《光學(xué)設(shè)計》上機(jī)實(shí)驗指導(dǎo)書

1、光學(xué)設(shè)計上機(jī)實(shí)驗指導(dǎo)書西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院1目 錄實(shí)驗一 單透鏡設(shè)計3實(shí)驗二 雙透鏡9實(shí)驗三 牛頓望遠(yuǎn)鏡15實(shí)驗四 折疊反射鏡面和坐標(biāo)斷點(diǎn)19實(shí)驗一 單透鏡設(shè)計 (A Singlet)一、實(shí)驗?zāi)康模海?）熟悉光學(xué)設(shè)計軟件Zemax操作界面；（2）將知道如何鍵入光學(xué)系統(tǒng)的波長（wavelength)、鏡頭數(shù)據(jù)(Lens Data)、光線像差(Ray Aberration)、fan，光程差（OPD)，點(diǎn)列圖（spot diagrams )等等。（3）確定厚度求解方法（thickness solve)和變量（variables)，執(zhí)行簡單光學(xué)設(shè)計最佳化。 二、實(shí)驗環(huán)境：（1）、硬件環(huán)境：普通PC

2、機(jī)（2）、軟件環(huán)境：ZEMAX軟件平臺三、實(shí)驗內(nèi)容：設(shè)計一個相對孔徑F/4單鏡片，在光軸上可見光譜范圍內(nèi)使用，其焦距（focal length）為100mm，用冕牌BK7來作鏡片。四、實(shí)驗步驟：首先，運(yùn)行ZEMAX。ZEMAX主屏幕會顯示鏡片數(shù)據(jù)編輯(LDE)，可以對LDE窗口進(jìn)行移動或重新調(diào)整尺寸，以適應(yīng)你自己的喜好。LDE有多行和多列組成，類似于電子表格，曲率半徑(radius)、厚度(thickness)、玻璃(class)和半徑口徑(Aperture)等列使用最多，其他的則在特定類型的光學(xué)系統(tǒng)中才會用到。LDE中的小格會以“反白”方式高亮顯示，即以與其它格子不同的背景顏色將字母顯示在屏

3、幕上。這個反白條表示的是光標(biāo)，可以用鼠標(biāo)在格子上點(diǎn)擊來操作。然后，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。開始，輸入系統(tǒng)波長，這個不一定先完成，只不過現(xiàn)在我們選定了這一步。在主屏幕菜單條上，選擇“系統(tǒng)(system)”菜單下的“波長（Wavelength)”。屏幕中間會彈出一個“波長（Wavelength Data)”對話框。ZEMAX中有許多這樣的對話框，用來輸入數(shù)據(jù)和提供選擇。用鼠標(biāo)在第二和第三行的“使用（Use）”上單擊一下，將會增加兩個輸入波長使總數(shù)成為三?，F(xiàn)在，第一個“波長”行中輸入486，這是氫F譜線的波長，單位為微米。ZEMAX全部使用微米作為波長的單位?，F(xiàn)在，第二行波長列中輸入587，最后在第三行輸入6

4、56，這就是ZEMAX中所有有關(guān)輸入數(shù)據(jù)的操作。這個指示器指出了主要的波長（primary wavelength），當(dāng)前為486微米。在主波長的第二行上單擊，指示器下移到587的位置。主波長用來計算近軸參數(shù), 主要是用來計算光學(xué)系統(tǒng)在近軸光學(xué)近似(paraxial optics，即first-order optics)下的幾個主要參數(shù)，如focal length，magnification，pupil sizes等。“權(quán)重（weight）”這一列用在優(yōu)化上，以及計算波長權(quán)重數(shù)據(jù)如RMS點(diǎn)尺寸?，F(xiàn)在讓所有的權(quán)為1.0，單擊OK保存所做的改變，然后推出波長數(shù)據(jù)對話框?，F(xiàn)在我們定義鏡片的一個口徑。這

