Phần mềm quang học Zemax – Một số khái niệm quan trọng

Một trong những phần mềm phân tích, thiết kế hệ thống quang học rất mạnh là phần mềm Zemax. Hiện nay, không còn tên Zemax nữa mà phiên bản mới đã được đổi tên thành OpticStudio. Tuy nhiên, việc sử dụng phiên bản cũ hay mới cũng không có nhiều thay đổi lắm. Điều quan trọng để có thể sử dụng được phần mềm này là nền tản kiến thức về lý thuyết hệ thống quang học, quang sai và thiết kế quang học.
Bài viết này trình bày một số kiến thức cơ bản cần thiết để có thể sử dụng được Zemax:
1. Zemax là một phần mềm cho phép mô hình hoá, thiết kế và phân tích các hệ thống quang học.
2. Zemax chỉ là công cụ để sử dụng, phần mềm này không giúp cho bạn giỏi về thiết kế, hay phân tích hệ thống quang học. Trong phần mềm có rất nhiều thuật ngữ mà chúng ta cần có kiến thức về quang học mới hiểu được. Vì vậy yêu cầu đầu tiên để có thể sử dụng được Zemax theo đúng chức năng của nó là bạn phải có kiến thức chuyên ngành về quang và quang học ứng dụng (quang kỹ thuật).
3. Một số khái niệm và thuật ngữ
+ Cấu hình đang hoạt động: là cấu hình hệ quang hiện tại được biểu diễn trên cửa sổ chính. Bởi về Zemax có thể hoạt động ở chế độ Đa cấu hình (tức là các thông số kết cấu của hệ có thể nhận các giá trị khác nhau).
+ Độ phóng đại góc: Là tỷ số giữa giá trị tang của góc của tia chính trong không gian ảnh và giá trị tang góc của nó trong không gian vật. Giá trị góc được xác định trong vùng cận trục.
+Tiêu cự đỉnh sau: Là khoảng cách (theo trục Z – quang trục) từ mặt sau cùng của hệ quang đến mặt phẳng ảnh cận trục.
+ Các mặt phẳng (liên hợp) quan trọng: mặt phẳng chính trước và sau (liên hợp và có độ phóng đại ngang bằng 1); mặt phẳng phụ chính trước và sau (liên hợp, độ phóng đại ngang bằng -1); các mặt phẳng mút (liên hợp, độ phóng đại góc bằng 1); ngoài ra còn có mặt phẳng tiêu điểm trước (liên hợp với mặt phẳng ảnh ở vô cùng), mặt phẳng tiêu điểm sau (liên hợp với mặt phẳng vật tại vô cùng).
+ Tia chính:Trong điều kiện không có quang sai và hiện tượng bán dạ, tia chính được xác định là tia xuất phát từ một điểm trên vật đi qua tâm của mặt phẳng đồng tử vào đến mặt phẳng ảnh. Chú ý rằng, trong điều kiện bỏ qua quang sai và không có hiện tượng bán dạ, bất kỳ tia sáng nào đi qua tâm của đồng tử vào sẽ đi qua tâm của điafram khẩu độ và tâm của đồng tử ra.
+ Chiều dầy mép
+Tiêu cự hiệu dụng: Là khoảng cách tính theo trục Oz (quang trục) từ mặt phẳng chính sau đến mặt phẳng ảnh cận trục hệ quang khi vật ở xa vô cùng. Các phép tính xác định vị trí của mặt phẳng chủ yếu đều dựa trên các thông số của tia sáng trong vùng cận trục. Tiêu cự hiệu dụng của một hệ quang được tính trong trường hợp hệ quang đặt trong môi trường là không khí, mặc dù trong chiết suất của môi trường trong không gian ảnh có thể khác 1.
+ Đường kính đồng tử vào: Đồng tử vào là ảnh cận trục của điafram khẩu độ trong không gian vật.
+ Vị trí đồng tử vào: Vị trí của đồng tử vào được xác định là khoảng cách từ mặt đầu tiên của hệ quang (chứ không phải là mặt phẳng vật) đến đồng tử vào. Trong Zemax, mặt đầu tiên của hệ quang mang số thứ tự 1, mặt phẳng vật mang số thứ tự 0.
