光學設(shè)計實驗指導書

1、實驗?zāi)康膶W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。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)。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：圖1.1 ZEMAX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(jié)構(gòu))。5 .

2、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(zhì)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-幫助下的操作手冊調(diào)用幫助文件，學會查找相關(guān)幫助信息。四.報告要求:1. 打開安裝目錄下的 samplestuto

3、rialtutorialzoom2.zmx 文件，生成其 2D圖、實體（轉(zhuǎn)角）、渲染（轉(zhuǎn)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(yīng)面厚度值的具體指向（方向、范圍）；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 。3. 試從幫助手冊（主菜單-幫助-操作手冊）中查找點列圖左下角關(guān)于GEO RADIUS和RMS RADIUS 的定義和區(qū)

4、別。五.實驗儀器PC機實驗二 基于 ZEMAX 的簡單透鏡的優(yōu)化設(shè)計一 實驗?zāi)康膶W會用 ZEMAX 對簡單單透鏡和雙透鏡進行設(shè)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（一） . 用 BK7 玻璃設(shè)計一個焦距為 100mm 的 F/4 單透鏡， 要求在軸上可見光范圍內(nèi)。1. 打開 ZEMAX 軟件，點擊新建，以抹

5、去打開時默認顯示的上一個設(shè)計結(jié)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(shè)定主波 長。同樣在系統(tǒng) - 通用配置里設(shè)置入瞳直徑值（由設(shè)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(guān)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(shè) 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(zhì)量。6. 利用 Solve 功能來求解 第 2 面的 厚度

6、，以便適當?shù)南x焦現(xiàn)象，更新后觀察各分 析圖的相應(yīng)變化。7. 將第 1、第 2 面的曲率半徑以及第 2 面的厚度值設(shè)為變量，建構(gòu)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(shè)為 100 ， weight 設(shè)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(yīng)變化。10. 分別調(diào)用點列圖、 OPD 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(zhì)

7、量。11. 將此設(shè)計起名保存，生成報告。（二） . 以前一個實驗內(nèi)容設(shè)計優(yōu)化后的單透鏡為基礎(chǔ)，添加一塊材料為 SF1 玻璃的透 鏡來構(gòu)建膠合雙透鏡系統(tǒng)，進一步優(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（兩塊透鏡厚度舉例 均為 3mm ）、曲率半徑（由設(shè)計要求決定）的初始值以及玻璃類型值（ BK7 、 SF1 ）。2. 生成光線像差特性曲線、 2D、 3D 圖層曲線和實體模型、渲染模型等分析圖來觀察 此時的成像質(zhì)量。3. 設(shè)置STO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(yīng)變化，并分別對比單透鏡時的點列

8、圖、OPD圖以及焦點色位移圖（主菜單-分析-雜項）的相應(yīng)變化，觀察雙透鏡此時的成像質(zhì)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(shè)計要求為3mm），更新后觀察各分析圖的相應(yīng)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(shè)計起名保存，生成報告。四.報告要

9、求：1截屏打?。簡瓮哥R：LDE窗口，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(jié)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(shè)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(yīng)的指向（方向、范圍）。5. 上傳以各自學號為文件名的 *.zmx文件。五.實驗儀器PC機一.實驗?zāi)康膶W會使用ZEMAX軟件對典型牛頓望遠鏡進行優(yōu)化設(shè)計。實驗要求1. 掌握設(shè)立反射鏡、使坐標中斷的方法；2. 學會使用圓錐常

10、量來優(yōu)化成像質(zhì)量；3. 學習點列圖和3D圖形分析像質(zhì)的簡單方法。實驗內(nèi)容禾U用ZEMAX 軟件來設(shè)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。圖3.1典型牛頓反射式望遠鏡1. 打開ZEMAX 軟件，點擊新建，以抹去打開時默認顯示的上一個設(shè)計結(jié)果，同時 新建一個新的空白透鏡。2. 在LDE （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（反 射鏡玻璃類型為 MIRROR ）。3. 在主菜單-系統(tǒng)中設(shè)置孔徑值，并沿用默認的波長和視場角值。4. 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

11、此時的成像質(zhì)量。5. 生成標準點列圖，并與艾利斑對比（從點列圖中選設(shè)置-查看比例-Airy Disk ）來進行像質(zhì)的簡單分析。6. 在像平面前插入一個新的虛構(gòu)面（未來放置反射鏡），合理設(shè)置中斷的坐標值以獲得光闌面和虛構(gòu)面的厚度，將兩個厚度輸入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反射鏡，設(shè)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(yīng)按鍵 操作旋轉(zhuǎn)縮放3D類的分析圖來觀察成像質(zhì)量。9. 在光闌面（STO ）前新添加一個圓形擋光面，設(shè)置合理的面厚度和擋光半徑。10. 更新后重新觀察此時的 3D 類分析圖，觀察此時的成像質(zhì)量和