5、可以使ZEMAX在處理其他的事情上，知道每個鏡片該被定義多大。我們設(shè)計一個F/4的透鏡，需要一個25mm的孔徑（100mm的焦距，相對孔徑F/4）。設(shè)置這個孔徑值，選擇“系統(tǒng)(system)”中的“通常（General）”菜單項，出現(xiàn)“通常數(shù)據(jù)（General Data）”對話框，單擊“孔徑值（Aper Value）”一格，輸入25，孔徑類型選擇“入瞳直徑（Entrance Pupil Diameter）”，也可以選擇其它類型的孔徑設(shè)置。ZEMAX模型光學(xué)系統(tǒng)使用一系列的表面，每一個表面有一個曲率半徑和玻璃。在LDE中顯示有三個面。物平面，在左邊以O(shè)BJ表示；光闌面，以STO表示；像面，以IM

6、A表示。對我們開說，但透鏡一共四個面：物平面、前鏡面（光闌面）、后表面和像面。要插入第四個表面，只需將光標(biāo)移動像平面的“無限（Infinity）之上，按INSERT鍵。這將會在那一行插入一個新的面，并將像平面下移，新面被標(biāo)為第2面。注意物體所在面為第0面，然后才是第1、第2、第3面?，F(xiàn)在輸入使用的玻璃。移動光標(biāo)到第一個面的“玻璃（Glass）”列，即在左邊標(biāo)作STO的面。輸入“BK7”回車。ZEMAX有一個非常廣泛的玻璃目錄可用，我們所用的僅僅是BK7，ZEMAX回去查找所選定的玻璃并計算每一波長的色散系數(shù)等數(shù)據(jù)。由于透鏡的孔徑是25mm，合理的鏡片厚度是4mm。移動光標(biāo)到第1個面的厚度列并輸

7、入“4”，缺省單位是毫米。現(xiàn)在，需要為鏡片輸入每一面的曲率半徑值，前面和后面的半徑分別是100和-100。在第1和2面中分別輸入這些值。在這里注意符號約定。在鏡片焦點(diǎn)處設(shè)置像平面的位置，所以要輸入一個100的值，作為第2面的厚度。如何判斷鏡片是否好呢？最有用的判斷工具是光學(xué)特性曲線圖。要產(chǎn)生一幅光學(xué)特性曲線圖，先選擇“分析（Analysis）”菜單，然后選擇“圖（Fan）”菜單，在選擇“光線像差（Ray Aberration）”將會看到光學(xué)特性曲線圖在一個小窗口顯示出來。其中ray aberration是以chief ray為參考點(diǎn)計算的?？v軸為EY的，即是在Y方個的aberration，稱作

8、tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration稱為XZ plane或sagittal。光線特性圖如圖E1-1所示。圖形以光瞳坐標(biāo)的函數(shù)形式表示了橫向的光線像差（指的是以主光線為基準(zhǔn)）。左邊的圖形Y方向的像差，右圖為XZ面上的像差。此光學(xué)特性曲線表示出了一個明顯的設(shè)計錯誤，光學(xué)特性曲線通過原點(diǎn)的傾斜表示有離焦現(xiàn)象存在。E1-1為了糾正離焦，在鏡片的后面的Solve來進(jìn)行。為了將像面設(shè)置在近軸焦點(diǎn)上，在第2面的厚度上雙擊，彈出SOLVE對話框，它只簡單顯示“固定（Fixed）”。在下拉框上單擊，將SOLVE類型改變?yōu)椤斑吘壒饩€（Marginal Ray Height）”

