лаба 1 основы оптики. Изучение программного пакета Zemax

Название	Изучение программного пакета Zemax
Дата	04.03.2022
Размер	2.27 Mb.
Формат файла
Имя файла	лаба 1 основы оптики.docx
Тип	Отчет #383013

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Институт прикладной математики информатики и физики

Кафедра физики и прикладной математики
Отчёт по практической работе №1

«Изучение программного пакета Zemax»

Выполнили:

Ст. гр. ЛТ-117

Станкевич К.М.

Липатов В.М.

Сидоров А.Г.

Новиков Д.А.

Приняла:

Шаманская Е.Л.
Владимир 2019

Теоретическая часть:

Zemax – это ставший уже стандартным в оптической индустрии всего мира и весьма простой в использовании пакет программ для проектирования оптических систем практически любой сложности.
Функции и приложения:

Основная задача утилиты Zemax состоит в том, чтобы произвести анализ и спроектировать построение оптических приборов.

Это программа оптического проектирования, которая используется для проектирования и анализа систем визуализации, таких как объективы камер, а также систем освещения. Она работает путем трассировки лучей - моделирования распространения лучей через оптическую систему. Она может моделировать влияние оптических элементов, таких как простые объективы, асферические объективы, объективы градиент-индекса, зеркала и дифракционные оптические элементы, и может произвести стандартные диаграммы анализа как диаграммы пятна и диаграммы луч-вентилятора. Zemax также может моделировать влияние оптических покрытий на поверхности деталей. Она включает в себя библиотеку фондовых коммерческих линз. Zemax может выполнять стандартную последовательную трассировку лучей через оптические элементы, непоследовательную трассировку лучей для анализа рассеянного света и распространение пучка физической оптики. Оно также позволяет осуществлять анализ влияния дефектов при изготовлении и анализ ошибок агрегата.

Особенность распространения в физической оптике может быть использована для решения задач, где важна дифракция, включая распространение лазерных лучей и соединение света в одномодовые оптические волокна. Инструменты оптимизации Zemax могут быть использованы для улучшения первоначальной конструкции объектива путём автоматической настройки параметров для максимизации производительности и уменьшения аберраций.

Утилита включает в себя обширную библиотеку компонентов, где можно посмотреть информацию о зеркалах, линзах и стеклах. Благодаря программе, вы сможете быстро рассчитать сложную систему из различных дифракционных решёток. Утилита наглядно показывает поведение лучей в различных спектрах. В процессе использования можно получить информацию о потери света, разрешающей способности определенных объектов. Благодаря полученным расчетам, вы сможете самостоятельно построить оптический прибор. Все данные вводятся в таблицу в главном меню программы.
Полная версия программного пакета Zemax включает в себя:

- программы по моделированию оптических систем с последовательно расположенными элементами (так называемые последовательные системы), включая их всесторонний анализ, оптимизацию, расчет и анализ допусков;

- программы по моделированию физического распространения когерентных и частично-когерентных пучков через сложные оптические системы (физическая оптика);

- программы по моделированию оптических систем с произвольно расположенными в пространстве элементами, внутренними источниками и детекторами излучения (так называемые непоследовательные системы), включая эффекты поляризации, расщепления и рассеивания лучей на поверхностях и в объеме, моделирование тонкопленочных покрытий

- программы по экспорту и импорту объектов в механические CAD-программы.
История:

Первоначально Zemax была написана Кеном Муром и была первой программой оптического дизайна, специально написанной для Windows. Она стала коммерчески доступной в 1990 году.
Т ипы окон:
В ZEMAX с уществуют различные типы окон, каждое из которых выполняет разные функции. Типы окон следующие:

