OSLO 入门指南

OSLO本指南内容包括以下部分: OSLO互动教室 陈志隆教授关于OSLO之证言 可供参考的文献2009 年11 于沿海某地linlin911911 第一章 风景物镜.................................................................................................................................1 引言................................................................................................................................................1 纲要................................................................................................................................................1 详细步骤........................................................................................................................................1 镜头数据输入........................................................................................................................1 镜头绘图................................................................................................................................3 优化........................................................................................................................................4 设置滑动器............................................................................................................................7 小提示#1..............................................................................................................................10 小提示#2..............................................................................................................................10 小提示#3..............................................................................................................................11 小提示#4..............................................................................................................................11 第二章 高斯光束和光纤耦合...........................................................................................................12 引言..............................................................................................................................................12 纲要..............................................................................................................................................12 详述步骤......................................................................................................................................12 镜头数据输入......................................................................................................................12 ABCD (paraxial)高斯光束传播计算..................................................................................18 Skew (astigmatic) 高斯光束传播计算...............................................................................20 光纤耦合计算......................................................................................................................21 第三章 OSLO 互动教室...................................................................................................................24 塞得像差观察器..........................................................................................................................24 三片型透镜弯曲..........................................................................................................................25 用滑块控制任意的系统参数......................................................................................................25 OSLO Optics Reference ..............................................................................................................27 第四章 柯克镜头优化实例...............................................................................................................28 引言..............................................................................................................................................28 纲要..............................................................................................................................................28 详细步骤......................................................................................................................................29 输入镜头数据......................................................................................................................29 用GENII 误差函数优化.....................................................................................................32 用OSLO Spot Size/Wavefront 误差函数优化...................................................................35 小提示#1......................................................................................................................................39 小提示#2......................................................................................................................................39 小提示#3......................................................................................................................................41 第五章 LED 透镜优化设计..............................................................................................................42 第六章 陈志隆教授关于OSLO 之证言..........................................................................................48 第七章 可供参考的文献...................................................................................................................50 OSLO 入门指南 第一章风景物镜 引言 这是一个非常基础的练习,包括如何在OSLO中输入镜头数据和进行简单的优化。