《光学设计》上机实验指导书详解

《光学设计》上机实验指导书

西安工业大学光电工程学院

目录

实验一单透镜设计 (3)

实验二双透镜 (9)

实验三牛顿望远镜 (15)

实验四折叠反射镜面和坐标断点 (30)

实验一单透镜设计(A Singlet)

一、实验目的：

（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；

（2）将知道如何键入光学系统的波长（wavelength)、镜头数据(Lens Data)、光线像差(Ray Aberration)、fan，光程差（OPD)，点列图（spot diagrams )等等。

（3）确定厚度求解方法（thickness solve)和变量（variables)，执行简单光学设计最佳化。

二、实验环境：

（1）、硬件环境：普通PC机

（2）、软件环境：ZEMAX软件平台

三、实验内容：

设计一个相对孔径F/4单镜片，在光轴上可见光谱范围内使用，其焦距（focal length）为100mm，用冕牌BK7来作镜片。

四、实验步骤：

首先，运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑(LDE)，可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸，以适应你自己的喜好。LDE有多行和多列组成，类似于电子表格，曲率半径(radius)、厚度(thickness)、玻璃(class)和半径口径(Aperture)等列使用最多，其他的则在特定类型的光学系统中才会用到。

LDE中的小格会以“反白”方式高亮显示，即以与其它格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。这个反白条表示的是光标，可以用鼠标在格子上点击来操作。

然后，系统参数设置。开始，输入系统波长，这个不一定先完成，只不过现在我们选定了这一步。在主屏幕菜单条上，选择“系统(system)”菜单下的“波长（Wavelength)”。

屏幕中间会弹出一个“波长（Wavelength Data)”对话框。ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供选择。用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个输入波长使总数成为三。现在，第一个“波长”行中输入486，这是氢F谱线的波长，单位为微米。ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。现在，第二行波长列中输入587，最后在第三行输入656，这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作。这个指示器指出了主要的波长（primary wavelength），当前为486微米。在主波长的第二行上单击，指示器下移到587的位置。主波长用来计算近轴参数, 主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial

optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。

“权重（weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸。现在让所有的权为1.0，单击OK保存所做的改变，然后推出波长数据对话框。

现在我们定义镜片的一个口径。这可以使ZEMAX在处理其他的事情上，知道每个镜片该被定义多大。我们设计一个F/4的透镜，需要一个25mm的孔径（100mm的焦距，相对孔径F/4）。设置这个孔径值，选择“系统(system)”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aper Value）”一格，输入25，孔径类型选择“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可以选择其它类型的孔径设置。ZEMAX 模型光学系统使用一系列的表面，每一个表面有一个曲率半径和玻璃。在LDE中显示有三个面。物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO表示；像面，以IMA表示。对我们开说，但透镜一共四个面：物平面、前镜面（光阑面）、后表面和像面。要插入第四个表面，只需将光标移动像平面的“无限（Infinity）之上，按INSERT键。这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面下移，新面被标为第2面。注意物体所在面为第0面，然后才是第1、第2、第3面。

现在输入使用的玻璃。移动光标到第一个面的“玻璃（Glass）”列，即在左边标作STO 的面。输入“BK7”回车。ZEMAX有一个非常广泛的玻璃目录可用，我们所用的仅仅是BK7，ZEMAX回去查找所选定的玻璃并计算每一波长的色散系数等数据。

由于透镜的孔径是25mm，合理的镜片厚度是4mm。移动光标到第1个面的厚度列并输入“4”，缺省单位是毫米。

现在，需要为镜片输入每一面的曲率半径值，前面和后面的半径分别是100和-100。在第1和2面中分别输入这些值。在这里注意符号约定。在镜片焦点处设置像平面的位置，所以要输入一个100的值，作为第2面的厚度。

如何判断镜片是否好呢？最有用的判断工具是光学特性曲线图。要产生一幅光学特性曲线图，先选择“分析（Analysis）”菜单，然后选择“图（Fan）”菜单，在选择“光线像差（Ray Aberration）”将会看到光学特性曲线图在一个小窗口显示出来。其中ray aberration是以chief ray为参考点计算的。纵轴为EY的，即是在Y方个的aberration，称作tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration称为XZ plane或sagittal。光线特性图如图E1-1所示。图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差（指的是以主光线为基准）。左边的图形Y方向的像差，右图为XZ面上的像差。此光学特性曲线表示出了一个明显的设计错误，光学特性曲线通过原点的倾斜表示有离焦现象存在。

E1-1

为了纠正离焦，在镜片的后面的Solve来进行。为了将像面设置在近轴焦点上，在第2面的厚度上双击，弹出SOLVE对话框，它只简单显示“固定（Fixed）”。在下拉框上单击，将SOLVE类型改变为“边缘光线（Marginal Ray Height）”，然后单击OK。用这样的求解办法将会调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。注意第2面的厚度会自动调整到约为96mm。现在，更新光学特性曲线图看其变化，如图E1-2所示，离焦已消失，主要的像差是球差。现在是否最佳设计呢？