光學系統(tǒng)設計（Zemax初學手冊） }+sT4'Ah>  
蔡長青 ^(FdXGs[  
ISUAL 計畫團隊 15sp|$&`  
國立成功大學物理系 >:b Q  
（第一版，1999年7月29日） y~\oTJb  
前言 aca=yDs2  
整個中華衛(wèi)星二號“紅色精靈”科學酬載計畫，其量測儀器基本上是個光學儀器。所以光學系統(tǒng)的分析乃至于設計與測試是整個酬載發(fā)展重要一環(huán)。 3p'I5,}  
這份初學手冊提供初學者使用軟體作光學系統(tǒng)設計練習，整個需要Zemax光學系統(tǒng)設計軟體。它基本上是Zemax使用手冊中tutorial的中文翻譯，由蔡長青同學完成，并在Zemax E. E. 7.0上測試過。由于蔡長青同學不在參與“紅色精靈”計畫，所以改由黃曉龍同學接手進行校稿與獨立檢驗，整個內(nèi)容已在Zemax E. E. 8.0版上測試過。我們希望藉此初學手冊（共有七個習作）與后續(xù)更多的習作與文件，使團隊成員對光學系統(tǒng)設計有進一步的掌握。（陳志隆注） GI1  
(回內(nèi)容綱目) }1upi=+aE  
習作一：單鏡片(Singlet) {yExQbN  
你將學到：啟用Zemax，如何鍵入wavelength，lens data，產(chǎn)生ray fan，OPD，spot diagrams，定義thickness solve以及variables，執(zhí)行簡單光學設計最佳化。 \*<d{gZ~  
設想你要設計一個F/4單鏡片在光軸上使用，其focal length 為100mm，在可見光譜下，用BK7鏡片來作。 P ! _rEV  
首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作場所，譬如你決定要用何種鏡片，幾個鏡片，鏡片的radius，thickness，大小，位置……等。 J_4!
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然后選取你要的光，在主選單system下，圈出wavelengths，依喜好鍵入你要的波長，同時可選用不同的波長等�，F(xiàn)在在第一列鍵入0.486，以microns為單位，此為氫原子的F-line光譜。在第二、三列鍵入0.587及0.656，然后在primary wavelength上點在0.486的位置，primary wavelength主要是用來計算光學系統(tǒng)在近軸光學近似(paraxial optics，即first-order optics)下的幾個主要參數(shù)，如focal length，magnification，pupil sizes等。 N}t 2Nu-  
再來我們要決定透鏡的孔徑有多大。既然指定要F/4的透鏡，所謂的F/#是什么呢？F/#就是光由無限遠入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直徑的比值。所以現(xiàn)在我們需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是從system menu上選general data，在aper value上鍵入25，而aperture type被default為Entrance Pupil diameter。也就是說，entrance pupil的大小就是aperture的大小。 pS7w' H  
回到LDE，可以看到3個不同的surface，依序為OBJ，STO及IMA。OBJ就是發(fā)光物，即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照過來所遇到的第一個透鏡，你在設計一組光學系統(tǒng)時，STO可選在任一透鏡上，通常第一面鏡就是STO，若不是如此，則可在STO這一欄上按滑鼠，可前后加入你要的鏡片，于是STO就不是落在第一個透鏡上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面�；氐轿覀兊膕inglet，我們需要4個面 (surface)，于是在STO欄上，選取insert cifter，就在STO后面再插入一個鏡片，編號為2，通常OBJ為0，STO為1，而IMA為3。 a8UwhjFO  
再來如何輸入鏡片的材質(zhì)為BK7。在STO列中的glass欄上，直接打上BK7即可。又 ^RI?ybDd  
孔徑的大小為25mm，則第一面鏡合理的thickness為4，也是直接鍵入。再來決定第1及第2面鏡的曲率半徑，在此分別選為100及-100，凡是圓心在鏡面之右邊為正值，反之為負值。而再令第2面鏡的thickness為100。 @qYp>|AF  
現(xiàn)在你的輸入資料已大致完畢。你怎么檢驗你的設計是否達到要求呢？選analysis中的fans，其中的Ray Aberration，將會把transverse的ray aberration對pupil coordinate作圖。其中ray aberration是以chief ray為參考點計算的�？v軸為EY的，即是在Y方個的aberration，稱作tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration稱為XZ plane或sagittal。 i