ZEMAX實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(初學(xué)的練習(xí)教程

1、實(shí)驗(yàn)一 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX的安裝和基本操作一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)ZEMAX軟件的安裝過(guò)程，熟悉ZEMAX軟件界面的組成及基本使用方法。二、 實(shí)驗(yàn)要求1、 掌握Z(yǔ)EMAX軟件的安裝、啟動(dòng)與退出的方法。2、 掌握Z(yǔ)EMAX軟件的用戶界面。3、 掌握Z(yǔ)EMAX軟件的基本使用方法。4、 學(xué)會(huì)使用ZEMAX的幫助系統(tǒng)。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1通過(guò)桌面快捷圖標(biāo)或“開(kāi)始程序”菜單運(yùn)行ZEMAX，熟悉ZEMAX的初始用戶界面，如下圖所示： 圖：ZEMAX用戶界面2瀏覽各個(gè)菜單項(xiàng)的內(nèi)容，熟悉各常用功能、操作所在菜單，了解各常用菜單的作用。3學(xué)會(huì)從主菜單的編輯菜單下調(diào)出各種常見(jiàn)編輯窗口。4調(diào)用ZEMAX自帶的例子（根目錄

2、下Samples文件夾），學(xué)會(huì)打開(kāi)常用的分析功能項(xiàng)：草圖（2D草圖、3D草圖、實(shí)體模型、渲染模型等）、特性曲線（像差曲線、光程差曲線）、點(diǎn)列圖、調(diào)制傳遞函數(shù)等，學(xué)會(huì)由這些圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的成像質(zhì)量分析。 5從主菜單中調(diào)用優(yōu)化工具，簡(jiǎn)單掌握優(yōu)化工具界面中的參量。 6掌握鏡頭數(shù)據(jù)編輯窗口的作用以及窗口中各個(gè)行列代表的意思。 7從主菜單-報(bào)告下形成各種形式的報(bào)告。 8通過(guò)主菜單-幫助下的操作手冊(cè)調(diào)用幫助文件，學(xué)會(huì)查找相關(guān)幫助信息。 四、 實(shí)驗(yàn)儀器PC機(jī)實(shí)驗(yàn)二 基于ZEMAX的簡(jiǎn)單透鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會(huì)用ZEMAX對(duì)簡(jiǎn)單單透鏡和雙透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。二 實(shí)驗(yàn)要求1. 掌握新建透鏡、插入新透鏡的方法；2

3、. 學(xué)會(huì)輸入波長(zhǎng)和鏡片數(shù)據(jù)；3. 學(xué)會(huì)生成光線像差（ray aberration）特性曲線、光程差（OPD）曲線和點(diǎn)列圖（Spot diagram）、產(chǎn)生圖層和視場(chǎng)曲率圖；4. 學(xué)會(huì)確定鏡片厚度求解方法和變量，學(xué)會(huì)定義邊緣厚度解和視場(chǎng)角，進(jìn)行簡(jiǎn)單的優(yōu)化。三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 （一）. 用BK7玻璃設(shè)計(jì)一個(gè)焦距為100mm的F/4單透鏡，要求在軸上可見(jiàn)光范圍內(nèi)。 1. 打開(kāi)ZEMAX軟件，點(diǎn)擊新建，以抹去打開(kāi)時(shí)默認(rèn)顯示的上一個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)新建一個(gè)新的空白透鏡。 2. 在主菜單-系統(tǒng)-光波長(zhǎng)彈出的對(duì)話框中輸入3個(gè)覆蓋可見(jiàn)光波段的波長(zhǎng)，設(shè)定主波長(zhǎng)。同樣在系統(tǒng)-通用配置里設(shè)置入瞳直徑值。 3. 在光闌面的G

