момент мы здесь можем указать пока только количество поверхностей для трассировки лучей, толщины и марку стекла. В качестве марки стекла выберем представление данных в виде модели, в которой необходимо задать коэффициент преломления для выбранной длины волны для нашего стекла. Так как марка выбранного стекла КУ-1 у нас из отечественного ГОСТа, то данные необходимо искать именно в нем ( в нашем случае ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое» ).
Показатель преломления для стекла КУ-1 для длины волны 0,644 мкм составляет 1,4567. Стоит отметить, что это при температуре +20 градусов по Цельсию. А у нас как раз на борту обогрев до +20 градусов :-)
Итого, на данный момент имеем:
В окне General во вкладке Aperture указываем диаметр входного зрачка 20мм:
Указываем угловое поле системы:
Настройка автоматической оптимизации
При расчете системы мы воспользуемся Optimization, которая встроена в Zemax.Во-первых, указываем параметры, которые у нас смогут изменяться во время оптимизация. В нашем случае такими являются радиусы кривизны поверхностей линзы:
Во-вторых, необходимо сформировать оценочную функцию текущей системы (Default Merit Function). 
Сформируем оценочную функцию на основе RMS. Здесь данный параметр показывает среднеквадратичное отклонение лучей волнового фронта при трассировке лучей.
При оптимизации мы укажем единственный параметр, к которому будем стремиться — требуемое фокусное расстояние. Для этого добавляем параметр EFFL и указываем следующие настройки:
Теперь, когда все параметры заданы, можно использовать функцию оптимизации.
В данном окне можно вручную управлять количеством итераций при подборке наиболее лучшего варианта. Либо можно использовать автоматический расчет для нахождения лучшего варианта.
Оптимизируем. Жмем Exit.
Теперь можно посмотреть что получилось.
Вроде бы неплохо :-) Но итоговый фокус системы равен 33,67 мм, что немного отличается от заданного — 33,2 мм.
Как получить требуемый фокус? Чем выше будет значение Weight в параметре EFFL, тем выше будет приоритет этого параметра при расчете. У меня при параметре Weight = 100 000 оптимизированный фокус получился 33,21 мм. Не привожу последовательность, так как она аналогична вышеуказанной.Итог
Поставленные требования выполняются. Ура! :-)P.S. Я еще не успел освоить весь функционал программы. Да и оптических систем я не особо много рассчитал за все время, поэтому извиняйте если что не так. Комментарии и замечания приветствуются :-)
P.P.S. Это мой первый пост, поэтому не знал в какой топик лучше разместить. Если не прав, то подскажите куда перенести. Спасибо.
sohabr.net
Пример расчета однолинзового объектива в Zemax tutorial
Может так случится, что кому-то понадобится рассчитать простенький фотообъектив для своих коварных планов нужд. А так как я по образованию и долгу профессии инженер-оптик (начинающий :-), то решил поделиться небольшой инструкцией по расчету простого однолинзового фотообъектива.Постановка задачи и исходные данные Предположим, что наш будущий объектив будет находиться на геостационарной орбите на высоте 35 786 км. Угловое поле объектива должно быть таким, чтобы в него попадала вся Земля. Ни больше, ни меньше. Приемником будет служить фотодиод с размерами 10мм х 10мм = 100мм2. Диаметр входного зрачка (в данном случае это диаметр первой поверхности первого и единственного оптического элемента) составляет 20 мм. Оптическая схема Для построения оптической схемы нам нужно определить требуемое угловое поле системы и фокусное расстояние. Угловое поле системы Нам известно расстояние от поверхности Земли до входного зрачка нашей системы и средний диаметр Земли. Из этих данных можно рассчитать угловое поле системы. Среднее значение диаметра Земли D = 12 742 км (R=6 371 км) Расстояние от поверхности земли до объектива = 35 786 км Угловое поле нашей системы составляет 17,2 градуса. Теперь необходимо рассчитать требуемое фокусное расстояние системы: Фокусное расстояние из этой формулы составит F' = 33,2 мм. Рис. Принципиальная схема Отлично! Больше половины работы уже сделано. Сбор дополнительных параметров для расчета Для начала необходимо проверить имеющиеся данные. Мы знаем: количество кривых поверхностей системы, диаметр входного зрачка системы, требуемый фокус системы. Мы пока не знаем: толщину оптического компонента, марку стекла оптического компонента, длина волны, на которой будет работать оптическая система. Можно выбрать эти данные самостоятельно. Но представим, что мы работаем на каком-то передовом предприятии, которое осваивает космос :-) Толщина оптического компонента Меня учили в институте, что минимальная толщина оптического компонента по оси должна составлять минимум 10% от величины диаметра. Если рассчитывать оптический компонент с небольшим отрицательным фокусов (скорее всего это двояковогнутая линза), то толщины