Главное окно: Это окно имеет большую свободную область с заголовком, панелью меню и панелью инструментов вверху. Команды, доступные на этой панели меню вообще применяются к текущей оптической системе в целом.\
Окна редакторов: существует шесть различных редакторов: Редактор данных линз (Lens Data Editor), Редактор функции качества (Merit Function Editor), Редактор мультиконфигураций (MultiConfiguration Editor), Редактор допусков (Tolerance Data Editor), только в ZEMAX-EE, Редактор дополнительных данных (Extra Data Editor) и Редактор непоследовательных компонентов (NonSequential Components Editor).
Графические окна: Эти окна используются, чтобы отобразить графические данные проектируемой системы, ход луча и графики MTF.
Текстовые окна: Текстовые окна используются для отображения текстовых данных типаданных задания, коэффициентов аберраций и численных данных.
Диалоговые окна. Диалоги - это неизменяемые в сплывающие окна. Диалоговыеокнаиспользуются, чтобы изменить опции или значения полевых углов, длин волн, апертур и типов поверхностей. Также они широко используются для изменения опций в графических и текстовых окнах, чтобы, например, изменить число лучей на графике проектируемой системы.

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.
С истема (System): используется для отображения свойств оптической системы в целом.

Анализ (Analysis). Пункт меню "Анализ" объединяет в себе группу функций, не изменяющих параметры линз, но вычисляющих их численные или графические характеристики. Эти функциональные возможности включают в себя графическое изображение оптической системы, аберрации лучей, различные диаграммы, вычисление дифракционных эффектов и т.д.
Инструменты (Tools). Инструменты – это средства, которые могут изменять параметры линз или выполнять расчет системы в целом. Они включают в себя оптимизацию, расчет точностей (допусков), подгонку под пробные стекла и многое другое.
Отчёты (Reports). Сообщения, документирующие расчет линз. Это возможности, включающие резюме данных о системе, резюме данных о поверхностях, и отображают различные графики.

Макросы (Macros): используются, чтобы редактировать и выполнять ZPL-макросы.
Расширения (Extensions): обеспечивают доступ к ZEMAX расширениям, которые компилируют возможности, добавленные к ZEMAX.
Окно (Window): Выбирая из списка, открывает одно из используемых окон.
С правка (Help): Обеспечивается доступ к справочной документации.

Цель работы: знакомство с программным пакетом ZEMAX, при помощи которого осуществляется численное моделирование оптических систем. Обзор возможностей программного пакета: построение геометрии оптической системы, задание свойств материалов (отражение, поглощение, объемное и поверхностное светорассеяние, светопропускание, коэффициент преломления), моделирование источников света, обработка результатов.

Задание: создать систему (источник – линза – детектор), рассчитать и сравнить фокусные расстояния в зависимости от радиусов кривизны линз.
Выполнение работы:

Параметы:

Линза (Standart Lens): радиус кривизны R₁ = ∞; радиус кривизны R₂ = 5 мм; материал – К4 (n = 1,52); толщина = 0.2; расположение по оси Z – 2 мм;

Источник (Source Rectangle): количество лучей = 10; размер = 0,2 ×0,2 мм; мощность = 1 Вт;

Детектор (Detector Rectangle object): расположение по оси Z – 5 мм, размер = 1000*1000 пикселей.

При R₂ = 5 мм мы видим, что линза является собирающей, пятно на экране меньше размера источника, фокус находится за экраном.

В данной работе изменяемый параметр – параметр линзы R₂. Он изменяется с R₂ = 5 мм на R₂ = 3 мм.

Это приводит к изменению фокусного расстояния (лучи сходятся под бóльшим углом относительно оси X), оно становится меньше, но всё равно находится за экраном (что можно увидеть в расчётах).
Расчёт и сравнение фокусных расстояний F_R для двух линз R = 5 мм и R = 3 мм.
R₁ = ∞; R₂ = 5 мм; n (К4) = 1,52

= 0,52 · 1/5 = 0,104

Расчётное значение фокусировки

F₅ = 1/0,104 = 9,67 (м)
R₁ = ∞; R₂ = 3 мм; n (К4) = 1,52

= 0,52 · 1/3 = 0,173

Расчётное значение фокусировки

F₃ = 1/0,173 = 5,78 (м)
F₅ > F₃
Вывод: В ходе выполнения работы мы построили схему системы (источник – линза – детектор), провели её анализ и поняли, что чем больше второй радиус кривизны плосковыпуклой линзы, тем больше её фокусное расстояние.