4、lass列里輸入BK7作為指定單透鏡的材料，并在像平面前插入一個(gè)新的面作為單透鏡的出射面。 4. 輸入相關(guān)各鏡面的厚度和曲率半徑。5. 生成光線像差特性曲線、2D、3D圖層曲線和實(shí)體模型、渲染模型等分析圖來(lái)觀察此時(shí)的成像質(zhì)量。6. 利用Solve功能來(lái)求解鏡片厚度，更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化。7. 利用主菜單-工具-優(yōu)化-優(yōu)化來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化。去掉8. 調(diào)用并建構(gòu)優(yōu)化函數(shù)（Merit Function），在優(yōu)化后更新全部?jī)?nèi)容，然后觀察各分析圖的相應(yīng)變化。9. 分別調(diào)用點(diǎn)列圖、OPD圖以及焦點(diǎn)色位移圖（主菜單-分析-雜項(xiàng)）來(lái)觀察最優(yōu)化后的成像質(zhì)量。10. 將此設(shè)計(jì)

5、起名保存，生成報(bào)告。 （二）. 以前一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)優(yōu)化后的單透鏡為基礎(chǔ)，添加一塊材料為SF1玻璃的透鏡來(lái)構(gòu)建雙透鏡系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化成像質(zhì)量。1. 插入新的平面作為第二塊透鏡的出射面，輸入相關(guān)鏡面的厚度、曲率半徑以及玻璃類型值（BK7、SF1）。2. 生成光線像差特性曲線、2D、3D圖層曲線和實(shí)體模型、渲染模型等分析圖來(lái)觀察此時(shí)的成像質(zhì)量。3. 沿用前例的優(yōu)化函數(shù)，在優(yōu)化更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化，并分別對(duì)比單透鏡時(shí)的點(diǎn)列圖、OPD圖以及焦點(diǎn)色位移圖（主菜單-分析-雜項(xiàng)）的相應(yīng)變化，觀察雙透鏡此時(shí)的成像質(zhì)量。4. 利用利用Solve功能來(lái)求解鏡片邊緣厚度，更新后更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化。

6、5. 定義視場(chǎng)（系統(tǒng)-視場(chǎng)）來(lái)測(cè)試此雙透鏡的離軸特性。6. 將此設(shè)計(jì)起名保存，生成報(bào)告。四 實(shí)驗(yàn)儀器PC機(jī)實(shí)驗(yàn)三 基于ZEMAX的牛頓望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)會(huì)使用ZEMAX軟件對(duì)典型牛頓望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。二 實(shí)驗(yàn)要求1. 掌握設(shè)立反射鏡、使坐標(biāo)中斷的方法；2. 學(xué)會(huì)使用圓錐常量來(lái)優(yōu)化成像質(zhì)量；3. 學(xué)習(xí)點(diǎn)列圖和3D圖形分析像質(zhì)的簡(jiǎn)單方法。三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 利用ZEMAX軟件來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)1000mm F/5的牛頓望遠(yuǎn)鏡，即一個(gè)曲率半徑為2000mm的鏡面和一個(gè)200mm的孔徑。1. 打開(kāi)ZEMAX軟件，點(diǎn)擊新建，以抹去打開(kāi)時(shí)默認(rèn)顯示的上一個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)新建一個(gè)新的空白透鏡。2. 在LDE（

7、透鏡數(shù)據(jù)編輯器）中輸入相關(guān)平面的曲率半徑、厚度和玻璃類型值。3. 在主菜單-系統(tǒng)中設(shè)置孔徑值，并沿用默認(rèn)的波長(zhǎng)和視場(chǎng)角值。4. 生成光線像差特性曲線、2D、3D圖層曲線和實(shí)體模型、渲染模型等分析圖來(lái)觀察此時(shí)的成像質(zhì)量。5. 生成標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖，并與艾利斑對(duì)比來(lái)進(jìn)行像質(zhì)的簡(jiǎn)單分析。6. 在像平面前插入一個(gè)新的虛構(gòu)面（未來(lái)放置反射鏡），合理設(shè)置中斷的坐標(biāo)值以獲得光闌面和虛構(gòu)面的厚度，將兩個(gè)厚度輸入LDE中的相應(yīng)位置。7. 從主菜單-工具-折疊反射鏡里添加一個(gè)反射鏡，設(shè)置交疊曲面為2，確定。8. 更新后觀察此時(shí)的各分析圖，注意分析那些哪些圖已經(jīng)不再起作用了。通過(guò)相應(yīng)按鍵操作旋轉(zhuǎn)縮放3D類的分析圖來(lái)觀察成