по оси в 10% от диаметра вполне хватит. В нашем случае мы имеем собирающую линзу формирующую действительное изображение ( в рассеивающей линзе изображение мнимое) с положительным фокусом. Соотвественно, необходимо выбрать толщину линзы с учетом стрелок прогиба поверхностей, которые будут увеличивать толщину компонента по оси. Для первого приближения возьмем 20% от диаметра. В нашем случае толщина компонента для расчетов составит: Толщина линзы = 20мм х 20% = 4мм Выбор марки стекла Предположим, что специалист по радиационной стойкости рекомендовал использовать радиационностойкое стекло. А специалист-тепловик рекомендовал использовать материал стекла с наименьшим показателем теплового расширения, так как оправа для линзы будет из титана или суперинвара. Вообщем, они еще не определились. Получив рекомендации, было решено, что кварцевое стекло марки КУ-1 отлично подойдет. Сказано сделано! Выбор длины волны Вроде бы почти все данные ест. Карамба! А как же данные о спектральном диапазоне работы системы?! Мы проявляем инициативу и сами идем к разработчикам и получаем необходимую информацию. После этого выжидаем пару дней и занимаемся другими полезными делами. На третий день приходит разработчик и говорит, что решили изменить основную длину волны для объектива. Сказано-сделано! Рабочая длина волны = 0,644 мкм. Теперь можно продолжать наш оптический расчет. Расчет системы с помощью Zemax Программное обеспечение Zemax здорово упрощает жизнь расчетчикам оптических систем. Это не значит, что ПО сама спроектирует за вас крутую оптическую систему. Но при проектировании оптических систем, когда необходимо проанализировать достаточное количество вариантов, Zemax помогает значительно сократить время в разработке. Считаю, что программа для расчетчиков незаменимая. Конечно же, с одним условием, что у вас куплена оригинальная лицензия ;-) Сейчас не буду вдаваться в подробности описания всех прелестей программы, а сразу покажу ее в деле. При загрузке программы в первую очередь необходимо ознакомится с окном Lens Data Editor: Данное окошко содержит информацию о текущей оптической системе. Набор данных похож на формат оптического выпуска, с которым, лично я, познакомился еще в институте :-) Из имеющихся данных на текущий момент мы здесь можем указать пока только количество поверхностей для трассировки лучей, толщины и марку стекла. В качестве марки стекла выберем представление данных в виде модели, в которой необходимо задать коэффициент преломления для выбранной длины волны для нашего стекла. Так как марка выбранного стекла КУ-1 у нас из отечественного ГОСТа, то данные необходимо искать именно в нем ( в нашем случае ГОСТ 15130- 86 Стекло кварцевое оптическое ). Показатель преломления для стекла КУ-1 для длины волны 0,644 мкм составляет 1,4567. Стоит отметить, что это при температуре +20 градусов по Цельсию. А у нас как раз на борту обогрев до +20 градусов :-) Итого, на данный момент имеем: В окне General во вкладке Aperture указываем диаметр входного зрачка 20мм: Указываем угловое поле системы: Настройка автоматической оптимизации При расчете системы мы воспользуемся Optimization, которая встроена в Zemax. Во-первых, указываем параметры, которые у нас смогут изменяться во время оптимизация. В нашем случае такими являются радиусы кривизны поверхностей линзы: Во-вторых, необходимо сформировать оценочную функцию текущей системы (Default Merit Function). Сформируем оценочную функцию на основе RMS. Здесь данный параметр показывает среднеквадратичное отклонение лучей волнового фронта при трассировке лучей. При оптимизации мы укажем единственный параметр, к которому будем стремиться требуемое фокусное расстояние. Для этого добавляем параметр EFFL и указываем следующие настройки: Теперь, когда все параметры заданы, можно использовать функцию оптимизации. В данном окне можно вручную управлять количеством итераций при подборке наиболее лучшего варианта. Либо можно использовать автоматический расчет для нахождения лучшего варианта. Оптимизируем. Жмем Exit. Теперь можно посмотреть что получилось. Вроде бы неплохо :-) Но итоговый фокус системы равен 33,67 мм, что немного отличается от заданного 33,2 мм. Как получить требуемый фокус? Чем выше будет значение Weight в параметре EFFL, тем выше будет приоритет этого параметра при расчете. У меня при параметре Weight = 100 000 оптимизированный фокус получился 33,21 мм. Не привожу последовательность, так как она аналогична вышеуказанной. Итог Поставленные требования выполняются. Ура! :-) P.S. Я еще не успел освоить весь функционал программы. Да и оптических систем я не особо много рассчитал за все время, поэтому извиняйте если что не так. Комментарии и замечания приветствуются :-) P.P.S. Это мой первый пост, поэтому не знал в какой топик лучше разместить. Если не прав, то подскажите куда перенести. Спасибо.