9、，然后單擊OK。用這樣的求解辦法將會調(diào)整厚度使像面上的邊緣光線高度為0，即是近軸焦點(diǎn)。注意第2面的厚度會自動調(diào)整到約為96mm。現(xiàn)在，更新光學(xué)特性曲線圖看其變化，如圖E1-2所示，離焦已消失，主要的像差是球差。現(xiàn)在是否最佳設(shè)計呢？E1-2下面要用優(yōu)化來完成本設(shè)計的工作。首先，設(shè)一些變量，然后設(shè)置設(shè)計要求（目標(biāo)Targets）或操作數(shù)（Operands）。有三個變量是鏡片的前、后曲率和第二面的厚度，這些變量可以用離焦補(bǔ)償球差。將光標(biāo)移到第一面的半徑列，雙擊，得到一下拉的選擇列，其中包括變量狀態(tài)，注意：“V”表示一個可變的變量。再在第2面半徑及厚度上設(shè)置變化的標(biāo)志。第2面的厚度變化時，它的值會覆蓋

10、先前用求解定出的值?，F(xiàn)在給鏡片定義以“評價函數(shù)（Merit Function）”。一個理想的鏡頭它的評價函數(shù)的值為0。從主菜單中選擇“編輯（Editors）”菜單下的“評價函數(shù)”，會出現(xiàn)一個表格。從這個新的窗口的菜單條上，選擇“工具（Tools）”菜單下的“ 缺省評價函數(shù)”。再在出現(xiàn)的對話框中，點(diǎn)擊Reset，然后OK，ZEMAX就會建立一個合理的缺省評價函數(shù)。它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追跡光線組成，但這不夠，因為除了使彌散斑尺寸最小外，還需要是鏡頭的焦距為100mm。在第一行中的任何一處單擊鼠標(biāo)，使光標(biāo)移動到評價函數(shù)編輯的第一行，按下INSERT鍵插入新的一行?，F(xiàn)在，在“TYPE

11、”列下，輸入“EFFL”然后按回車。此操作數(shù)控制有效焦距。移動光標(biāo)到“Target”列，輸入“100”然后按回車。其“權(quán)重（Weight）”輸入一個值：1。這就完成了評價函數(shù)的定義，可以在窗口的左上角雙擊，評價函數(shù)編輯器從屏幕中移走評價函數(shù)不會丟失，ZEMAX會自動將它保存。現(xiàn)在主菜單條中選擇“工具”菜單下的“最佳優(yōu)化（Optimization）”，會顯示最優(yōu)化工具對話框。在復(fù)選框中選擇自動更新，然后單擊“自動（Automatic）”。ZEMAX會很快減少評價函數(shù)。單擊“退出”關(guān)閉最優(yōu)化對話框。最佳化的結(jié)果是使鏡片彎曲。結(jié)果所得出的鏡片曲率使焦距大致為100mm，并且使這個簡單的系統(tǒng)具有了一個

12、盡可能小的RMS波前差。因為EFFL限制是一個被看做與其他的像差一樣的“權(quán)重”指標(biāo)?，F(xiàn)在分析一下光學(xué)特性曲線圖研究計算結(jié)果，最佳化的設(shè)計結(jié)果的最大的像差為200微米，如圖E1-3所示。E1-3衡量光學(xué)性能的另一個方法是產(chǎn)生一個點(diǎn)列圖。選擇“分析”菜單下的“點(diǎn)列圖”選項，然后選其中的“標(biāo)準(zhǔn)（Standard）”,點(diǎn)列圖將會顯示在另一個窗口中。此點(diǎn)列圖的彌散大小是400微米。作為比較，艾利衍射斑的大小粗略約為6微米。另一個有用的判斷工具光程差OPD圖。這是以光瞳坐標(biāo)為函數(shù)的分布圖，選擇“分析”菜單下的“圖（Fan）”再選擇“光程（Optical Path）”。如圖E1-4所示。這個系統(tǒng)大約有20個

13、波長波像差，大部分為焦面上的球差、色球差和軸上色差。E1-4從光線圖中，明顯看出，色差是其主要像差。ZEMAX為一階色差的大小提供了另一種簡便的工具：多色光焦點(diǎn)漂移圖。這種圖形把焦距作為一種波長的函數(shù)，它指出了近軸焦點(diǎn)的變化。選擇“分析”菜單中的“多方面（Miscella-neous）”，然后再選“多色光焦點(diǎn)漂移0圖（Chromatic Focal Shift）”。如圖E1-5所示，注意縱坐標(biāo)表示波長范圍，覆蓋定義的波長段，焦距的最大變化范圍約為1540微米。對于但透鏡鏡片來說，其曲線的單調(diào)變化類型是很典型的。為了修正一階多色差，要求更換另一種玻璃材料。這就是實(shí)驗二要解決的問題。E1-5實(shí)驗二