+ Đường kính đồng tử ra: Đồng tử ra là ảnh cận trục của điafram khẩu độ trong không gian ảnh.
+ Vị trí của đồng tử ra: Vị trí của đồng tử ra được xác định bằng khoảng cách tương đối giữa đồng tử ra và mặt phẳng ảnh.
+ Góc thị giới và độ cao tia sáng: Một điểm trong thị giới của hệ quang có thể được xác định bằng giá trị góc hoặc độ cao vật (đối với hệ quang làm việc với vật ở hữu hạn), hoặc độ cao ảnh cận trục hoặc ảnh thực của vật.
Góc thị giới trong Zemax bao giờ cũng được đo bằng độ. Góc được đo tương đối với trục Oz và vị trí cận trục của đồng tử vào trên trục Oz trong không gian vật. Góc có giá trị dương là góc có độ lệch dương của tia sáng và tương ứng với nó là toạ độ âm của vật (điều này ngược với quy ước dấu của môn học “Lý thuyết hệ thống quang học”) .
+ Khẩu độ “thay đổi”: Khẩu độ “thay đổi” là một trong những dạng khẩu độ được phần mềm Zemax cho phép sử dụng trong các hệ thống quang học. Điều đó có nghĩa là giá trị đồng tử vào, khẩu độ số trong không gian vật, số F (độ đóng khẩu độ) trong không gian vật, số F trong không gian ảnh và điafram khẩu độ sẽ được xác định nếu như chỉ cần một trong các thông số đó xác định. Do vậy, sau khi thiết lập giá trị của điafram khẩu độ, bỏ qua các thông số khẩu độ khác của hệ, ta có thể xác định khẩu độ của hệ quang một cách đúng đắn. Điều này rất thuận lợi nếu như điafram khẩu độ nằm bên trong hệ.
+ Mác thuỷ tinh: Mác thuỷ tinh quang học được cho vào các ô tương ứng trong cột Glass của phần mềm Zemax, ô trống có nghĩa là phần không gian phía sau mặt tương ứng là không khí, còn nếu như mặt đó là mặt phản xạ thì ta sẽ đánh từ MIRROR vào ô tương ứng của nó (mặc dù MIRROR không có trong danh bạ các mác quang học của Zemax)
+ Vòng tròn sáu cực
Trong Zemax có thể lựa chọn mô hình chùm tia xuất phát từ vật đi qua đồng tử vào và tham gia vào quá trình tạo ảnh của điểm đó để tính toán, vi dụ như tính giản đồ vết ảnh. Vòng tròn 6 cực là một trong những mô hình đó, trong đó tổng số lượng các tia sáng được xác định bằng số vòng tròn đồng tâm (được tưởng tượng) trên đồng tử vào, trong đó qua tâm đồng tử vào có 1 tia sáng đi qua, trên vòng tròn trung tâm (thứ nhất) có 6 tia đi qua 6 điểm cách đều nhau trên vòng tròn đó, trên vòng tròn thứ hai có 12 tia, vòng tròn thứ 3 có 18 tia và cứ như vậy, trên vòng tròn sau có nhiều hơn 6 tia sáng đối với vòng tròn trước nó. Ví dụ nếu như ta chọn 5 vòng tròn thì tổng số lượng các tia sáng tham gia vào các tính toán là: 1+6+12+18+24+30=91 tia sáng.
+ Số F/≠ trong không gian ảnh
Được định nghĩa là tỷ lệ giữa tiêu cự hiệu dụng của hệ quang và đường kính đồng tử ra của hệ.
+ Khẩu độ số trong không gian ảnh
Khẩu độ số trong không gian ảnh (NA) là tích của chiết xuất trong không gian ảnh và giá trị sin của góc tạo bởi quang trục và tia mép khẩu độ trên trong vùng cận trục đối với bước sóng chính của hệ quang. Khẩu độ số trong không gian ảnh được tính đối với vị trí xác định đến vật và đối với bước sóng chính.
