OAS光学分析软件 | 如何设计单透镜之设置

如何设计单透镜之设置

本篇文章介绍如何使用OAS序列模式界面进行操作。本文以单透镜为例，介绍了设计透镜的基本过程。

简介

单透镜是OAS中最简单的成像系统模型。尽管其结构简单，但通过设计这一基础的成像系统，您不仅可以熟悉OAS的用户界面、掌握基本的设计概念与策略，还能学习如何运用一些基本的分析工具来优化光学性能并验证设计结果。

首先，我们将介绍OAS用户界面中的序列模式；接着，重点讲解如何利用系统选项和镜头数据编辑器正确地设置单透镜参数。此外，还将说明怎样通过求解功能施加特定的设计约束条件。

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如何设计单透镜之设置

镜头分类参数和设计约束 

在这个练习中，我们将设计和优化一个玻璃材料为N-BK7，F数为4的单透镜。最终设计方案应满足以下规格和约束条件:

使用给定OAS的用户界面和可用的工具，可以很容易地建模和优化单透镜！

镜头数据编辑器

在计算机辅助序列透镜设计中，光线按其排列的顺序从一个表面追迹到下一个表面。为此，OAS使用一种名为镜头数据编辑器的电子表格。

打开OAS后，OAS主窗口（工作区）中将出现一个空白的镜头数据编辑器。除了工作区中的镜头数据编辑器，您还将看到窗口顶部的快速访问工具栏。在左边，您将看到系统设置，其中包含有关当前设计的特定系统信息。在序列模式下，镜头数据编辑器是主要的电子表格，其中输入了大部分镜头数据。部分主要输入项包括:

镜头数据编辑器中的每一行表示一个表面。在OAS序列模式中，每个光学系统从无限远物开始，到最后一个平面结束。

通过在高亮单元格中键入所需的值，可以将数据输入到镜头数据编辑器中。光标键或鼠标可以将高亮栏移动到所需的任何一栏。

定义系统设置

我们在设计一个新的镜头时，通常需要把系统设置参数调好，其中包括并行核心数，单位，偏振，光线追迹模式，坐标系法则，光传播方向，光线瞄准，孔径类型，净口径计算，渐晕，环境等。我们主要把单位设置为毫米。

物向导

物向导可以帮助建立透镜的物方参数。可以选择任何允许的物方参数组合，光瞳定义等。只有点击修改之后，系统才会改变。

多种物方类型定义，包括无限远物，有限远物（线性）、有限远物（角度）、广角和快速物。根据前面所述半视场角，我们设置y轴物高为5。

光阑可以定义光阑的位置，尺寸等属性。

光阑面作为系统光缆表面的表面编号，如果为特殊光阑则设为1。其中的半孔径类型可以定义光阑的形状以及尺寸。

光瞳我们选择默认光瞳，根据前面所述，单透镜的F/#必须等于4，有效焦距为100mm。由于F/#为无限共轭的近轴有效焦距与近轴入瞳直径之比，因此入瞳直径为25mm：

所以我们光瞳尺寸（YMP1）输入12.5。

设置波长

OAS中的波长在上方菜单栏的设置板块部分，向导部分的光谱向导中进行定义，打开光谱向导窗口：

此单透镜设计是纯单色的（使用单一波长）。从最初的设计参数来看，使用的波长为0.6328mm（HeNe激光器的波长）。

我们可以把0.4861和0.5876波长的权重设置为0，或者直接可以选择波长类型为Hena（.6328）

插入表面

 一旦确定了系统设置，就可以将每个表面的特定信息输入镜头数据编辑器。重申一下，镜头数据编辑器中的每一行表示一个表面。因此，由玻璃分隔的两个表面组成一个单独的元件。因此，对于单透镜，总共需要4个表面:

• 物面:光线发出的位置。

• 透镜的前表面:光线进入透镜的地方。

• 透镜的后表面:光线从后表面射入空气。

• 像面:光线追迹停止的位置（始终是最后一个表面）。

默认情况下，镜头数据编辑器中只包含三个表面。可以通过上方功能按钮的添加，选择添加表面，或通过在表面上<右键单击>并选择插入，将表面添加到镜头数据编辑器中。

输入镜头数据

单透镜由N-BK7玻璃制成。在OAS中，材料用于区分透镜前后表面。想通过输入材料类型来区分两个表面，只需在透镜数据编辑器中的适当单元格中键入材料名称（本例中为N-BK7）。

 OAS自动将这种材料类型识别为内置玻璃库中编译的众多玻璃之一。玻璃库包含了世界各地制造商提供的数百种玻璃的所有必要信息。OAS将自动在其数据库中查找这种玻璃，以确定每种设计波长下材料的折射率。

一旦将玻璃类型输入到透镜数据编辑器中，单片透镜的透镜厚度就可以输入到表面1的厚度栏中。由于厚度是沿光轴到下一个表面的距离，这就称为透镜元件的中心厚度。作为起始点，可以使用4mm的厚度，因为它是孔径为25mm透镜的合理中心厚度。在表面1的厚度列中键入值：4。注意，这个参数稍后将被设置为优化变量。

同样，第一个表面的曲率半径和透镜后表面与像面之间的厚度不需要预先确定，因为它们将被设置为优化变量。目前，我们将保持表面1的曲率半径为无穷大，并将表面2的厚度更改为100mm。将值100输入到表面2的厚度列中。

求解

当光学设计存在约束时，保持这些约束的方法有两种:

1.将影响这些约束的参数设置为变量，并将边界约束添加到评价函数编辑器中（稍后将介绍）；

2.使用内置的求解功能来执行约束，消除不必要的变量。

后一种选择要好得多。虽然这两种方法都可以调整透镜参数以保持特定的约束，但边界约束会减慢评价函数的执行速度。

OAS中有许多不同的求解类型，每个求解类型都有特定的用途。然而，该设计的性能指标只要求使用其中一个求解类型，打开求解对话框，可以单击所需单元格右侧的较小单元格。基于所选择的参数，可以使用不同的求解类型。

求解类型我们就选择边缘光线角度，目标设置为-0.125，在此情况下边缘光线角度和F数的换算关系为UMC=-1/2F。之后我们可以点击透镜数据编辑器的其他地方，这样镜头结构就会更新。

现在我们的单透镜就建立完成了。