14、 雙透鏡 (A Doublet)一、實(shí)驗?zāi)康模海?）熟悉光學(xué)設(shè)計軟件Zemax操作界面；（2）將知道如何產(chǎn)生圖層、視場曲率圖、定義視場角等等。（3）用離焦來平衡球差的方法和定義邊緣厚度求解。 二、實(shí)驗環(huán)境：（1）、硬件環(huán)境：普通PC機(jī)（2）、軟件環(huán)境：ZEMAX軟件平臺三、實(shí)驗內(nèi)容：設(shè)計一個相對孔徑F/4雙交合透鏡鏡片，在光軸上可見光譜范圍內(nèi)使用，其焦距（focal length）為100mm，用冕牌BK7和火石玻璃SF1來作鏡片。四、實(shí)驗步驟：一個雙透鏡包括兩片玻璃，通常（但不一定）是膠合的，因此它們有一個共同的曲率，通過使用兩片具有不同色散特性的玻璃，一階色差可以被矯正。也就是說，我們需要

15、得到拋物線形的多色光焦點(diǎn)漂移圖，而不是直線的。這反過來會產(chǎn)生較好的像質(zhì)。現(xiàn)在，我們保持先前100mm焦距和在軸上的設(shè)計要求，下面將會加入視場角。如何選擇這兩片玻璃需要一些技巧，參考Smith的現(xiàn)代光學(xué)工程學(xué)（Modem Optical Engineening）里有關(guān)的例子。由于此例的目的是教你如何使用ZEMAX，而不是設(shè)計鏡片，這里只建議選擇BK7和SF1這兩種玻璃。如果你完成了剛才的例子，且單透鏡片仍然被裝載著，不需要重新輸入設(shè)計的波長。否則，需按照前面的例子所述的方法輸入波長和孔徑。現(xiàn)在必須插入新的面，知道你的LDE窗口看上去下面的表格。不是所有的列都被顯示出來。如果需要移動光闌的位置以使

16、第一面成為光瀾面，可以通過雙擊所要使之成為光瀾面的那一行的表面類型列，然后選擇“Make Surfase Stop”按鈕。因為在BK7和SF1這兩種介質(zhì)中沒有空隙，這是一個膠合透鏡。ZEMAX自己不會模擬膠合鏡片，它只能簡單地模擬使兩片不歐力相接觸。如果在先前的例子中，仍然保留了評價函數(shù)，那么，不需要重新創(chuàng)建評價函數(shù)。否則，需重新創(chuàng)建一個評價函數(shù)，包括EFFL操作數(shù)，如前一個例子所描述的?，F(xiàn)在，從主菜單下選擇“工具”-“最佳化”，單擊“自動”，評價函數(shù)會開始減小，等它停止后單擊“退出”。顯示多色光焦點(diǎn)漂移圖，看是否已有一些提高（如果你的屏幕上還沒有準(zhǔn)備好，選擇“Analysis”，“Misce

17、llaneous（各種的）”，Chromatic Focal“）。與圖E2-2類似。圖E2-2現(xiàn)在以經(jīng)減小了色差的線性項，二階色差占了優(yōu)勢，因此如拋物線形狀所示。注意多色光焦點(diǎn)漂移量減少為74微米。（單透鏡為1540微米）。還有另外的玻璃選擇可以產(chǎn)生好的設(shè)計。要看ZEMAX玻璃目錄中的其他玻璃類型，選擇“tools”，“Glass Catalogs”。瀏覽完目錄后單擊“Exit”，現(xiàn)在，通過在光學(xué)特性曲線窗口中選擇“Update”更新光學(xué)特性曲線圖（如果光學(xué)特性曲線窗口沒有顯示出來，則在主菜單中選擇“Analysis”，“Fans”，“Ray Aberration”）。如圖E2-1所示。最大的