in-space.info
Пример расчета однолинзового объектива в Zemax
Может так случится, что кому-то понадобится рассчитать простенький фотообъектив для своих
коварных плановнужд. А так как я по образованию и долгу профессии — инженер-оптик (начинающий :-), то решил поделиться небольшой инструкцией по расчету простого однолинзового фотообъектива.
Постановка задачи и исходные данные
Предположим, что наш будущий объектив будет находиться на геостационарной орбите на высоте 35 786 км. Угловое поле объектива должно быть таким, чтобы в него попадала вся Земля. Ни больше, ни меньше. Приемником будет служить фотодиод с размерами 10мм х 10мм = 100мм2. Диаметр входного зрачка (в данном случае это диаметр первой поверхности первого и единственного оптического элемента) составляет 20 мм.
Оптическая схема
Для построения оптической схемы нам нужно определить требуемое угловое поле системы и фокусное расстояние.
Угловое поле системыНам известно расстояние от поверхности Земли до входного зрачка нашей системы и средний диаметр Земли. Из этих данных можно рассчитать угловое поле системы.
Среднее значение диаметра Земли D = 12 742 км (R=6 371 км)
Расстояние от поверхности земли до объектива = 35 786 км
Угловое поле нашей системы составляет 17,2 градуса.
Теперь необходимо рассчитать требуемое фокусное расстояние системы:
Фокусное расстояние из этой формулы составит F' = 33,2 мм.
Рис. Принципиальная схема
Отлично! Больше половины работы уже сделано.
Сбор дополнительных параметров для расчета
Для начала необходимо проверить имеющиеся данные.
Мы знаем:
— количество кривых поверхностей системы,
— диаметр входного зрачка системы,
— требуемый фокус системы.
Мы пока не знаем:
— толщину оптического компонента,
— марку стекла оптического компонента,
— длина волны, на которой будет работать оптическая система.
Можно выбрать эти данные самостоятельно. Но представим, что мы работаем на каком-то передовом предприятии, которое осваивает космос :-)
Толщина оптического компонентаМеня учили в институте, что минимальная толщина оптического компонента по оси должна составлять минимум 10% от величины диаметра. Если рассчитывать оптический компонент с небольшим отрицательным фокусов (скорее всего это двояковогнутая линза), то толщины по оси в 10% от диаметра вполне хватит. В нашем случае мы имеем собирающую линзу формирующую действительное изображение ( в рассеивающей линзе изображение мнимое) с положительным фокусом. Соотвественно, необходимо выбрать толщину линзы с учетом стрелок прогиба поверхностей, которые будут увеличивать толщину компонента по оси. Для первого приближения возьмем 20% от диаметра. В нашем случае толщина компонента для расчетов составит:
Толщина линзы = 20мм х 20% = 4мм
Выбор марки стеклаПредположим, что специалист по радиационной стойкости рекомендовал использовать радиационностойкое стекло. А специалист-тепловик рекомендовал использовать материал стекла с наименьшим показателем теплового расширения, так как оправа для линзы будет из титана или суперинвара. Вообщем, они еще не определились.
Получив рекомендации, было решено, что кварцевое стекло марки КУ-1 отлично подойдет. Сказано — сделано!
Выбор длины волныВроде бы почти все данные ест. Карамба! А как же данные о спектральном диапазоне работы системы?! Мы проявляем инициативу и сами идем к разработчикам и получаем необходимую информацию. После этого выжидаем пару дней и занимаемся другими полезными делами. На третий день приходит разработчик и говорит, что решили изменить основную длину волны для объектива. Сказано-сделано! Рабочая длина волны = 0,644 мкм. Теперь можно продолжать наш оптический расчет.
