光學設計實驗指導書

1、光學設計實驗指導書實驗一光學設計軟件ZEMAX的安裝和基本操作實驗目的學習ZEMAX軟件的安裝過程，熟悉ZEMAX軟 件界面的組成及基本使用方法。二.實驗要求a）掌握ZEMAX軟件的安裝、啟動與退出的方 法。b）掌握ZEMAX軟件的用戶界面。c）掌握ZEMAX軟件的基本使用方法。d）學會使用ZEMAX的幫助系統(tǒng)。三.實驗內(nèi)容1.通過桌面快捷圖標或“開始一程序”菜單運行 ZEMAX,熟悉ZEMAX的初始用戶界面，如 下圖所示：-5 -S-friFlCjlJH'TnRcportsLi SflnriMno'M/LD 外狀況iVKE,：Erdm£lS 藥口Mndo*助牝即.口

2、OpeSa、pj GenFe V/a<11L3d R動 Opd| Sot "tlLen J S貨 F1& |麟 欽塌斷毋（投化者:snasrHuanq ）- X JI然M廷宓蜘5d-迂以2叫“分：平肋乜）SxicfCoxairrt:Radiu.rhicknanaClaaa-Di »»1：Conic1OBJSt3dord0.0000000.000000370StandardInfinityV10.000000BK?0.0000000.0000009XuflulcyV250.0000000.0000000.0000003StandArdInfinity5

3、.000000OK?0.0000000.000000怦仇函戮斛:O.OOOOOCE+OOO1 - a1X弟j ZEMAX-EE - D:ema2005 Chinese ver5ionSAMPLESLENS.zMXQldtxD 工k"8助 «atxtC,Oper *fyp«=心Uerght.1 SLX>：jSLXK嬪致£就淚未蒯碼工且0。均而助IH）一 EFFL： -IWNO! 10OTOEKPDsO- lOTR! 300圖1ZEMAX用戶界面2 .瀏覽各個菜單項的內(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 .熟悉使用各個常用的

4、快捷按鈕。4 .學會從主菜單的編輯菜單下調(diào)出各種常見編輯窗口（鏡頭數(shù)據(jù)編輯、優(yōu)化函數(shù)、 多重數(shù)據(jù)結構）。5 .調(diào)用ZEMAX自帶的例子（例如根目錄下 samplestutorialtutorial zoom2.zmx文件），學會打開常用的分析功能項：草圖（2D草圖、3D草圖、實體模型、渲染模型 等）、特性曲線（像差曲線、光程差曲線）、 點列圖、調(diào)制傳遞函數(shù)等，學會由這些圖進行簡單的成像質量分析。6 .從主菜單中調(diào)用優(yōu)化工具，簡單掌握優(yōu)化工具界面中的參量。7 .掌握鏡頭數(shù)據(jù)編輯（LDE）窗口的作用以及窗口中各個行列代表的意思。8從主菜單.報告下形成各種形式的報告。9 .通過主菜單-幫助下的操作手

5、冊調(diào)用 幫助文件，學會查找相關幫助信息。四.報告要求:1. 打開安裝目錄下的samplestutorialtutorial zoom2.zmx 文件，生成其2D圖、實體（轉角）、渲染（轉角）、像差特征曲線、OPD曲線、曲面數(shù)據(jù)報告（第 7面）、規(guī)則報告（截屏至“角度放大率”）和圖解報告4。截屏后打印出來。2 .試在打印出來的2D圖上標出各個面的位置以及相應面厚度值的具體指向（方向、范目);比較分析LDE窗口中兩個“半徑” （Radius和 Semi-Diameter）具體指的是什么，并定性的 在2D圖中標出第5面和第7面分別的Radius 和 Semi-Diameter o3 .試從幫助手冊（