18、橫向光學(xué)像差已經(jīng)被減小到約20微米。這對于單透鏡在200微米處來說是一個質(zhì)的提高。注意光學(xué)特性曲率圖原點(diǎn)處的斜率對于每一個波長相對離焦也很小的，但是斜率不為0。這隱含了離焦被用來平衡球差的意思。有S形彎曲的光學(xué)特性曲線是典型的用離焦平衡球面鏡片的例子。E2-1現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計了一個具有較好的性能特征的鏡片，鏡片看上去怎么樣呢？選擇“Analysis”，“Layout”，“2D Layout”，一個簡單的鏡片的二維剖面圖如E2-3所示。圖中顯示了從第一面到像屏幕（缺省值，也可設(shè)成其他值）的鏡片，同時還有三條（缺省情況下）主波長光線從每個視場到像平面。這三條光線分別為入瞳本例中也就是第一面的上邊緣、中

19、心和底部的光線。很明顯，第1個鏡片有較尖的邊緣。根據(jù)圖形很難說出邊緣厚度是正的或負(fù)的。而且，如果鏡片尺寸稍微大一點(diǎn)會更好。這樣可使鏡片的實(shí)用清晰孔徑會比口徑要小，會給諸如拋光和裝配等提供邊緣空間。可以通過考慮這些因素來提高設(shè)計。為了決定實(shí)際的邊緣厚度，可將光標(biāo)移動到第一面的任意一列（例如，在LDE有“BK7”字樣處單擊）?，F(xiàn)在選擇“Reports”，“Surface Data”，將會出現(xiàn)一個窗口，顯示了改面的邊緣厚度，所給出的值是0.17，稍偏小。在修整偏小的邊緣厚度之前，先將鏡片放大。移動光標(biāo)到第一面的半口徑“Semi-Diameter”列，鍵入“14”替代所顯示的12.5并顯示“14.00

20、0000U”?！癠”標(biāo)志著這個孔徑是用戶自定義的。如果“U”沒有顯示，表示ZEMAX允許此孔徑可隨要求定義?？涉I入Ctrl-Z來取消“U”標(biāo)志，或在半口徑上雙擊，并為求解類型選擇“Automatic”，作了這些改變后，選擇“System”，“Update”更新孔徑值。14這個值為半口徑，表示全口徑為28mm。同樣，在第二面和第三名中也輸入14。E2-3更新圖層。現(xiàn)在孔徑已經(jīng)被放大了，但第一個邊緣厚度是負(fù)的，更新表面數(shù)據(jù)窗口查看新的邊緣厚度，它會變成一個負(fù)數(shù)。為了得到一個更為合理的邊緣厚度，可以增加中心厚度，但是，還有一個更有用的保持邊緣厚度為一個特定值的方法。假設(shè)需要保持邊緣厚度在3mm，在第

21、一面的厚度列中雙擊，會出現(xiàn)“Solve Control”屏幕，從顯示的求解列表中選擇“Edge thickness”，兩個值會被顯示，一個是“厚度（Thickness）”，一個是“半徑高（Radial Height）”。設(shè)厚度為3，半徑高為0（如果半徑高是0，ZEMAX使用所定義的半口徑），然后單擊“OK”。在LDE中，第一面的厚度已被調(diào)整過，字母“E”顯示在框中，表示此參量為一個活動的邊緣厚度解。再次更新表面數(shù)據(jù)窗口，邊緣厚度3會被列出。也可以選擇“System”，“Update All”一次性更新所有的窗口。這將會刷新圖層和光學(xué)特性曲線圖。通過調(diào)整厚度，已對鏡片的焦距作了一點(diǎn)改變。然后，再