Расчет системы с помощью Zemax
Программное обеспечение Zemax здорово упрощает жизнь расчетчикам оптических систем. Это не значит, что ПО сама спроектирует за вас крутую оптическую систему. Но при проектировании оптических систем, когда необходимо проанализировать достаточное количество вариантов, Zemax помогает значительно сократить время в разработке. Считаю, что программа для расчетчиков незаменимая. Конечно же, с одним условием, что у вас куплена оригинальная лицензия ;-)
Сейчас не буду вдаваться в подробности описания всех прелестей программы, а сразу покажу ее в деле.
При загрузке программы в первую очередь необходимо ознакомится с окном Lens Data Editor:
Данное окошко содержит информацию о текущей оптической системе. Набор данных похож на формат оптического выпуска, с которым, лично я, познакомился еще в институте :-)
Из имеющихся данных на текущий момент мы здесь можем указать пока только количество поверхностей для трассировки лучей, толщины и марку стекла. В качестве марки стекла выберем представление данных в виде модели, в которой необходимо задать коэффициент преломления для выбранной длины волны для нашего стекла. Так как марка выбранного стекла КУ-1 у нас из отечественного ГОСТа, то данные необходимо искать именно в нем ( в нашем случае ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое» ).
Показатель преломления для стекла КУ-1 для длины волны 0,644 мкм составляет 1,4567. Стоит отметить, что это при температуре +20 градусов по Цельсию. А у нас как раз на борту обогрев до +20 градусов :-)
Итого, на данный момент имеем:
В окне General во вкладке Aperture указываем диаметр входного зрачка 20мм:
Указываем угловое поле системы:
Настройка автоматической оптимизации
При расчете системы мы воспользуемся Optimization, которая встроена в Zemax.
Во-первых, указываем параметры, которые у нас смогут изменяться во время оптимизация. В нашем случае такими являются радиусы кривизны поверхностей линзы:
Во-вторых, необходимо сформировать оценочную функцию текущей системы (Default Merit Function).
Сформируем оценочную функцию на основе RMS. Здесь данный параметр показывает среднеквадратичное отклонение лучей волнового фронта при трассировке лучей.
При оптимизации мы укажем единственный параметр, к которому будем стремиться — требуемое фокусное расстояние. Для этого добавляем параметр EFFL и указываем следующие настройки:
Теперь, когда все параметры заданы, можно использовать функцию оптимизации.
В данном окне можно вручную управлять количеством итераций при подборке наиболее лучшего варианта. Либо можно использовать автоматический расчет для нахождения лучшего варианта.
Оптимизируем. Жмем Exit.
Теперь можно посмотреть что получилось.
Вроде бы неплохо :-)
Но итоговый фокус системы равен 33,67 мм, что немного отличается от заданного — 33,2 мм.
Как получить требуемый фокус?Чем выше будет значение Weight в параметре EFFL, тем выше будет приоритет этого параметра при расчете.
У меня при параметре Weight = 100 000 оптимизированный фокус получился 33,21 мм. Не привожу последовательность, так как она аналогична вышеуказанной.
Итог
Поставленные требования выполняются. Ура! :-)
P.S. Я еще не успел освоить весь функционал программы. Да и оптических систем я не особо много рассчитал за все время, поэтому извиняйте если что не так. Комментарии и замечания приветствуются :-)
P.P.S. Это мой первый пост, поэтому не знал в какой топик лучше разместить. Если не прав, то подскажите куда перенести. Спасибо.
This entry passed through the Full-Text RSS service — if this is your content and you're reading it on someone else's site, please read the FAQ at fivefilters.org/content-only/faq.php#publishers.
habrparser.blogspot.com
Zemax_1
Введение. Основы работы в ZEMAX
В ZEMAX существуют различные типы окон.
Главное окно имеет большую свободную область с заголовком, панелью меню и панелью инструментов вверху. Команды, доступные на этой панели меню, применяются к оптической системе в целом.
Окна редакторов (шесть различных редакторов): Редактор данных линз (Lens Data Editor), Редактор функции качества (Merit Function Editor),
Редактор мультиконфигураций (Multi-ConfigurationEditor), Редактор допусков (Tolerance Data Editor, только вZEMAX-EE),Редактор дополнительных данных (Extra Data Editor) и Редактор непоследовательных компонентов(Non-SequentialComponents Editor).
Графические окна используются, чтобы отобразить графические данные проектируемой системы, ход луча и графики MTF.