本教程的结尾 描述了如何使用slider wheels,可以了解如何改变你的系统参数。十分十一选五_[官网首页]在非真实优化时,slider wheels可以 帮助你理解不同的设计条件时的系统变化情况。 此教程可以用于所有的OSLO版本 (包括OSLO EDU)。所以,优化部分没有描述一些在OSLO Standard和 Premium版本中更全和更方便的方法。十分十一选五_[官网首页]然而,优化部分提供了一些使用OCM操作数的了解 应用。它是所有版本中的自定义误差函数的组件。十分十一选五_[官网首页] 本章目的不仅是要学习如何输入数据,而且还学习如何使用OSLO的一些标准工具,以理解简单 照相镜头的光学性能。可以从这个练习里面看出OSLO与大多数的其它设计软件不同点。建立系统, 然后按Auto键,计算机不可能就自动为你优化好。而是在交互模式下,分步运行,以便知道怎么得到 最后的方案。 纲要 本练习步聚如下: 镜头输入(Lensentry)-输入一个平凸透镜,其后放置一个孔阑。 物距为无穷远,入射光束半径(entrancebeam radius)为10mm,视场角(field angle)为20度, 用marginalray height solve设置孔阑到像面的距离, 透镜绘图(LensDrawing)-设置绘图条件,以显示所要求的光线轨迹。十分十一选五_[官网首页] 建立一个误差函数(errorfunction 控制有效焦距为100(记住可以控制边缘(近轴)光线的斜率来控制, 记住,在优化的时候让一些参数为变量。这里可以是第一个面的半径(改变光焦度)和孔阑的位置(光栏的位置直接影响彗差。 滑动器设计(Slider-wheel design)-将滑块(sliders)和参数结合在一起,所以可以分析系统的平 (记住在孔阑面上放一个厚度的求解(thicknesssolve)), 调整滑块,观察轴上和轴外的点列图(spotdiagrams)情况。十分十一选五_[官网首页] 通过调整像面的曲率半径,观察轴外点列图的水平和垂直位置。详细步骤 在开始本节之前,用同一种OSLO配置。十分十一选五_[官网首页]如果你在开始本练习之前,通过删除private/bin/文件夹下的oslo.ini文件, 就可以把程序配置恢复到原厂状态。一般情况下,不需要这么做。 镜头数据输入 详细步聚如下: 从菜单中选择"File>>NewLens…" 第一章 风景物镜 在"Filenew" 对话框中输入文件名"Landscape1",选择 Custom lens和输入 3个面,然后点OK 会出现一个新的电子表格,可以在所有栏目中输入资料。十分十一选五_[官网首页]注:在表格顶部,有永久的文字和用户可编辑的文字。 用下列数据填写固定的部分(双线以上的部分) 3a)直接在表格的顶部"Lens:"的右边输入 "Landscape 3c)将视场角改为20, 3d)其它的栏目用缺省值, 在滚动区域(scrolledarea)(双线以下的区域),做以下改变: 4a)在第一个面的"GLASS"栏目输入 "BK7",这样使第一个面和第2个面之间的光学材料为 "BK7"。可以参考<OSLO Optics Reference >中的Quick Start 一章。 RADIUS"单元中点按钮,然后从弹出式菜单中点"ApertureStop"。 注:第3行的行按钮会显示为"AST",并且在"APERTURE RADIUS"栏中会加一个A。 4c)点第1行的"RADIUS"单元,输入曲率半径50, 在第3行中,不直接输入厚度,在厚度单元上点一下,选择"Solves(S)>>Axialray height…" ,会弹 出一个对话提示输入solve的值。接受缺省值 (0),点OK。这会使面3的厚度保持更新,使近轴光 线的高度在第4面上为0。 点第3行的"SPECIAL"栏,选择"Surface Control(F)>>十分十一选五_[官网首页]General",会出现一个新的电子表格覆盖当前 的电子表格 6a)在第8行中点按键"Automatic",然后选择"Drawn" ,这使OSLO画surface 6b)然后点绿色的对号,关闭电子表格,并返回到surface data电子表格, 6c)这时可以看到第3行的special按钮上有一个F。 OSLO 入门指南 在第4行重复步聚6-6c,以上完成了镜头的数据输入后,电子表格的数据如下: 为了确认所有数据正确,只要确认具有相同的Efl(effective focal length),所有按钮上的标记相同。 厚度按钮上的S的意思是指此值是由solve axialray height solve)确定的。孔径按钮上的S的意思 也是此孔径由solve确定的。这是孔径的缺省行为,它是由入射光束半径和视场角决定的。 点绿色的对号关闭电子表格,用"File>>SaveLens…"保存镜头文件。 镜头一般保存在私人目录下 10)如果要确认镜头存在那里,选择"File>>Open Lens…" 。然后在"Open Lens File"对话框中点"Private" 目录,可以在列表中看到镜头"Landsacpe1.len" 的名称。 镜头绘图 11) 在镜头电子表格的固定区域点"Draw Off",会出现一个标有"Autodraw"的窗口显示所输入的镜头。 