22、進(jìn)行最佳化（選擇“Tools”，“Optimization”，然后選“Automatic”）。最佳化后，單擊“Exit”，然后選擇“System”，“Update All”，再一次刷新圖形?，F(xiàn)在來測試雙透鏡的離軸特性。從主菜單選擇“System”,“Field”得到“Field Data”對話框，單擊第2和第3行的“Use”，選擇3個視場。在下面的y視場列的第2行，輸入7（即7度），在第3行輸入10.使對于軸上的第1行保持為0.使x視場的值也為0.因為一個旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)，其x視場的值也為0，因為一個旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)，其x視場的值很小。單擊OK關(guān)閉對話框?，F(xiàn)在選擇“System”，“Update Al

23、l”（系統(tǒng)，更新），光學(xué)特性曲線（rayfan）圖顯示在圖E2-4中，你所得的也許會有點(diǎn)不同，這要看你在設(shè)置了求解（SOLVE）后是如何重新優(yōu)化的。E2-4就如這些圖中顯示的，鏡頭的軸外特性是很差的，原因是我們只對軸上特性進(jìn)行了優(yōu)化?，F(xiàn)在是什么像差限制了我們呢？可以來分析光學(xué)特性曲線圖，判別出場曲是主要像差，此像差可以通過場曲曲線圖圖來估計。選擇“Analysis”，“Miscellaneous”，“Field Curv/Dist”，場曲曲線如圖E2-5所示。注意左圖表示出了近焦點(diǎn)的漂移為一個關(guān)于視場角的函數(shù)，而右圖則表示了有以近軸光線為基準(zhǔn)的實(shí)際光線的畸變。場曲曲線圖上的所有信息都可從光學(xué)特

24、性曲線圖中得到，場曲曲線與光學(xué)特性曲線圖中的斜率成比例。在校正視場彎曲時是由技巧的，實(shí)際上，球差和慧差也同樣如此。這些技巧在Smith的Modern Optical Engineering中也有提及。E2-5實(shí)驗三 牛頓望遠(yuǎn)鏡 (A Newtonian Telescope)一、實(shí)驗?zāi)康模海?）熟悉光學(xué)設(shè)計軟件Zemax操作界面；（2）將知道如何使用圓錐常量（conic constants）、坐標(biāo)中斷（coordinate breaks）、三維圖形（three dimensional layouts）、遮擋（obscurations）等等。（3） 熟悉反射鏡（mirrors）的設(shè)計方法。二、實(shí)驗

25、環(huán)境：（1）、硬件環(huán)境：普通PC機(jī)（2）、軟件環(huán)境：ZEMAX軟件平臺三、實(shí)驗內(nèi)容：設(shè)計一個焦距為1000mm、相對孔徑為F/5望遠(yuǎn)鏡鏡片，在光軸上可見光譜范圍內(nèi)使用。四、實(shí)驗步驟：牛頓望遠(yuǎn)鏡時最簡單的用來矯正軸上像差的望遠(yuǎn)鏡，而且它對于闡明ZEMAX的一些基本操作非常有用。首先，牛頓望遠(yuǎn)鏡時由一個簡單的拋物線形鏡面組成的，而且除此之外別無他物。拋物線很好第矯正了所有階是我球差，由于我們只將望遠(yuǎn)鏡使用在軸上系統(tǒng)，所以根本就沒有其他的像差。為了重新開始，先關(guān)閉LDE外的所有窗口，選擇“File”，“New”。假設(shè)需要一個1000mmF/5的望遠(yuǎn)鏡，這暗指需要一個曲率半徑為2000mm的鏡面，和一