6、主菜單幫助操作手冊）中查找點列圖左下角關于GEO RADIUS和 RMS RADIUS的定義和區(qū)別。五.實驗儀器PC機實驗二基于ZEMAX的簡單透鏡的優(yōu)化設計一.實驗目的學會用ZEMAX對簡單單透鏡和雙透鏡進行設 計優(yōu)化。二.實驗要求1.掌握新建透鏡、插入新透鏡的方法;2.學會輸入波長和鏡片數(shù)據(jù);3 .學會生成光線像差(ray aberration)特性 曲線、光程差(OPD)曲線和點列圖(Spot diagram)、產(chǎn)生圖層和視場曲率圖；4 .學會面厚度的求解方法，學會定義透鏡的邊緣厚度解和視場角，進行簡單的優(yōu)化。三.實驗內(nèi)容（1） .用BK7玻璃設計一個焦距為100mm的F/4單透鏡，要求

7、在軸上可見光范圍內(nèi)。1 .打開ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去打開時默認顯示的上一個設計結果，同時新建 一個新的空白透鏡。2 .在主菜單-系統(tǒng)-光波長彈出的對話框中 輸入3個覆蓋可見光波段的波長，設定主波 長。同樣在系統(tǒng)-通用配置里設置入瞳直徑 值（由設計要求決定）。3 .在光闌面的Glass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新 的面作為單透鏡的出射面。4 .輸入相關各鏡面的厚度和曲率半徑（STO面厚度舉例為4mm,其余各面厚度由設計要 求決定）。5 .生成光線像差特性曲線、2D、3D圖層 曲線和實體模型、渲染模型等分析圖來觀察 此時的成像質量。6 .利用Solve功能

8、來求解第2面的厚度,以便適當?shù)南x焦現(xiàn)象，更新后觀察各分析圖的相應變化。7 .將第1、第2面的曲率半徑以及第2面的厚度值設為變量，建構并調(diào)用默認優(yōu)化函數(shù)（Merit Function）。8 .在調(diào)用默認優(yōu)化函數(shù)后的優(yōu)化函數(shù)編輯框中的第一行前按INS插入一個新行，在其oper#列處雙擊（或右鍵單擊），在彈出的 對話框中將操作數(shù)選為EFFL, target設為 100, weight 設為 1,確定。9 .調(diào)用優(yōu)化工具進行優(yōu)化，在優(yōu)化后更新全部內(nèi)容，然后觀察各分析圖的相應變化。10 .分別調(diào)用點列圖、0PD圖以及焦點色位移圖（主菜單-分析-雜項）來觀察最優(yōu)化后的成像質量。11 .將此設計起名保存

9、，生成報告。（2） .以前一個實驗內(nèi)容設計優(yōu)化后的單透 鏡為基礎，添加一塊材料為SF1玻璃的透鏡來構建膠合雙透鏡系統(tǒng)，進一步優(yōu)化成像質量。1 .插入新的平面作為第二塊透鏡的出射面，輸入相關鏡面的厚度（兩塊透鏡厚度舉 例均為3mm）、曲率半徑（由設計要求決定） 的初始值以及玻璃類型值（BK7、SFl）o2 .生成光線像差特性曲線、2D、3D圖層 曲線和實體模型、渲染模型等分析圖來觀察 此時的成像質量。3 .設置ST0面、第2、第3面的曲率半徑,以及第3面的厚度為變量，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變 化，并分別對比單透鏡時的點列圖、0PD圖 以及焦點色位移圖（主菜單-分析-

10、雜項）的 相應變化，觀察雙透鏡此時的成像質量。4 .為了實際裝配需要，將各透鏡半口徑改得比系統(tǒng)優(yōu)化后自動生成的半口徑稍大 （舉例為14mm）,更新后觀察此時的3D圖和 各特性曲線的變化，從曲面數(shù)據(jù)報告中查看 各面的邊緣厚度值。5 .利用Solve功能來求解鏡片邊緣厚度（舉例設計要求為3mm）,更新后觀察各分析圖的相應變化。再一次調(diào)用優(yōu)化函數(shù)進行優(yōu) 化后，重新觀察各分析圖變化。6 .定義視場（系統(tǒng)-視場，舉例加入兩個 分別為7。和10°的y視場），從分析-雜項 -視場場曲調(diào)出場曲圖來觀察此雙透鏡的離軸特性。7 .將此設計起名保存，生成報告。四.報告要求：1 .截屏打印:單透鏡：LDE窗