如果点第2个面的任何一个单元,可以看到第2个面会变成虚线。如果镜头的数据改变,图形会自 动更新。 Autodraw窗口是一个特殊的窗口,它没有通常的图形窗口的全部功能,但可以自动更新,这和普通图形窗口不同。 12) 从Lens菜单中,选择Lens Drawing Conditions,得到下面的电子表格: 第一章 风景物镜 13)选择 "Image space rays:",将"Final dist"改为"Draw imagesurface"。 14) 进行修改以后,点绿色的对号关闭电子表格,此表格会消失,然后Autodraw窗口会更新如下 现在可以看到透镜成像的详细情况。明显,轴外的像不太好。看到主要像差是场曲。优化 本部分是讲解优化。需要定义一个误差函数(即评价函数、优化函数、)error function,使焦距为100mm, 还要消除 15)选择 "Optimize>>Generate Error Function>>Aberration Operands…" ,建立一个OSLO 进行优化 的error function。 第16步的结果,当前的电子表格被上面 "Operands Data Editor"代替。建立error function的操作数。"NAME"栏 是每个操作数的识别符号,"DEFINITION"栏的 OCM列元素是每个操作数定义的值。 每个操作数控制"NAME"栏中的一些系统参数。例如操作数 "PLC"控制 "横向色差(Paraxial Lateral Color)"。 在优化过程中,不需要控制所有这些参数,所以要确定用哪些项。本例子中,要保留的操作数为 CMA3 和EFL。其它的都删除掉。 OSLO 入门指南 16)选中第11-20的按钮,然后按delete键, 17) 然后选择1-9的按钮,再按delete键, 18) 核对表格和下面的一样,CMA3表示像差的3级"Coma", EFL表示 "Effective Focal Length"。权重都 设为1。 需要提到的是,在OSLO中,所有操作数的目标值是0。即优化算法会使所有项最小。因为EFL 操作数是有效焦距,不能让它为0,而是100。 19) 我们将第二个操作数设置为OCM21-100, 并将其名字改为EFL_ERR。 20) 现在点绿色的对号关闭电子表格,然后点文本窗口中的"Ope"按钮,文本窗口中会列出当前操作 数的值和误差函数的值。 第一章 风景物镜 误差函数的操作数已经定义好了。从文本窗口的输出可以看到,EFL中的误差几乎占误差函数整个误差的100%。开始优化此系统并校正焦距。 对一定的入射光束半径,控制从透镜最后一面出射的轴上光线斜率是控制系统的EFL的另一种方法。要找到如 何使用轴上光线角度操作数来控制焦距,参见小提示 我们需要指定系统的参数为变量,为了实现优化。这里使用的参数是透镜的第一个面的曲率半径(CV 21)在镜头表格中,点第1面的"RADIUS"栏按钮,选择"Variable(V)"。 22) 在第2面的"THICKNESS" 上重复第21步, 23) 在第1,2面上的相应按钮上会显示V,表示它是变量, 24) 下面开始优化镜头。在优化以前,先关闭lens spreadsheet (单击绿色对勾),且立即重新打开它。此 动作将当前系统保存在缓存中。如果优化过程中有什么问题,可以点红色的“X”回复到最后打开 的表格系统中。 25) 要优化,点文本窗口中的"Ite",会优化十个周期。只有输入了操作数和变量,此按钮才能有效。 文本窗口会显示如下的样子(尽管有些小的不一样)。可以看到误差函数减小到0,说明这里变量解决这个问题适 26)在优化后,核对lens spreadsheet和下面的一样。可以看到Efl正好为100。 OSLO 入门指南 27)点文本窗口中的"Abr",可以看到透镜的像差,显示 PU -0.05,塞得彗差CMA3为0。 从上面看,完全满足初始的目标。 28) 关闭表格,保存镜头。 设置滑动器 一个单透镜,如landscape lens,没有很多自由度。在这个练习中,将透镜的后表面控制为平面。Landscape 透镜一般是新月的形状。下面来看看如何用OSLO的slider-wheel窗口找到最佳形式。看看一下弯曲像 面的效果。 首先,建立一个基本的slider-wheel窗口,将第2,4个面的曲率半径和滑块结合起来。然后,示出如何利用拖动滑块或 旋转鼠标滚轮对系统进行连续优化。 29) 打开镜头,选择 "Optimize>>Slider-Wheel Design…",打开 Slider-Wheel设置表格。 30) 首先,设置下图中显示的选项。 "Spotdiagram" 30b)设置"Graphics scale" 为1.0 30c)选择 "All points" 30d)将滑块的数量设置为缺省值2, 30e)在Surfs栏中,输入2和4,参数都设置为"Curvature(CV)",也可以在这个单元中输入 "CV", 或在单元中双击,然后选择 "Curvature(CV)"。 第一章 风景物镜 31)关闭电子表格(绿色的对号), 这时可以看到一个slider-wheel窗口和二个图形窗口(GW 31 GW32)。 32) 如果"GW 31" 和"GW32"窗口有工具栏,点左键选择一个窗口,然后在窗口中点右键,选择 Remove Toolbar项, 33) 因为slider-wheel保持其图形窗口,所以需要使常规的输出窗口(GW1)最小化。然后用window 菜单 中的Tile windows选项将窗口平铺。这时,整个窗口会象下图的样子。 slider-wheel窗口出现在电子表格下面,它包含我们设置的二个滑块。 34) 通过拖动或点击滑块 (滑块实际上就是个滚动条),或用鼠标滚轮。要用鼠标滚轮,将指针放在滑 块上的任意位置,然后转动滚轮。 