26、個200mm的孔徑。移動光標(biāo)的第一面，即光瀾面的曲率半徑列，輸入-2000.0，負(fù)號表示為凹面，現(xiàn)在在同一個面上輸入厚度值-1000，這個負(fù)號表示通過鏡面折射后，光線將往“后方”傳遞。現(xiàn)在在同一面的“Glass”列輸入“MIRROR”，選擇“System”，“General”，然后在“通用數(shù)據(jù)對話框（General Data Dialog Box）”中輸入一個200的孔徑值，并單擊“OK”。ZEMAX使用的缺省值是波長550，視場角0，這對于我們的目標(biāo)來說是可接受的?，F(xiàn)在打開一個圖層窗口，光線顯示了從第一面到像平面的軌跡，此時像平面在鏡面的左邊。如果你現(xiàn)在演示一個標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)列圖（拉下“Anoly

27、sis”菜單，選擇“Spot Diagram”，再選“Standard”或鍵入“Ctrl-S”），將會看到一幅RMS為77.6微米的點(diǎn)列圖。評定像質(zhì)的一種較為簡便的方法是將艾利（Airy）衍射斑加到點(diǎn)列圖的頂部。進(jìn)行此操作，可從點(diǎn)列圖的菜單條選擇“Setting”，在“Show Scale”選項中選擇“Airy Disk”，然后單擊“OK”，所得的點(diǎn)列圖如圖E3-1所示。所列的RMS點(diǎn)的尺寸是77.6微米，光線并沒有達(dá)到衍射極限的原因是沒有輸入圓錐常量。原先所輸入的2000這個曲率半徑只是定義了一個球形，需要一個錐形常量-1來定義拋物線。在第一面的“Conic”列輸入-1，敲回車，現(xiàn)在選“Sy

28、sten”，“Update”菜單項刷新所有的窗口，在更新后的點(diǎn)列圖上，可以看到有一小簇的光線在六角環(huán)帶的中心，RMS點(diǎn)尺寸是0. 這個高像質(zhì)的圖象所處的位置并不好。由于像處在入射光路的光程中，圖象無法接受。這通常在鏡面后安放一個轉(zhuǎn)折光線用的反射面來調(diào)整，反射鏡面以45度的角度傾斜，將像從光軸上往外轉(zhuǎn)出來，為了使用轉(zhuǎn)折面，首先必須定下它安放在那里。由于入射的光束為200mm寬，我們所需要的像平面至少要離開光軸100mm，選擇200mm，因此折疊鏡面必須距主反射有800mm。E3-1先從改變第一面的厚度著手，將之移動光標(biāo)到像平面，按Insert在主面與像平面之間插入一個虛構(gòu)的面。新的面很快被轉(zhuǎn)換為

29、折疊面。虛構(gòu)面的作用只是簡單地用來安放折疊鏡面。在新的虛構(gòu)面上輸入一個-200的厚度值，保持鏡面到像平面的總距離為-1000.0?，F(xiàn)在單擊“Tools”，“Add Fold Mirror”，然后設(shè)置“Fold Surface”為2，單擊“OK”，所得電子表格會被顯示出來，而且會與下表相似?，F(xiàn)在可以看看新的折疊式牛頓反射鏡系統(tǒng)。先前所使用的圖將不再起作用（它只對旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)有作用），取而代之的是3維圖形，可通過“Analysis”，“Layout”，“3D Layout”菜單來得到。一旦三維圖形顯示出來，即可用左、右、上、下、Page Up和Page Down鍵來控制圖形的旋轉(zhuǎn)。ZEMAX允許圖

30、形的交互式旋轉(zhuǎn)。圖E3-2顯示了一種可能的投影。E3-2這個設(shè)計投影圖可用多種方法完善。首先，光線從物體到鏡面可被顯示出來，還有，落在折疊鏡面后面的光線應(yīng)該被攔去，且不允許它落在像平面上。這對于真正的系統(tǒng)來說，是非常重要的，因為光線在通常的光學(xué)系統(tǒng)中，不可能物理地穿過反射鏡。首先，將光標(biāo)停在第一面，在光闌前加入一個虛構(gòu)的面?，F(xiàn)在使得虛構(gòu)面的厚度為900mm，雙擊第一面的“Standard”,在對話框中為孔徑類型選擇圖形遮攔（“Circular Obscuration”），在光束中安放一個“遮攔（Obscuration）”，這樣就考慮到了折疊反射鏡阻擋了一些光束。為“最大半徑（Max Radiu