8、像質(zhì)量。9. 在光闌面（STO）前新添加一個(gè)圓形擋光面，設(shè)置合理的面厚度和擋光半徑。10. 更新后重新觀察此時(shí)的3D類分析圖，觀察此時(shí)的成像質(zhì)量和效果。11. 更名存盤后生成報(bào)告。四 實(shí)驗(yàn)儀器PC機(jī)實(shí)驗(yàn)四 基于ZEMAX的施密特-卡塞格林系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會(huì)使用ZEMAX軟件對(duì)帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。二 實(shí)驗(yàn)要求 1. 掌握使用多項(xiàng)式的非球面的方法； 2. 掌握遮攔、孔徑的相關(guān)知識(shí)； 3. 掌握OPD圖和MTF分析像質(zhì)的簡(jiǎn)單方法。三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 設(shè)計(jì)一個(gè)帶多項(xiàng)式非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)，要求10英寸的孔徑，10英寸的后焦距（從主鏡的后面到焦點(diǎn)）。1

9、. 打開(kāi)ZEMAX軟件，點(diǎn)擊新建，以抹去打開(kāi)時(shí)默認(rèn)顯示的上一個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)新建一個(gè)新的空白透鏡。2. 從主菜單-系統(tǒng)-通用配置里設(shè)置孔徑值和單位（英寸），同樣在系統(tǒng)-光波長(zhǎng)里設(shè)置覆蓋可見(jiàn)光波段的3個(gè)典型波長(zhǎng)，設(shè)置主波長(zhǎng)值。3. 在光闌面后插入兩個(gè)面，輸入相應(yīng)的各面的厚度、曲率半徑和玻璃類型值。4. 生成2D草圖來(lái)觀察此時(shí)的光路和成像效果。5. 新添加一個(gè)輔助鏡面，合理設(shè)置各個(gè)平面新的厚度、曲率半徑值，并將第四面的曲率半徑設(shè)為變量，讓ZEMAX自動(dòng)求解。6. 構(gòu)建新的優(yōu)化函數(shù)，在優(yōu)化后更新全部?jī)?nèi)容。7. 生成OPD圖，分析成像質(zhì)量。8. 將第一面（STO）的表面類型改為“EVEN ASPHER

10、E”以便為非球面矯正器指定多項(xiàng)式非球面系數(shù)。將該面的“4th（6th、8th） Order Term”項(xiàng)分別設(shè)為變量。9. 選擇主菜單-工具-優(yōu)化，優(yōu)化后重新更新OPD圖，分析此時(shí)的成像質(zhì)量。10. 將第一面的半徑設(shè)為變量，再次優(yōu)化，更新后生成OPD圖，分析此時(shí)的成像質(zhì)量。11. 從主菜單-系統(tǒng)-視場(chǎng)里將視場(chǎng)角個(gè)數(shù)設(shè)置為3，輸入適當(dāng)?shù)膟角度，更新后對(duì)比觀察此時(shí)的OPD圖。12. 重新構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)對(duì)此設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，更新后再觀察此時(shí)的OPD，分析成像質(zhì)量。13. 從主菜單-分析-調(diào)制傳遞函數(shù)-快速傅里葉變換生成MTF圖，由圖分析此時(shí)的像質(zhì)。14. 返回LDE，雙擊第三面的第一列，將Aper