11、口，OPD圖，圖解報告4,點列圖，焦點色位移圖雙透鏡：LDE窗口，第1面 的曲面數(shù)據(jù)報告，2D圖，場曲圖，焦點色位移圖2 .試總結本例中是如何實現(xiàn)新建透鏡和插 入新透鏡的；3 .試分析實驗內(nèi)容（一）.8中各項設置的意義；4 .試分析在第1面的曲面數(shù)據(jù)報告中的 Thickess 值和 Edge Thickness 分別 指的是什么值，在2D圖中標出相應的 指向（方向、范圍）。五.實驗儀器PC機-33 -實驗三 基于ZEMAX的牛頓望遠鏡的優(yōu)化設計一.實驗目的學會使用ZEMAX軟件對典型牛頓望遠鏡進行優(yōu)化設計。二.實驗要求1.2.3.掌握設立反射鏡、使坐標中斷的方法;學會使用圓錐常量來優(yōu)化成像質量

12、;學習點列圖和3D圖形分析像質的簡單方法。三.實驗內(nèi)容利用ZEMAX軟件來設計一個1000mm F/5的 牛頓望遠鏡，即一個曲率半徑為2000mm的 鏡面和一個200mm的孔徑。T. I"圖3. 1典型牛頓反射式望遠鏡1.打開ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去打開時2.3.4.5.默認顯示的上一個設計結果，同時新建一個 新的空白透鏡。在LDE （透鏡數(shù)據(jù)編輯器）中輸入相關平面 的曲率半徑、厚度和玻璃類型值（反射鏡玻 璃類型為MIRROR） o在主菜單-系統(tǒng)中設置孔徑值，并沿用默認 的波長和視場角值。生成光線像差特性曲線、2D、3D圖層曲線和 實體模型、渲染模型等分析圖來觀察此時的 成像

13、質量。6.在像平面前插入一個新的虛構面（未來放置生成標準點列圖，并與艾利斑對比（從點列 圖中選設置-查看比例-Airy Disk）來進行 像質的簡單分析。反射鏡），合理設置中斷的坐標值以獲得光 闌面和虛構面的厚度，將兩個厚度輸入LDE 中的相應位置。7.從主菜單-工具-折疊反射鏡里添加一個反射鏡，設置交疊曲面為2,確定。8.更新后觀察此時的各分析圖，注意分析哪些圖已經(jīng)不再起作用了。通過相應按鍵操作旋 轉縮放3D類的分析圖來觀察成像質量。9 .在光闌面（STO）前新添加一個圓形擋光面,設置合理的面厚度和擋光半徑。10 .更新后重新觀察此時的3D類分析圖，觀察此時的成像質量和效果。11 .更名存盤

14、后生成報告。四.報告要求：1 .分析：（1）試解釋添加折返面的對話框中的 3個選項的意義及添加后多出來的兩個虛構 面的作用；（2）若要使本例的反射后的轉角分別 向上、（垂直于顯示器平面）向里和（垂直 于顯示器平面）向外，那么分別應該做哪些 具體改變？2 .分別打印反射方向為向上向下向里 向外的最終實體圖及某一方向的LDE的截 圖。3 .上傳任一反射方向的存檔，以學號為 文件名。五.實驗儀器實驗四基于ZEMAX的施密特卡塞格林系統(tǒng)的優(yōu)化設計一.實驗目的學會使用ZEMAX軟件對帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。二.實驗要求1 .掌握使用多項式的非球面的方法;2 .掌握遮攔、孔徑的

15、相關知識;3 .掌握OPD圖和MTF分析像質的簡單方法。三.實驗內(nèi)容設計一個帶多項式非球面矯正器的檎器鏡,主鏡）特-卡塞格林系統(tǒng)，要求10英寸的孔徑,1U英寸的后焦距（從主鏡的后面到焦點）。圖4.1典型的帶有施客特校正板的折反射式物鏡施密特校正根、1.打開ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去打開時默 認顯示的上一個設計結果，同時新建一個新 的空白透鏡。2 .從主菜單-系統(tǒng)-通用配置里設置孔徑值和單位（英寸），同樣在系統(tǒng)-光波 長里設置覆蓋可見光波段的3個典型 波長，設置主波長值。（至此完成系統(tǒng) 參數(shù)的設置）3 .在光闌面后插入兩個面，輸入相應的各面的厚度、曲率半徑和玻璃類型值（其 中施密特校正板用

