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[技术文章] 如何为你的光学系统选择合适的玻璃材料

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  • TA的每日心情
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    发表于 2017-12-5 18:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
    本帖最后由 wilhelm 于 2017-12-6 14:18 编辑

    如何为你的光学系统选择合适的玻璃材料
    How to Choose the Best Glasses for Your Optical System

    原文链接:http://zemax.cn.com/os/resources/learn/knowledgebase/how-to-choose-the-best-glasses-for-your-optical-de?lang=en-US

    摘要:本文阐述了:
    1、模型玻璃(Model Glass)的使用以及传统的选择玻璃方法的局限性,例如Conrady d-D法。
    2、如何使用替代玻璃(Glass Substitution)的方法直接对玻璃进行优化。
    3、如何进一步限制玻璃的选择,包括玻璃是否实际存在、成本、环境耐受性等。

    作者:Nam-Hyong Kim

    出版日期: 2016.10.5

    适用于:玻璃和折射率

    正文:

    介绍
          
          对优化玻璃和优化其他参数的方式多少有些不同。直接优化对玻璃材料是一个既困难又难以预测的过程,因为在玻璃图(Glass Map)上玻璃材料是用离散的点来表示的,而不是连续变化的。例如,材料厚度可以很容易的从10mm调整到10.1mm,但我们不能将F2玻璃(SHOTT)的色散稍微调大一些。因为玻璃的参数是离散存在的。

           玻璃选择的传统方法是使用模型玻璃。模型玻璃的方法是用一些数值参数来表示玻璃的色散,然后在约束这些参数或使计算出的折射率数值符合现有玻璃的前提下进行优化。在可见光波段,这个方法可以进一步简化为Conrady d -D法,在这种方法中,只有几个波长的光会被追迹和评估,不同波长光之间的色差会被优化到零。

           如果将玻璃定义为由折射率(index)、阿贝数(Abbe Number)和部分色散(Partial DispersionDeviation)描述的模型玻璃,那么将模型的这三个参数设置为变量,就可以像优化其他参数一样进行优化操作。然而,这种玻璃模型有一个严重的缺点。在使用模型玻璃优化出符合评价标准的参数后,必须在模型玻璃转换成实际的玻璃时做出一定妥协。然后,使用新的玻璃重新进行优化。不幸的是,对于大多数系统来说,重新优化的设计结果将比模型玻璃设计更糟糕。更令人沮丧的是,使用实际的玻璃的最优设计结构可能与使用模型玻璃时的系统结构完全不同。

            使用替代玻璃(Glass Substitution)是非常有效的选择玻璃的方法。替代玻璃法是直接改变玻璃的类型,然后再重新优化以确定新玻璃是否能得到更好的评价结果。Zemax通过允许玻璃材料设置为替代(substitution属性来自动实现这一过程。如果一个玻璃被标记为替代玻璃,那么全局优化算法(包括锤优化和全局搜索)在优化过程中会自动迭代替换相近类型的玻璃。这使得Zemax不仅可以优化半径和厚度等数值参数,而且还可以在不考虑理想的玻璃色散的前提下直接优化实际玻璃的选择。这是在任何波段内,选择玻璃的最直接和最有效的方法。

    替换玻璃
        替换玻璃是Zemax独有的强大的优化功能。在优化过程中,替换玻璃使用玻璃库中的实际玻璃材料来代替镜头数据编辑器中的玻璃材料。

          为了看到玻璃替换的实际效果,我们将优化示例文件中的Doublet.zmx文件。其位于Zemax根目录下 – 示例(Sample)- 序列模式(Sequence) - 物镜(Objectives) - Doublet.zmx。
      
           打开示例文件并在镜头数据编辑器中的两个玻璃上设置替代状态,具体方法为打开玻璃材料设置(Glass Solve)对话框(双击或左键玻璃材料框),设置解类型(Solve Type)为“替代(Substitution)”。


    字母“S”将出现在玻璃材料的旁边,表示这些玻璃在优化中可被替代。


    在评价函数窗口中建立以均方根(RMS)波前(WaveFront)为评价标准的默认评价函数


    点击Ok,评价函数编辑器会显示:
    优化
      
             在优化过程中由于玻璃替换的原因,量化的评价函数值会产生不连续的跃变。所以玻璃替换需要使用全局优化算法例如全局搜索(Global Search)或锤优化(Hammer),而不是阻尼最小二乘法(Damped least squared method)(局部优化)。