11、ture標(biāo)簽中的光圈類型改為“圓形光圈”，設(shè)置最小半徑為1.7，最大半徑為6，完成主反射面上缺口的設(shè)計(jì)。15. 在第三面前插入一個(gè)新的面（此時(shí)原來(lái)的第三面變位第四面），將新面（即現(xiàn)在的第三面）厚度改為20。將第二面的厚度由60改為40。16. 將第三面的第一列的孔徑類型改為圓形擋光，最大半徑設(shè)為2.5。再將第三面的半口徑定為2.5。17. 更新全部?jī)?nèi)容后重新觀察MTF圖和3D類型的各分析圖，分析此時(shí)的成像質(zhì)量。18. 存盤后生成報(bào)告。四 實(shí)驗(yàn)儀器PC機(jī)實(shí)驗(yàn)五 基于ZEMAX的激光擴(kuò)束鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會(huì)使用ZEMAX軟件對(duì)多重結(jié)構(gòu)配置的激光束擴(kuò)大器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。二 實(shí)驗(yàn)要求 1. 掌握

12、使用多重結(jié)構(gòu)配置； 2. 進(jìn)一步學(xué)習(xí)構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)。三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)激光擴(kuò)束器，使用的波長(zhǎng)為1.053m，輸入光束直徑為100mm，輸出光束的直徑為20mm，且輸入光束和輸出光束平行。要求只使用兩片鏡片，設(shè)計(jì)必須是伽利略式的（沒(méi)有內(nèi)部焦點(diǎn)），在鏡片之間的間隔必須不超過(guò)250mm，只許使用1片非球面，系統(tǒng)必須在波長(zhǎng)為0.6328m時(shí)測(cè)試。1. 打開(kāi)ZEMAX軟件，點(diǎn)擊新建，以抹去打開(kāi)時(shí)默認(rèn)顯示的上一個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)新開(kāi)一個(gè)新的空白透鏡。2. 在像平面前插入4個(gè)面，輸入相關(guān)各面的厚度、曲率半徑和玻璃類型值，如下表所示：3在主菜單-系統(tǒng)里分別設(shè)置入瞳直徑為100，波長(zhǎng)為1.053微米。4. 從主菜

13、單-編輯-優(yōu)化函數(shù)構(gòu)建一個(gè)優(yōu)化函數(shù)，在第一行將操作數(shù)類型改為REAY，為surf輸入5，為Py輸入1.00，target輸入10，weight輸入1。5. 從評(píng)價(jià)函數(shù)編輯窗中選工具-默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)。再選reset，將“開(kāi)始在”的值改為2，確定。6. 從主菜單-工具中選擇優(yōu)化，優(yōu)化完成后生成OPD圖，分析此時(shí)的像質(zhì)。7. 將第一面的圓錐系數(shù)（conic）列設(shè)為變量。再次優(yōu)化后，重新生成OPD圖，分析此時(shí)的像質(zhì)。8. 將三個(gè)曲率和圓錐系數(shù)的變量狀態(tài)去掉。（建議此時(shí)存檔一次）9. 從主菜單-系統(tǒng)中重新配置光波長(zhǎng)，將之前的1.053改為0.6328，確定后再次更新OPD圖，分析此時(shí)的像質(zhì)。10. 將第二

14、面的厚度250mm設(shè)為可變，然后工具-優(yōu)化后，重新生成OPD圖。此時(shí)去掉第二面的可變狀態(tài)。11. 從主菜單-編輯中調(diào)出多重結(jié)構(gòu)編輯窗，在這個(gè)窗口的編輯菜單中選“插入結(jié)構(gòu)”來(lái)插入一個(gè)新的結(jié)構(gòu)配置，雙擊第一行的第一列，從下拉框（操作數(shù)）中選wave，在同樣的對(duì)話框里為wavelength#選擇1，確定。在config1下輸入1.053，在config2下輸入0.6328。12. 按Insert為多重結(jié)構(gòu)編輯器加入新的一行，在新的第“1”行的第一列雙擊，然后選THIC為操作數(shù)類型。從surface列選2，確定。在config1下輸入250，在config2下輸入250。將config2下的第二面的厚