12、效果。11. 更名存盤后生成報告。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(gòu)面的作用；（2 ）若要使本例的反射后的轉(zhuǎn)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(yīng)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PC 機實驗四基于ZEMAX的施密特-卡塞格林系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計實驗?zāi)康膶W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(shè)計。實驗要求1. 掌握使用多項式的非球面的方法；2

13、. 掌握遮攔、孔徑的相關(guān)知識；3. 掌握OPD圖和MTF分析像質(zhì)的簡單方法。實驗內(nèi)容圖4.2典型的卡塞格林反射式物鏡I117'111|! 1_ _ 1j1*1;|-1T ""1"1 一 一. _ - _| f"I圖4.3內(nèi)嵌卡塞格林結(jié)構(gòu)的施密特系統(tǒng)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(shè)計結(jié)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(shè)置孔徑值和單位（英寸） ，同樣在系統(tǒng) -光波長里設(shè)置 覆蓋可見光波段的 3 個典型波長，設(shè)置主波長值。 （至此完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置）3. 在光闌面后插入兩個面， 輸入

14、相應(yīng)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 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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)為變量，未來讓 ZEMAX 自動求解。6. 構(gòu)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(zhì)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 Ter

15、m ”項分別設(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，分析此時的成像質(zhì) 量。11. 從主菜單 -系統(tǒng)-視場里將視場角個數(shù)設(shè)置為 3 ，輸入適當?shù)?y 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(gòu)建優(yōu)化函數(shù)對此設(shè)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(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，由圖分析此時的像 質(zhì)。（至此完成卡塞格林結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建和優(yōu)化）14. 返回 LDE ，

16、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(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。15. 在第三面前插入一個新的面（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 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 。（至此完成擋光板和通光孔的設(shè)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(zhì)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

17、中各個參量的設(shè)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(zhì)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. 上傳最后的存檔文件。五實驗儀器PC 機實驗?zāi)康膶W會使用ZEMAX軟件對多重結(jié)構(gòu)配置的激光束擴大器進行優(yōu)化設(shè)計。實驗要求1. 掌握使用多重結(jié)構(gòu)配置；2. 進一步學習構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)。三.實驗內(nèi)容設(shè)計一個激光擴束器，使用的波長為1.053 （im，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)計必須是伽利略 式的（沒有內(nèi)部焦點），在鏡

18、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 0.6328 pm時測試。圖5.1激光擴束器簡單結(jié)構(gòu)示意圖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(shè)計結(jié)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(guān)各面的厚度、曲率半徑和玻璃類型值，如下表所 示：-511 r fR丹d iuB啟門"1lhOBJSLaijeJaX d.Iri fl til T_yXEiElni LySTOStandardinfinity v1D.OOQ6K72StandardLnfLnity V2SO.OODJstandardinfLnLty5.

19、ODDBK7Jj - andardInfinity V1D.OO05PajrutlaLSS.CQD:MAStandardInfinity3 在主菜單-系統(tǒng)里分別設(shè)置入瞳直徑為100，波長為1.053微米。4. 從主菜單-編輯-優(yōu)化函數(shù)構(gòu)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1.00 , target輸入10 , weight輸入1。5. 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 -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(zhì)。7. 將第一面的圓錐系數(shù)（ conic ）列設(shè)為變

20、量。再次優(yōu)化后，重新生成 OPD 圖，分析 此時的像質(zhì)。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）9. 從主菜單 -系統(tǒng)中重新配置光波長， 將之前的 1.053 改為 0.6328 ，確定后再次更新 OPD 圖，分析此時的像質(zhì)。10. 將第二面的厚度 250mm 設(shè)為可變，然后工具 - 優(yōu)化后，重新生成 OPD 圖。此時 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，在這個窗口的編輯菜單中選“插入結(jié)構(gòu)” 來插入一個新的結(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 的對話框里為 wavelength# 選擇 1 ，確定。在

21、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 下的第二面的厚度設(shè)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(jié)構(gòu)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

22、，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 波長的 OPD 圖；若雙擊 config2 列頭，則得到 0.6328 波長的 OPD 圖，分析像質(zhì)?？旖萱I ctrl+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：1. 分析此例中近軸面（ paraxial ）的作用是什么？其焦距和面厚度的關(guān)系應(yīng)為？2. 試簡要分析什么叫做多重結(jié)構(gòu)，其

23、主要作用是什么？3. 打印兩個結(jié)構(gòu)分別的最終 LDE 窗口、 OPD 圖和實體圖（轉(zhuǎn)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(shè)計實驗?zāi)康母钊氲膶W習理解坐標斷點和反射鏡面的應(yīng)用。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(shè)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(yīng)用。三.實驗內(nèi)容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(shè)計結(jié)果，同時新 開一個新的空白透鏡。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

24、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. 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 ）。 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

25、， 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 1.10. 更新 3D 草圖，對比觀察其光路和成像效果。11. 存盤生成報告。四 報告要求：1. 若此例中的兩次轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)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 ，打印最終的實體圖。5. 上傳實驗六方法（ 45 °）的最終存檔文件。五實驗儀器PC 機實驗七 基于 ZEMAX 的復(fù)雜光學系統(tǒng)優(yōu)