+ Đơn vị đo các thông số (kết cấu) của thấu kính
Thấu kính là một thành phần cơ bản trong hệ thấu kính. Thấu kính được đặc trưng bởi các thông số như bán kính, độ dày, đường kính thông quang và các đại lượng khác, các đại lượng này có thể đo bằng mm, cm, inch hoặc m.
+ Tia mép
Tia mép là tia sáng xuất phát từ tâm vật (điểm trên trục) và đi qua mép đồng tử vào đến mặt phẳng ảnh (hay còn gọi là tia khẩu độ trong môn Lý thuyết hệ thống quang học. Trong trường hợp có hiện tượng bán dạ thì tia mép được xác định là tia sáng đi qua mép của đồng tử vào bán dạ. Nếu như sử dụng “ray aiming” thì tia mép khi đó sẽ đi qua mép của điafram khẩu độ bán dạ.
+ Thị giới lớn nhất
Thị giới lớn nhất được xác định bằng giá trị góc lớn nhất (đo bằng độ) khi sử dụng chế độ xác định thị giới là “field angle”, hoặc giá trị độ cao vật lớn nhất khi dung chế độ “object height”, hoặc chiều cao ảnh lớn nhất “image height”.
+ Hệ không cận trục
Hệ không cận trục là một khái niệm dùng để chỉ các hệ quang học mà các phép tính tia sáng trong vùng cận trục không thể biểu diễn các đặc trưng của hệ đó được. Đó là các hệ gồm có các thành phần lệch trục, nghiêng trục, các hologram, các nhiễu tử, các lăng kính chia sáng, các phần tử có chiết suất thay đổi …vv. Phần lớn lý thuyết quang sai của hệ thống quang học đều đựoc xây dựng cho hệ quang đồng tâm được cấu tạo từ các mặt phản xạ và khúc xạ, Nó bao gồm các lý thuyết về tổng quang sai Seidel, thông số chùm Gauss, và hầu hết các đặc tính như tiêu cự, hệ số tiêu cự, kích thước và vị trí của các đồng tử. Tất cả các thông số đó đều được tính trong vùng cận trục.
Nếu như hệ quang đang nghiên cứu có chứa một trong số các thành phần như đã nói ở trên thì không nên tin tưởng vào các kết quả nhận được từ tính toán các tia sáng trong vùng cận trục.
+ Hệ toạ độ chuẩn hoá của thị giới và đồng tử
Toạ độ chuẩn hoá của thị giới và của đồng tử rất hay được dùng trong các phần mềm tính toán, thiết kế hệ thống quang học, đặc biệt là trong Zemax. Có 4 toạ độ chuẩn hoá: Hx, Hy (của điểm thị giới bất kỳ) và Px, Py (của điểm bất kỳ trên mặt phẳng đồng tử).
Các toạ độ chuẩn hoá của thị giới và đồng tử là các điểm nằm trong đường tròn có bán kính là 1. Các toạ độ của điểm thị giới được chuẩn hoá theo kích thước lớn nhất của các điểm trong thị giới (hoặc là chiều cao vật lớn nhất, hoặc góc thị giới lớn nhất), còn các toạ độ chuẩn hoá của đồng tử được chuẩn hoá theo bán kính của đồng tử. Ví dụ, kích thước vật lớn nhất là 10 mm. Khi đó điểm có toạ độ (Hx, Hy) = (0,1) tương ứng với điểm mép trên của vật, điểm có toạ độ (Hx, Hy) = (-1,0) tương ứng với điểm trên vật có toạ độ (x=-10mm, y=0mm).
Toạ độ trên đồng tử được chuẩn hoá theo cách tương tự. Ví dụ, nếu như bán kính đồng tử vào là 8 mm. Khi đó toạ độ của tia sáng trên đồng tử vào có giá trị là (0, 1) tức là tia sáng đia qua điểm mép trên của đồng tử có toạ độ là x=0mm, y=8mm).