16、BK7,厚度舉例為1英寸）。4.生成2D草圖來觀察此時的光路和成像效果。（至此完成施密特結構的創(chuàng)建）5 .新添加一個輔助鏡面（即圖4. 2中的雙曲面）,合理設置各個平面新的厚度、曲率半徑值, 并將第四面的曲率半徑設為變量，未來讓ZEMAX自動求解。6 .構建新的優(yōu)化函數(shù)，在優(yōu)化后更新全部內(nèi)容。7.生成OPD圖，分析成像質量。8 .將第一面（STO）的表面類型改為“EVEN ASPHERE”以便為非球面矯正器指定多項式非 球面系數(shù)。將該面的“4th （6th、8th） Order Term"項分別設為變量。9 .選擇主菜單-工具-優(yōu)化，優(yōu)化后重新更新OPD圖，分析此時的成像質量。10

17、.將第一面的半徑設為變量，再次優(yōu)化，更新后生成OPD圖，分析此時的成像質:=111 .從主菜單-系統(tǒng)-視場里將視場角個數(shù)設置為3,輸入適當?shù)膟角度（舉例分別為0, 0.3, 0.5）,更新后對比觀察此時的OPD圖。12 .重新構建優(yōu)化函數(shù)對此設計進行進一步的優(yōu)化,更新后再觀察此時的OPD,分析成像質量。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，由圖分析此時的像質。至 此完成卡塞格林結構的創(chuàng)建和優(yōu)化）14 .返回LDE,雙擊第三面的第一列，將Aperture標簽中的光圈類型改為“圓形光圈”，設置最 小半徑為L 7,最大半徑為6,完成主反射面上缺口的設計。15 .在第三面

18、前插入一個新的面（此時原來的第三面變位第四面），將新面（即現(xiàn)在的第三面） 厚度改為20o將第二面的厚度由60改為40o16 .將第三面的第一列的孔徑類型改為圓形擋光，最大半徑設為2.5。再將第三面的半口徑是為2.5。（至此完成擋光板和通光孔的設置）17 .更新全部內(nèi)容后重新觀察MTF圖和3D類型的各分析圖，分析此時的成像質量。18 .存盤后生成報告。四.報告要求：1 .試分析實驗內(nèi)容15、16中各個參量的設 置理由；2 .試分析在添加了擋光板和通光孔后MTF曲線有了什么樣的變化，對于成像質量而言有什 么影響；3 .打印最終的LDE圖、實體模型圖、MTF圖、 OPD圖（含3個視場角）。4 .上傳

19、最后的存檔文件。五.實驗儀器PC機實驗五基于ZEMAX的激光擴束鏡的優(yōu)化設計一.實驗目的學會使用ZEMAX軟件對多重結構配置 的激光束擴大器進行優(yōu)化設計。二.實驗要求1 .掌握使用多重結構配置；2 .進一步學習構建優(yōu)化函數(shù)。三.實驗內(nèi)容設計一個激光擴束器，使用的波長為1.053 um,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，設計必須是 伽利略式的（沒有內(nèi)部焦點），在鏡片之間 的間隔必須不超過250mm,只許使用1片非球面，系統(tǒng)必須在波長為06328 um時測 試。圖5.1激光擴束器簡單結構示意圖1 .打開ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去

20、打開時默認顯示的上一個設計結果，同時新 開一個新的空白透鏡。2 .在像平面前插入4個面,輸入相關各面的厚度、曲率半徑和玻璃類型值，如下表所 示:SurfJurf aev FyF*RadiusIhiekneraGlassFocal LosxjfOBJStandardInfinityInEinitySTOStandardInfinity V10.000BK72StandardInfinity V250.0003StandardInfinity5.000BK74StandardInfinity V10.0005Paraxial25.00025,000IMAStandardInfinity3.在主菜單