15、度設(shè)為變量。13. 回到優(yōu)化函數(shù)編輯器。選工具-默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)，在顯示的對(duì)話框中將“開(kāi)始在”的值改為1，確定。14. 在結(jié)構(gòu)配置1的第一個(gè)OPDX行之前插入新的一行，將新加的這一行的操作數(shù)類型改為REAY，為surf輸入5，Py輸入1，target輸入10.結(jié)構(gòu)配置2中不需要更改。15. 回到LDE，將第1、2和4面的曲率半徑以及第1面的conic設(shè)為變量。重新工具-優(yōu)化。16此時(shí)若雙擊多重結(jié)構(gòu)的config1列頭，更新OPD圖，得到關(guān)于1.053波長(zhǎng)的OPD圖；若雙擊config2列頭，則得到0.6328波長(zhǎng)的OPD圖，分析像質(zhì)?？旖萱Ictrl+A可用來(lái)在這兩個(gè)配置之間快速切換。17. 存盤后

16、生成報(bào)告。四 實(shí)驗(yàn)儀器PC機(jī)實(shí)驗(yàn)六 基于ZEMAX的折疊反射鏡面和坐標(biāo)斷點(diǎn)設(shè)計(jì)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?更深入的學(xué)習(xí)理解坐標(biāo)斷點(diǎn)和反射鏡面的應(yīng)用。二實(shí)驗(yàn)要求1更深入的理解坐標(biāo)斷點(diǎn)；2. 掌握傾斜和偏心系統(tǒng)設(shè)立的符號(hào)約定；3. 更深入了解反射鏡面的應(yīng)用。三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1. 打開(kāi)ZEMAX軟件，點(diǎn)擊新建，以抹去打開(kāi)時(shí)默認(rèn)顯示的上一個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)新開(kāi)一個(gè)新的空白透鏡。2. 在LDE的第一面即STO面的表面類型列上雙擊，從下拉菜單里選Paraxial，將STO面類型改為近軸鏡片。STO的厚度設(shè)為100，這是近軸鏡片的缺省焦距。3. 在系統(tǒng)-通用配置中將入瞳直徑設(shè)為20.4. 生成3D草圖，觀察其光路和成像效果。5

17、. 在IMA面前插入3個(gè)新面，將第1面（STO面）的厚度改為30，在第3面的玻璃列輸入MIRROR，第4面厚度改為-70.6. 更新3D草圖，對(duì)比觀察其光路和成像效果。7. 分別雙擊第2、4面的表面類型列，將這些面改為坐標(biāo)斷點(diǎn)（coordinate break）。雙擊第4面的Parameter3列（即Tilt about X列），在下拉列表中選擇Pickup作為求解類型，設(shè)From Surface為2，Scales Factor為1，確定。在第2面的Tilt about x列里輸入45.8. 更新全部?jī)?nèi)容后，重新生成3D草圖，對(duì)比觀察其光路和成像效果。9. 在IMA面前再插入3個(gè)新面，將第4面

18、的厚度從-70改為-30，第6面的玻璃改為MIRROR，第7面的厚度改為40，再將第5第7面的表面類型改為坐標(biāo)斷點(diǎn)，在第5面對(duì)X軸的傾斜中輸入-45，在第7面的Tilt about x上雙擊，選擇對(duì)其Pickup求解，求解是從第5面得到，比例因子為1.10. 更新3D草圖，對(duì)比觀察其光路和成像效果。11. 存盤生成報(bào)告。四 實(shí)驗(yàn)儀器PC機(jī)實(shí)驗(yàn)七 基于ZEMAX的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會(huì)自主地在多重結(jié)構(gòu)中將復(fù)雜嵌構(gòu)式的望遠(yuǎn)鏡物鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)成像的轉(zhuǎn)向。二實(shí)驗(yàn)要求1. 總結(jié)之前學(xué)過(guò)的像質(zhì)評(píng)價(jià)和優(yōu)化方法，自主的設(shè)計(jì)并優(yōu)化本次實(shí)驗(yàn)的整個(gè)系統(tǒng)；2. 更深入的掌握多重結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，學(xué)會(huì)構(gòu)建并優(yōu)化