Ưu điểm của việc sử dụng các toạ độ chuẩn hoá là ở chỗ: một số tia sáng có toạ độ không đổi, chúng không phụ thuộc vào kích thước hay vị trí của vật và đồng tử vào. Ví dụ, tia mép là tia xuất phát từ tâm vật (điểm nằm trên quang trục) và đi qua mép trên của đồng tử vào ((Hx, Hy)=(0,0) và (Px,Py)=(0,1)) hoặc tia chính là tia xuất phát từ điểm mép trên của vật và đi qua tâm đồng tử vào ((Hx, Hy)=(0,1) và (Px,Py)=(0,0)).
Ngoài ra, ưu điểm của việc sử dụng các toạ độ chuẩn hoá còn ở chỗ chúng không phụ thuộc vào sự thay đổi của hệ số tỷ lệ (kích thước). Ví dụ, trước khi tiến hành tối ưu hệ quang ta xác định các tia sáng tham gia vào quá trình tính hàm mục tiêu thì sau khi tối ưu, không phụ thuộc vào sự thay đổi của các thông số khác trong hệ quang (kể cả vị trí, kích thước của vật và các đồng tử) thì đường truyền (và các tính chất) các tia sáng đó vẫn được xác định mà không cần thay đổi toạ độ của nó.
Khẩu độ số trong không gian vật
Khẩu độ số trong không gian vật đặc trưng cho độ phân kỳ của các tia sáng xuất phát từ vật đi vào hệ quang. Nó được xác định là tích của chiết xuất trong không gian vật và sin của góc tạo bởi tia mép trong vùng cận trục với quang trục. Tia này xác định bề mặt nón của không gian chứa các tia sáng (năng lượng sáng) đi vào hệ quang.
+ Tia cận trục và các tia cận tia chính
Khái niệm cận trục là khái niệm chỉ vùng không gian “lân cận” quang trục của một hệ quang. Quang học cận trục đặc trưng bởi dạng tuyến tính của định luật khúc xạ ánh sáng: , khi các góc có giá trị nhỏ thì định luật đó có dạng . Hấu hết tất cả các khái niệm trong vùng cận trục đều được xác định trên cơ sở của sự tuyến tính đó. Khái niệm quang sai khi đó được hiểu là sự sai lệch khỏi sự tuyến tính đó, vì thế các tính chất của hệ quang trong vùng cận trục được xác định là các tính chất của hệ quang không có quang sai.
Mặc dù có rất nhiều công thức đơn giản dùng để tính các thông số cận trục nhưng Zemax lại không sử dụng các công thức này, mà dùng các tia khác, gọi là các tia hợp với tia chính (có thể là trục quang) một góc nhỏ, và sử dụng định luật khúc xạ theo nguyên bản của nó. Điều này được giải thích vì trong một số hệ quang có chứa các thành phần “không cận trục”, ví dụ như các thành phần lệch trục, nghiêng trục, cách tử, hologram hay các thành phần có chiết suất thay đổi theo không gian,
+ Độ lớn ảnh cận trục
+ Độ phóng đại cận trục
Độ phóng đại cận trục được xác định bằng tỷ số giữa chiều cao của ảnh cận trục của vật và chiều cao của vật. Độ phóng đại cận trục được xác định trên mặt phẳng ảnh cận trục.
+ Bước sóng chính
Bước sóng chính là bước sóng của tia sáng mà các tính chất cận trục của một hệ quang được tính trên bước sóng đó.
+ Bán kính
Bán kính cong của mặt (đo bằng đơn vị đo xác định) nhận giá trị dương nếu như tâm của nó nằm ở bên phải mặt, ngược lại nếu như tâm của mặt nằm ở bên trái mặt đó thì nó nhận giá trị âm.
+ Kinh tuyến và vĩ tuyến
Thuật ngữ kinh tuyến được dùng với các dữ liệu được tính toán trong mặt phẳng kinh tuyến. Ở đây, mặt phẳng kinh tuyến được xác định bởi một đường (là trục quang – trục đối xứng của hệ quang) và một điểm (điểm đang xét trong thị giới của hệ quang).