35) 注意点列图:在中央部分、带孔径和边缘处像的样子。 因为有像散,所以是椭圆形状,但没有彗差。现在可以拖动滑块或转动滚轮看会发生什么事情。 36) 移动滑块,使CV[2]为负的,透镜变为正的,焦距变小。像质变化了,因为系统不再是没有彗差。 如果将曲率改变很大 -0.033),光线追迹会失败。这时可以点OK,使错误框消失,然后使滑块向中间移动。 37) 移动滑块,使CV[2]为正,透镜变为新月的样子,焦距变长,但最后透镜变为负的,光束发散。实 OSLO 入门指南 验完了后,将CV[2]设置为0。38) 尝试改变CV[4] (像面的半径),将其变为负的,可以增大轴外像的大小,实际上,可以找到一个线 状焦点的位置,一个水平方向(子午焦点),一个垂直方向(弧矢焦点)。 这说明系统没有彗差, 果设置CV[2]为某个值(如-.020),使系统有彗差,就不能实现这个。这就是设计者常说的不能聚 正如如见slider-wheel分析功能很有趣,但OSLO中滑块的真正强大是允许通过拖动滑块对系统进行重新优化。39) 将曲率半径重新置为0,如果调整了其它系统参数,可以重新打开此镜头。 40) 重新打开滑块电子表格(Optimize>>Slider Wheel Design),在Slider-wheel-Setup 对话框中,设置 "Enable sw_callback CCL function" "Level"设置为2,41) 然后选择绿色的对号关闭 Slider-wheel 设置, 42) 要看这样会做什么,关闭滑块窗口。看不到系统的任何变化,因为已经优化过了,但可以看到文 本的输入和下面类似。当移动滑块时,可以看到文本输出窗口一闪一闪的,因为系统在重新优化。 43) 在图形窗口中,会看到和前面完全不同的情况。拖动滑块,使 CV[2]往正的方向增大,透镜变为 弯月形,但焦距不变。彗差优化的过程中,孔阑面移动。 通过第3个面上的height solve使像面保 持在近轴像平面上, 通过aperture solves调节透镜的直径,所以从视场边缘来的光线可以通过系统。 当透镜弯曲增加时,光栏移动方向相反,孔阑向透镜移动。 下面显示所观察的情况,第 2面的曲 率为0.01, 和0.04 (注意,像面区域是的点列图是中心到边缘的,而不是底部到顶部;底部的点列 当然,系统的球差不是常数。要改善边缘视场的像质,要牺牲一些轴上像质。这可以通过非球面透镜实现,但这不是本练习的内容了。 第一章 风景物镜 10 小提示#1 如果要查找透镜的保存位置,可以在命令行中输入命令shp lfil (show_preference lensfile)。文件名 会显示在消息区域。 小提示#2 在上面的第15步,发现通过选择 "Optimize>>Generate Error Function>>Aberration Operands…",可以产生下面 的操作数列: 也可以用控制离开镜头的近轴光线的斜率 (PU)来控制,而不直接控制 EFL,。所以要保留PU和CMA3操作数。其它 的全删除掉。. 16) 为了完成操作,选择第11行,接着拖到21行,然后点delete键, 17) 然后点选3-9行, 然后再按delete键;最后第1行,并删除它, 18) 检查电子表格要像下面的一样。 PU表示近轴轴向光线与光轴夹角的正切值( paraxial axial ray slope leaving lens)(PU是标准光学术语,经常在OSLO中使用),CMA3表示三级像差"彗差 (Coma)"。 19) 因为F数等于-1/(2*PU) (物在无穷远时),所以要求PU的值为-0.05。通过将第一个操作数修改为 OCM2+0.05来实现, 也将名字改为PU_ERR。点NAME和DEFINITION 单元,输入新的数据。 20) 然后点绿色的对号关闭表格,再点文本窗口中的"Ope"按钮,会在文本窗口中列出当前操作数的 OSLO 入门指南 11 值和当前误差函数的值。 现在已经定义好了误差函数的操作数。如果误差函数达到最小值0,则PU会为-0.05。这是因为相 关的操作数 PU+0.05会等于0。我们知道透镜和焦距是-PU*EBR (EBR是入射光束半径),所以会迫使 焦距等于100。系统的F数等于EFL/(2*EBR),这里要求等于0。用OCM10,优化过程中迫使三级彗差 小提示#3要改变鼠标滚轮的设置,首先需要找到当前设置。在OLSO主窗口中点状态区,这时候会弹出一 个如下图的对话框,在第一个空白位置,点相应的框,选择Mouse wheel speed。 点OK关闭对话框。此时会在状态区看到另外一个栏目,如下图。OSLO支持2种滚轮速度 一般来说,在OSLO中,用慢的比较好。实践一下,就会发现slider-wheel窗口可以到处拖动,甚至可以拖到OSLO窗口外面去。可以用窗口右边的Step调整每次点击鼠标的步长。 小提示#4 当Enable sw_callback CCL function为on时,当图形滑块每移动一次时,或者当指针在滑动器窗口 里时,转动滚轮,此程序会执行一次。此函数变量cblevel, 其值是Level处的,并输到slider-wheel表格 的;item, 是变数(CV 等等);srf,是与变数相关的面序号。 这些变量可以用于产生你想 要进行什么动作。 在这个例子中,函数不等于零,因为cblevel不等于0,函数会进行多次迭代。 省的sw_callback程序如下:Cmd Sw_callback(int cblevel, int item, int srf) (cblevel)ite cblevel; 第二章高斯光束和光纤耦合 12 第二章 高斯光束和光纤耦合 引言 此教程演示如何选择和插入一个OSLO镜头库中的简单镜头,然后进行3种不同的高斯光束分析: ABCD(近轴)高斯光束传播, 用实际光线追迹和高斯切趾光瞳计算光纤耦合。