           替代玻璃的材料是从当前的系统的玻璃库中选择的,你可以在系统设置(System)-通用设置(General)-玻璃库(Glass catlog)中选择玻璃库。在本例中使用的是Schott公司的玻璃库。


           在优化之前,为了了解当前系统的性能,我们打开光程差扇形图(OPD Fan Plot)。当前显示的标尺为0.5λ。


           通过点击Zemax主菜单中工具(Tools)-优化(Optimize)-锤优化(Hammer Optimization)。选中自动更新复选框以观察镜头数据编辑器(LDE)和光程差(OPD)扇形图中的数据在优化过程中的产生的变化。


    点击锤优化(Hammer)以开始

         在优化过程中,你将看到玻璃被替换,并且光程差扇形图中的数据发生的变化。

    结果

      算法运行一分钟左右后停止优化。镜头数据编辑器中的玻璃应该是如下种类:


             将光程差扇形图的标尺设置为0.5,便于与优化前的结果进行比较。从结果可以看出结果有了很大提升。


            所有玻璃库中列出的玻璃在替换时都会被考虑。如果你想将替换限制在特定玻璃库的子集中,你可以在解窗口(Solve Window)中输入单一或多个目录的名称。例如,在通用设置中你的玻璃库包含Hoya和SCHOTT,如下图所示:


           但是如果你只想使用Hoya玻璃做为表面1的材料,你所需要做的就是在这个玻璃的解窗口中输入Hoya。


            现在系统只会考虑HOYA玻璃库中的材料。

    玻璃替换的模板
                                                       
            您可以在工具(Tools)-优化(Optimization)-玻璃替换模板(Glass Substitution Template)中,运用玻璃替代模板进一步限制在玻璃库中的替换。确保勾选“使用玻璃替代模板(Use Glass Substitution Template)”的复选
    框;如果你不这样做,那么玻璃库中的所有玻璃在替换时都将被考虑,就像前面的示例一样。


              玻璃替代模板使相对成本(Relative Cost)和类型(Status)数据来对玻璃库中的材料进行过滤。例如,通常情况下,选择首选(Preferred)类型的玻璃是十分有利的,因为这类玻璃通常是厂商经常生产的玻璃且很有可能是有现货的。
      你可以在Zemax主菜单中选择工具(Tools)-数据库(Catalog)-玻璃库(Glass Catalog)来打开玻璃库,以便要查看特定玻璃的数据或类型。



           玻璃库显示了这种材料的类型,类型种类有标准的(Standard)、首选的(Preferred)、特殊的(Special)、过时的(Obsolete)或熔化的(Melt)。你最好优先选择“首选的”玻璃,除非其他类型的玻璃参数是你真的需要的。因为这首选类型的玻璃往往是成本较低的,化学稳定性好的,最常用的玻璃。
          
           玻璃目录还列出了相对成本(相对于SHOTT的N-BK7材料单价的比例)、环境稳定性、耐腐蚀性、耐酸性、耐碱性和耐清洗性。通过使用玻璃替代模板,你可以确保替换的玻璃除了符合光学评价标准,同样还符合这些同样重要的标准。

    总结和引用

      在光学设计中,玻璃替换是优化选择玻璃非常有效的方法。它不使用参数近似,并且总是使用玻璃真实的色散数据。它还可以根据玻璃材料的类型、相对成本和其他属性进行选择。


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    zemax替换玻璃的功能还是蛮强大的
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    前几天正好设计一个远心光路时,我优化玻璃材料到最后发现竟然是不太了解的材料,这一篇文章正好对那个是一个补充,优化后的效果确实是比以前好了。感谢作者
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    这个介绍说的很不错

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    发表于 2019-6-3 21:31 | 显示全部楼层
    请问楼主试过“Glass Substitution”用在红外系统中吗?效果怎么样?
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    发表于 2019-6-12 10:42 | 显示全部楼层
    玻璃替换功能确实很好用,听说可以直接改折射率,边改边优化,渐渐改成自己所需要的材料,是怎么改呢?
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     楼主| 发表于 2019-6-17 16:29 | 显示全部楼层
    自律得自由 发表于 2019-6-12 10:42
    玻璃替换功能确实很好用,听说可以直接改折射率,边改边优化,渐渐改成自己所需要的材料,是怎么改呢?

    这个是我当时在翻译组翻译的一篇文章,之后也没有更深入的去了解
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