Thuật ngữ vĩ tuyến được dùng với các dữ liệu được tính toán trong mặt phẳng vĩ tuyến. Mặt phẳng vĩ tuyến được xác định là mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng kinh tuyến, nó cắt trục quang (trục đối xứng) tại vị trí của đồng tử vào.
Đối với các hệ quang thông thường, tức là các hệ quang có các mặt công tác là các mặt đối xứng tròn xoay, các điểm thị giới nằm trên trục Y, khi đó mặt phẳng kinh tuyến là mặt YZ, còn mặt phẳng vĩ tuyến được xác định là mặt phẳng vuông góc với mặt kinh tuyến và đi qua tâm đồng tử vào.
Vấn đề nằm ở chỗ là khái niệm này không thể áp dụng đối với các hệ quang không phỉa là hệ đối xứng tròn xoay. Do đó, trong Zemax mặt phẳng YZ được coi là mặt kinh tuyến, không phụ thuộc vào vị trí của điểm thị giới và các dữ liệu kinh tuyến được tính tương ứng dọc theo trục Y trong không gian vật. Mặt vĩ tuyến vuông góc với mặt kinh tuyến và đi qua tâm đồng tử vào, các dữ liệu vĩ tuyến được tính dọc theo trục X trong không gian vật.
+ Nửa đường kính (thông quang)
Kích thước theo hướng bán kính (xuyên tâm) của mỗi mặt được cho bằng cách xác định giá trị nửa đường kính của nó. Trong chế độ tự động, nửa đường kính của mặt được tính một cách tự động trên cơ sở giá trị khẩu độ đã cho của hệ quang sao cho tất cả các tia thực sẽ đi qua mặt đó mà không bị bán dạ. Khi chúng ta thay đổi giá trị trong cột “Semi-diameter” thì bên cạnh giá trị được chúng ta đưa vào se xuất hiện chữ cái U (user – dấu hiệu chỉ ra giá trị nửa đường kính đó được người dung tự đưa vào). Điều này chỉ ảnh hưởng đến chất lượng ảnh của hệ quang mà không tác động đến sự cho qua hay hiện tượng bán dạ tại mặt đó. Điều này cần lưu ý với mặt là điafram khẩu độ hay là mặt phẳng ảnh. Để hạn chế chùm tia (sử dụng hiện tượng bán dạ) cần đưa thông số hệ số bán dạ vào hệ quang hoặc sử dụng khẩu độ các mặt (Surface aperture).
+ Khẩu độ của các mặt
Để bán dạ (hạn chế) chùm tia chúng ta có thể sử dụng các loại điafram có dạng hình tròn, hình chữ nhật, hình ellíp hoặc các hình khác bằng cách đặt chùng trên các mặt công tác của hệ quang. Các điafram này không thay đổi các đặc tính truyền của chùm tia, chúng chỉ hạn chế chùm tia nếu như các chùm tia bị giới hạn bởi các điafram này. Mặt khác, các điafram này không gây ảnh hưởng nên khẩu độ của toàn hệ thống (điafram khẩu độ).
+ Điafram khẩu độ của hệ thống
Khẩu độ của hệ thống có thể được đặc trưng bởi một trong số các đại lượng sau: số F/≠, đường kính đồng tử vào, khẩu độ số hoặc kích thước điafram khẩu độ của hệ thống. Khi một trong các thông số đó được xác định thì các thông số còn lại sẽ được xác định qua thông số đã cho. Điafram khẩu độ của hệ thống dùng để xác định đường kính đồng tử vào trong không gian vật, đại lượng này sẽ được dùng để tính đường truyền của các tia sáng. Điafram khẩu độ của hệ thống bao giờ cũng có dạng hình tròn. Các tia sáng có thể bị hạn chế bởi khẩu độ của các mặt (kích thước). Trong một hệ thống chỉ có một điafram khẩu độ, trong khi đó có thể có rất nhiều các mặt khẩu độ.

Trên đây là một số khái niệm cơ bản mà các bạn cần biết khi sử dụng không chỉ ở phần mềm Zemax mà ở nhiều phần mềm quang học khác.