31、s）”輸入40，然后單擊OK，再更新3維圖。系統(tǒng)現(xiàn)在如圖E3-3所示，看上去更為實(shí)際。如果不是所有的表面都是可見的，選擇“Setting”，然后將第一面和最后一面的選項分別改為1和6，或單擊“Reset”，然后按“OK”。此處描述的過程，就是所有使用折疊反射鏡所要注意的。坐標(biāo)斷點(diǎn)除了反射鏡以外，也可用在TIP，傾斜和偏心光學(xué)部件上。完整的光學(xué)部件可以被移動，可參考ZEMAX所附帶的一些設(shè)計例子。E3-3 實(shí)驗四 折疊反射鏡面和坐標(biāo)斷點(diǎn)(Fold mirrors and coordinate breads)一、實(shí)驗?zāi)康模海?）熟悉光學(xué)設(shè)計軟件Zemax操作界面；（2）將更好地理解坐標(biāo)斷點(diǎn)，為傾斜

32、和偏心系統(tǒng)設(shè)立的符號約定。（3）反射面的應(yīng)用。二、實(shí)驗環(huán)境：（1）、硬件環(huán)境：普通PC機(jī)（2）、軟件環(huán)境：ZEMAX軟件平臺三、實(shí)驗內(nèi)容：設(shè)計一個牛頓望遠(yuǎn)鏡，練習(xí)在會聚光束中手動加入折疊反射鏡面。四、實(shí)驗步驟：先前的課程中講述了如何設(shè)計一個牛頓望遠(yuǎn)鏡，那一課中介紹丁反射鏡面和坐標(biāo)斷點(diǎn)概念。該課的重點(diǎn)為：1)厚度在經(jīng)過一個鏡面后總是會改變符號。經(jīng)過奇數(shù)面的鏡面后，總厚度應(yīng)該是負(fù)的。此符號的約定與鏡面的數(shù)量或坐標(biāo)斷點(diǎn)的存在無關(guān)。2)坐標(biāo)斷點(diǎn)通常成對出現(xiàn)，并夾在反射面中間。本課將會告訴你如何在會聚光束中手動加入折疊反射鏡面。先從File菜單選New清除當(dāng)前所有的鏡片數(shù)據(jù)。New功能會將視場的數(shù)量設(shè)為

33、1，波長數(shù)量也為1。以符合我們的目標(biāo)。在鏡片數(shù)據(jù)編輯囂(LDE)窗口，顯示三個面：OBJ，STO，和IMA，也即第O、1和2面。在表面類型列上雙擊，然后用從下拉列表中選Paraxial的方法將STO面的類型改為近軸鏡片，將STO面的厚度設(shè)為100，這是近軸鏡片的缺省焦距。然后，選System，General，在彈出的對話框輸入孔徑值20(這會產(chǎn)生一個F/5謾片)。單擊OK關(guān)閉對話框?，F(xiàn)在選Analysis，Layout，3D Layout執(zhí)行一次3D圖形。將會看到左邊出現(xiàn)一個平面，光線集中在右邊的一個焦點(diǎn)上。任何光學(xué)系統(tǒng)都可用來產(chǎn)生會聚光束，為簡單起見用一個近軸鏡片表達(dá)。現(xiàn)在加入單個反射鏡面使會聚光束方向向上。反射鏡面的初始位置的方向為45度，設(shè)需要反射鏡面離開近軸透鏡30mm的距離，就要求有3個新的鏡面：一個坐標(biāo)斷點(diǎn)使坐系統(tǒng)轉(zhuǎn)45度，一個反射鏡面，還有另外一個使反射光旋轉(zhuǎn)45度。關(guān)鍵的一點(diǎn)是：這三個面都要求使用一個單反射鏡面來實(shí)現(xiàn)。要加入三個表面，在像面行上任何一處