即使你只对OSLO计算耦合感兴趣,建议不要跳过此教程的前面两部分。虽然教程很短,但是仍然很 重要,可以看到不同计算方法的差别。它适合于所有的OSLO版本。 纲要 练习步聚如下: Lensentry 用MellesGriot库中零件编号为MGLMS202的文件, 设置镜头绘图条件(DrawingConditions),以便可以在绘图中看到物面和像面,可以在孔径两侧 看到更多的追迹光线, ABCD(paraxial) 高斯光束传播计算-用交互式电子表格和高斯光束绘图选项, Skew(astigmatic) 高斯光束传播计算-计算像散高斯光束传播(即在二个正交的截面上光束宽度 不一样) 改变物面上光束的Y和X光斑大小为0.5和1.5microns 用实际光线追迹和高斯切趾光瞳进行光纤耦合计算-将像散高斯光束耦合到渐变折射率光纤中去,其折射率沿截面为高斯分布。 观察在光纤耦合面上(像平面)的光束的PSF。详述步骤 镜头数据输入 此小节主要介绍如何输入一个新的镜头。此镜头用于以后的小节中。 从OSLO菜单中选择"File>>NewLens…" OSLO入门指南 13 在"Filenew"对话框中,输入文件名"Fiber Coupling Example", 选择Custom lens,输入1个面,然后 点OK。 此时出现一个新的电子表格,可以在里面所有单元中输入数据。注意,在表格的顶部,永久文本和用户可编辑的文 本可以存在于同一个单元中。例如:静态文本"Ent beam radius"和可编辑数据 1.000000就在同一个单元中。 在"Lens:"单元中输入文本"Fiber Coupling Example", 在"Primarywavln"单元中输入波长"0.83", 注:在OSLO中,关闭Surface Data窗口(通过点绿色对号或红色的“X“实现)后,结果如下: 要使 Surface Data表格回来,从菜单中选择 "Lens>>Surface Data Spreadsheet", 现在可以选择File>>SaveLens保存当前的状态。然后点 "Save"按钮。 第二章 高斯光束和光纤耦合 14 在保存镜头以前,点 "Private"按钮 ,确保镜头保存在"…\private\len" 镜头目录中。此目录里的所有镜头是你自己 建立的。在OSLO升级时,不会改写Private目录。 注:物面是"OBJ",像面是"IMS"。在所有的系统中都有一个物面和像面,因为在这个镜头中,只有1个面,有另外 一个标记为 "AST",这是因为当前面是孔径光栏面( Aperture Stop surface)。 在像面前插入一个目录镜头,在SRF栏目上,包含"IMS"的灰色框上点右键, 选择 "Insert Catalog Lens…" 这会打开CatalogLens数据库窗口,缺省会显示Melles Griot目录下的正透镜(Catalog 选择"LensTypes:"为"Singlets", "Sort By:"为"Part" number,然后多列表中选 择"MGLMS202" 6.34版是MG01LMS202. OSLO 入门指南 15 注:现在已经将MGLMS202镜头插入到Surface Data表格中,其第一个面是 surface 如果要查看镜头外形,点SurfaceData窗口上部的"Draw Off"按钮,此按钮会锁定Autodraw窗口为 on或off。 10) 如果要看面的曲率半径和此透镜的玻璃牌号,点Surface Data 表格顶端的"Group"按钮,此时此按 钮指示为"Surfs"。此按钮会在面群组和单个面之间转换。 第二章 高斯光束和光纤耦合 16 11) 透镜厚度是曲率半径的二倍。因此,虽然看不到整个球的形状,但这个透镜实际上是个小球,因 为其孔径设为0.72。 12) 将面1的厚度设置为"-1"。在表格的面序中,这会使面2(镜头的第一个面)在第一个面的左侧1mm 处。因为第1个面是孔径光栏。在本教程中,孔径光栏总在镜头厚度的中心 (面2右边1 mm 在2mm直径的透镜的中心)。这里用非常简单的数据为例。假定要用此镜头将一个1微米大小的高斯光束光源(或"物")成大小为5微米的"像"。因为 用一个单透镜,所以物像的方向是相反的,所以放大率为-5,使物距和像距共轭很容易。 10) 点Surface Data 表格顶部"Setup"按钮,并在"Magnification"处输入"-5"。 注:会重新计算其它的 共轭数据。 11) 记得点绿色的对号保存以上的改变。此时电子表格变为: 改变了透镜物像的共轭,现在可以在透镜传略窗口中查看新的共轭效果。为了使Autodraw 窗口中的镜头看起来更 好,现在改变显示的绘图参数,使它显示物面和像面,显示的光线也多一些。 12) 要画出物面, 点物面上特殊字段上的灰色框,再从弹出式菜单中选择 "Surface Control (F)>>General" OSLO入门指南 17 13) 在Surface Control Data 对话框中,选择"Surface appearance lensdrawing" 为"Drawn"。 14) 点绿对号保存Surface Control Data窗口。 15) 要使图上显示像面(IMS),在像面上完成同样的任务(steps 12-14)。这时会在物面和像面的SPECIAL 字段元上显示"F" 16)显示更多的光线,选择 "Lens>>Lens Drawing Conditions…" 。在Lens Drawing Conditions 的底部 处,设置要画的光线数目,"Frac Obj"为"11",点绿色的对号接收改变的 结果。

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