Текстовые окна применяются для отображения текстовых данных типа данных задания, коэффициентов аберраций и численных данных.
Диалоговые окна (неизменяемые всплывающие окна) используются, чтобы изменить опции или значения полевых углов, длин волн, апертур и типов поверхностей. Также широко применяются для изменения опций в графических и текстовых окнах, чтобы, например, изменить число лучей на графике проектируемой системы.
Все окна могут быть перемещены или изменены (кроме диалоговых) с использованием стандартной мыши или команд клавиатуры.
Операции в главном окне:
Файл (File): используется, чтобы открыть (Open), закрыть (Close), сохранить (Save) и переименовать (Save as...) файлы.
Редакторы (Editors): используются для вызова любого из окон редакторов.
Система (System): используется для отображения свойств оптической системы в целом, таких как длина волны, параметры полей, апертура.
Для ввода в систему нужных длин волн выберем опцию System (система), а затем в выпавшем подменю опцию Wavelengths (длины волн). В центре экрана появится диалоговое окно под названием Wavelength Data. Установите курсор и нажмите мышкой сначала на окна, имеющие название Use (использование). Этим устанавливаются в программе флажки, указывающие на количество длин волн, используемых при вычислении. В ячейке с названием Wavelength устанавливается необходимая длина волны.
В ZEMAX величины длин волн всегда выражаются в микрометрах.
Окно Field Data определяет количество и углы поля зрения в системе. Установите курсор и нажмите мышкой сначала на окна, имеющие название Use (использование). Этим устанавливаются в программе флажки, указывающие на количество полей, используемых при вычислении. В окнах с названиями X-FieldиY-Fieldуказываются углы поля зрения.
Апертура линзы определяется в подменю General Data (главные данные). Нажмите мышкой на элемент под названием Aper Value и введите
studfiles.net
Zemax_1 - Стр 2
В таблице редактора LDE автоматически установится новая величина толщины поверхности 1. Появившаяся рядом с этой величиной буква Е означает, что на этот параметр наложено специальное условие.
Обновите снова окно с данными о поверхности. Посмотрите сейчас на график аберраций. Затем запустите алгоритм оптимизации (выберите Tools, Optimization и режим Automatic). После оптимизации выйдите из режима оптимизации, нажав на Exit, выберите в главном меню System и Update All для обновления графиков.
Проверим внеосевые характеристики дуплета. Из главного меню выберите System, Fields (поля) для входа в диалоговое окно Field Data (дaнныe поля зрения). Откройте три поля, нажав в колонке Use на 2 и 3. Во втором ряду колонки Y-полявведите число 7 (градусов) и в третье введите число 10. Оставьте в первом ряду нулевое значение для осевого направления. Оставьте также нулевые значения в рядахX поля. Теперь выберите System, Update All. Появится график аберраций, показанный на рис. 4. График может слегка отличаться от показанного на этом рисунке в зависимости от того, как прошла реоптимизация системы после введенных функций solves.
Анализ графика аберраций показывает, что главная аберрация – это кривизна поля. Величину этой аберрации можно оценить по графику кривизны поля. Выберите из главного меню
Analysis, Miscellaneous, Field Curv/Dist (кривизна поля / дисторсия). Появится график, показанный на рис. 5.
Левый график изображает величины смещения параксиального фокуса в зависимости от угла поля, а правый – дисторсию реальных лучей относительно параксиального луча.
Рис. 5
7. Моделирование телеобъектива
Исходные данные: диаметры линз 60 мм для 1 и 2, 58 мм для 3 и 4, 54 мм для 5, 40 мм для 6. Расстояние между линзами 2 и 3 – 5 мм, 4 и 5 – 10 мм, 5 и 6 – 15 мм. Фокус задаем 80 мм.
Открываем меню File, выбираем Sequential or Mixed Sequential/NonSequential Mode. Открывается окно Lens Data Editor, основная таблица, куда и будем вводить данные. Введем 13 дополнительных строк.
Открываем меню System, выбираем пункт Wavelength, в открывшемся окне указываем длины волн, которые будем использовать при моделировании объектива. Для этого внизу этого окна выбираем Select – F, d, C (visible). Автоматически заполняются три строчки этого окна длинами волн (синяя, зеленая, красная – стандартная система RGB). Размеры длин волн – в микронах. В этом же меню System открываем вкладку General. В General открываем Aperture, вводим Aperture Value – 47.2, это будет входная
studfiles.net
