引言

 ZEMAX可以在一个设计中应用多重结构。典型的应用如:变焦透镜模拟(镜片间的间距发生改变),有温度改变的系统,扫描反射镜角度改变的系统,或许多其他系统。现在我们使用多重结构来模拟一个系统,选择透镜库里面的现成透镜,通过一个反射镜实现对整个像面上的扫描。  

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ZEMAX包括了所有主要生产商的透镜库,所以您能轻松地找到透镜库。点击File…New来新建一个ZEMAX程序,然后点击Tool…Catalogs…Lens Catalog或点击Len按钮,弹出以下对话框: 

 

在焦距99-101mm、入瞳直径20-25mm之间寻找平-凸的单透镜。注意在Edmund Optics透镜库中的4060个透镜文件有27个透镜符合我们的搜索标准。选择编号为32481的透镜并点击Load按扭,ZEMAX便载入了这个透镜:

 

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我们的目标是设计一个扫描镜,扫描焦点±10°在标称90°反射角周围。

首先,注意透镜已被载入并照明到它机械孔径的边缘。因为透镜需要由某种机械边缘固定,所以我们需要将入瞳直径设置小一些(因为这是透镜库中的透镜,故它的机械直径是固定的)。在General...Aperture下,设置入瞳直径为18。检查单位选项查看透镜的单位。

点击表面2的任一位置,注意该表面的厚度由边缘光线高度求解Solve控制的,通过厚度旁边的M标志可以看到。这样保证了透镜在近轴焦点上。我们将在下个篇章讨论研究更多内容。目前,只需在点击表面2之后点击Insert插入一个新的表面。表面厚度定为70mm,注意最后一个表面的厚度会自动更改来保证透镜聚焦于焦面上:

  

 

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 现在我们使表面3成为一个“Fold Mirror”,它能以一定的角度反射光线。点击表面3,然后点击Tools…Coordinates…Add Fold Mirror,对话框设置如下: 

 

点击OK键后在2D-Layout窗口会再次显示“非轴对称系统无法使用2D窗口”。关闭这个窗口,然后打开3D Layout图,您将得到: 

 

这个功能插入了两个虚拟表面,一个在选择的折叠表面前一个在后。折反表面的玻璃类型设置为MIRROR,这是一个特殊的状态告诉ZEMAX现在光线应该以相反方向传播。两个新插入的相邻表面要设置为有适当倾斜角度的坐标断点。第二个倾斜角度设置为跟随第一个倾斜角度。

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 最后,之后所有表面厚度和曲率将改变符号以适应新反射镜。记住,光线通常沿Z轴正向传播,但是经反射镜之后它显然变为另一个方向。使用Add Fold Mirror/Delete Fold Mirror工具将自动实现所有冗长的符号转化。

如果是手工插入透镜,我们就要手动修改厚度符号。例如,插入一个反射镜后面的厚度都乘以-1,插入第二个反射镜,后面的厚度就再乘以-1(也就是“负负得正”了)。

现在我们想要反射镜扫描±10°,我们将最初倾斜它到+10°,然后使用多重结构定义多重倾斜角度。点击表面4(现在是反射镜表面)。点击Tools...Coordinates...Tilt/Decenter Element然后设置如下对话框: 

 

注意像表面半径已经通过透镜数据编辑器的用户自定义状态标志手动设置。点击这个半径,然后输入半径值为12mm:

  

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倾斜/偏心元件工具已经操作,就像初期的双高斯实例,它加入了两个有跟随求解Solve的坐标断点表面来倾斜反射镜表面。这两套坐标断点是“嵌套的”,所以通过倾斜/偏心工具加入的这套坐标断点是置于通过Fold Mirror工具加入的一套坐标断点里面的:

  

您可以手动更改±10°值,然后更新3D图,或点击Tools…Miscellaneous…Slider然后设置如下对话框: 

 

点击“Animate”按钮,当表面4的Tilt About X(参数3)扫描时,所有打开的窗口将自动更新。现在退出Slider并点击Editors…Multi-Configuration: 

 

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当前系统只有一个结构,多重结构操作数MOFF(“Multiconfiguration OFF”)是一个占位符并不影响其他东西,允许您在编辑器中输入您想要的注解。

注:多重结构编辑器用于定义一切不同结构的状态。

我们将定义5个结构,分别代表扫描角度+10°,+5°,0°,-5°和-10°。点击多重结构编辑器,并点击Edit…Insert Configuration四次或同时按下<Shift><Ctrl><Insert>键四次,得到总共五个结构: 

 

多重结构编辑器中的每一行都是一个操作数,对应于透镜数据编辑器中或一些其他系统的参数,可允许改变它的值。在“MOFF”操作数上移动鼠标并双击左键来编辑操作数。所有的ZEMAX支持的多重结构操作数都能从对话框的下拉菜单中选择。如下这样建立:

  

PRAM操作数用以提取参数数据,在本例子中提取表面4的第三个参数,并在编辑器中输入它的当前值。 

如下编辑这些数值: 

 

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注:查看用户手册第20章“多重结构”,获得更多多重结构操作数。

使用<ctrl>+A键来改变现有组态,注意所有打开的窗口自动更新以显示当前结构的数据。设置3D窗口如下: 

 

最后,点击Analysis…Spot Diagrams…Configuration Matrix查看不同扫描角度的光斑值:  

   

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