21、一系統(tǒng)里分別設置入瞳直徑為100,波長為L 053微米。4 .從主菜單-編輯-優(yōu)化函數(shù)構建一個優(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L 00, target 輸入10, weight輸入lo5 .從評價函數(shù)編輯窗中選工具-默認優(yōu)化函數(shù)。再選reset,將“開始在”的值改 為2,確定。6 .從主菜單一工具中選擇優(yōu)化，優(yōu)化完成 后生成OPD圖，分析此時的像質。7.將第一面的錐系數(shù)（conic）列設為變量。再次優(yōu)化后，重新生成OPD圖，分析 此時的像質。8 .將三個曲率和圓錐系數(shù)的變量狀態(tài)去 掉。（建議此時存檔一次），確定后再次更新OPD圖，分析此時的質。10 .將

22、第二面的厚度250mm設為可變，然 后工具-優(yōu)化后，重新生成0PD圖。此時去 掉第二面的可變狀態(tài)。11 .從主菜單一編輯中調(diào)出多重結構編輯,在這個窗口的編輯菜單中選“插入結構”來插入一個新的結構配置，雙擊第一行的第一列，從下拉框（操作數(shù)）中選wave,在同樣的對話框里為wave length#選擇1,確定。 在configl下輸入1. 053,在config2下輸 入0.6328 o12 .按Insert為多重結構編輯器加入新 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configl下輸入250,在 config2下輸入250o將co

23、nfig2下的第二 面的厚度設為變量。13 .回到優(yōu)化函數(shù)編輯器。選工具-默認 優(yōu)化函數(shù)，在顯示的對話框中將“開始在”的值改為1,確定。14 .在結構配置1的第一個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.結構配置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設為變=O重新工具-優(yōu)化。16 .此時若雙擊多重結構的configl列頭, 更新0PD圖，得到關于1. 053波長的OPD圖; 若雙擊config2列頭，則得到0. 6328波長 的0PD圖，分析像質。快捷鍵ctrl+

24、A可用 來在這兩個配置之間快速切換。17,存盤后生成報告。四,報告要求:L分析此例中近軸面(paraxial)的作用是什么？其焦距和面厚度的關系應為?2 .試簡要分析什么叫做多重結構，其主要作用是什么?3 .打印兩個結構分別的最終LDE窗口、0PD圖和實體圖(轉角)。4 .上傳存檔文件。五.實驗儀器PC機實驗六基于ZEMAX的折疊反射鏡面和坐標斷點設計1 .實驗目的更深入的學習理解坐標斷點和反射鏡面的 應用。2 .實驗要求1 .更深入的理解坐標斷點；2 .掌握傾斜和偏心系統(tǒng)設立的符號 約定；3 .對比實驗三中添加折疊反射鏡的方法，更深入了解反射鏡面的添加和應用。三.實驗內(nèi)容1.打開ZEMAX軟

25、件，點擊新建，以抹去打開時默認顯示的上一個設計結果，同時新開 個新的空白透鏡。2 .在LDE的第一面即ST0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為20.4 .生成3D草圖，觀察其光路和成像效果。5 .在IMA面前插入3個新面，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 這些面改為坐標斷點（coordinate break）o

26、雙擊第4面的Parameters列（即Tilt about X列），在下拉列表中選擇Pickup作為求解 類型，設 From Surface 為 2, Scales Factor 為1,確定。在第2面的Tilt about x列里 輸入45.8 .更新全部內(nèi)容后，重新生成3D草圖， 對比觀察其光路和成像效果。9 .在IMA面前再插入3個新面，將第4面的厚度從-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斷點，在第5面 對X軸的傾斜中輸入-45,在第7面的Tilt about x上雙擊，選擇對其Pickup求解，求解是從第5面得到，比例因子為L10 .更新3D草圖，對比觀察其光路和成像效果。1L存盤生成報告。四.報告要求:1 .若此例中的兩次轉向都用實驗三中的直接 添加折疊反射鏡的方式來實現(xiàn)，如何做到？(需列出具體步驟圖)添加第*塊反射鏡前的LDE:設置欲添加第*塊反射鏡面的位置:添加第*塊折疊反射鏡的具體實現(xiàn): 添加第*面反射鏡后的LDE：2 .比較兩種方式得到的最后結果是否一致?3 .打印要求1中的具體步驟圖和最終的實體 圖。4 .在第2和第5面的"tilt about x”中輸 入30和-60,打印最