光学设计实例-双胶合透镜、非球面单透镜、激光扩束镜
光学设计zemax经典例题
光学设计zemax经典例题
1.单镜片
设计要求：设计一个F/4单镜片，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特(Schott) BK7或国产K9玻璃来作。
像差要求：波像差小于100中心波长。
2.双胶合透镜
设计要求：设计一个F/4双胶合透镜，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特BK7/ F2或国产K9/F4玻璃组合来实现。
像差要求：对C\D\F三种色光波像差均小于5个波长，焦点弥散斑小于10微米。
3.5X激光扩束镜
设计要求：分别设计两个用于He-Ne(632.8nm)和固体激光器（532nm）的激光扩束镜，扩束倍率5X，入瞳直径3mm，出瞳直径15mm，用同一牌号玻璃完成，镜片尽可能的少，系统总长度小于100mm，入射和出射均为准直平行光。
4.50mm标准镜头
可参照Cooke的三片结构，设计一个F/5焦距50mm的标准镜头，应用于可见光波段。
成像要求：在视场30°内的3种色光的波像差均小于2个波长，MFT大于0.3/30lp,畸变小于1%.
5.放大镜头
可参考双高斯结构（也可选用其他结构），设计一个用于光电检测的放大镜头，物像共扼距140mm，像面CCD尺寸（1024x1024，单个像素为12 m×12 m）,被检测物面为平面矩形（3mm×3mm），使用波长532nm。
成像要求：全视场内MFT大于0.5/40lp, 波像差小于2个波长，畸变小于0.5%.。
光学设计实验二双胶合透镜系统设计
实验二：双胶合透镜系统
一．实验目的
掌握胶合透镜的设计方法、原理、过程及透镜系统的优化处理方法；
二．透镜系统的结构性能要求
1）相对孔径为1/4（F/#为4），焦距为100mm；
2）视场角为0︒；
3）玻璃材料分别为BK7，SF1；
4）相对波长为可见光波长；
5)厚度为3mm；
三．实验步骤
一个双透镜采用两片玻璃胶合，曲率半径大小相同。
通过使用两片具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被矫正。
这样会产生较好的像质。
1．系统参数的设置：F/#为4；
视场角为0︒；
工作波长可见光波长；
2．结构参数的设置：第一个面焦距为100mm，厚度为3mm，玻璃材料为BK7；
STO面焦距为-100mm，厚度为3mm，玻璃材料为SF1；
如下图所示：
四．透镜优化过程
1.将曲率半径设为变量，厚度也设为变量，权重为1，创建评价函数包括EFFL 操作数，如下图所示：
2.将厚度也设为变量，glass min为2，max,6，edge为1；air min为0.2，max 为100，edge为0.2；如下图所示：
3.单击菜单栏Tools一最佳化Optimization，如下图所示：
五．双胶合透镜系统分析
1.对于点列图，优化后的系统点列图的弥散斑明显减小了很多，如下图所示：
2.对于wavefront Map图，像差从65.46减小到0.3034。
所以双胶合透镜能够校正了像差，如下图所示：
3.对于多色光焦点漂移图，如下图所示现在已经减小了色差的线性项，，二阶色差占了优势，因此如抛物线形状所示请注意多色光焦点漂移量减少为74um单透镜为1540um），如下图所示：。
Zemax光学设计
应用光学谭峭峰tanqf@清华大学精密仪器系光电工程研究所Zemax光学设计商用光学软件：Zemax, Oslo, Code V (成像)TracePro, ASAP, LightTools(照明)FRED, Virtual Lab等Zemax是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。
Zemax不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。
可仿真Sequential 和Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。
Zemax的界面设计得比较容易被使用，稍加练习就能很快地进行交互设计。
大部分Zemax的功能都用选择弹出或下拉式菜单来实现。
抛物面镜1抛物面镜2棱镜中阶梯光栅二维色散像面入射孔高分辨率中阶梯交叉色散光路Zemax不能教你如何去进行镜头或光学系统的设计。
Zemax程序在进行光学系统的设计和分析的时候，可以做许多事情，但是设计者仍然是你。
Zemax不能完全代替工程实践。
在一个设计完成之前，必须对软件所得的计算结果进行检查，以判断结果是否合理。
设计实例一：单透镜设计参数要求：F/#＝4，f′=100mm，可见光，材料：BK7确定单位确定口径确定波长确定视场镜头数据编辑初始界面初步设计，注意符号规则全面反映细光束和宽光束的成像质量。
以光线在理想像面的交点和主光线在理想像面上交点间的距离，可以看出理想像面上像的最大弥散范围。
像面到光线与光轴交点之间的距离，仅用于旋转对称系统。
由于像差很大，传函计算结果不可信。
优化设置变量设置评价函数设计实例二：双胶合透镜设计参数要求：F/#＝4，f′=100mm，可见光，材料：BK7和SF1优化策略建议在设计的初期，优化时不需要追迹所有的视场和波长以节省计算时间。
使用视场点平衡（选择合适的视场点数目，划分为等面积的圆环，小视场：0和1；中视场：0、0.7和1；大视场：0，0.577，0.816和1）。
光学设计实例(完整版)--zhengliban
p: 优化函数结果，v: 变量；
为了使残余结果的平方和最小(最小二乘法)，对每 个变量联立方程求解；
重复上述过程直至实现最优化。
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求（需求分析）
2. 选择具有代表性的切入点
前期设计、专利、建立联系、原始推导
3. 建立变量和约束
变量包括：曲率半径-r、厚度-d、空气隙-d、玻璃特性-n、 约束可能是相关结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量
约束可能是相关结构如长度半径等或者是光线角度f数等具体的参量使用程序对结果进行优化评价设计结果重复步骤3和4直至满足设计要求如果结果不满足条件通过添加或分离元件变化玻璃种类等来修改设计然后返回步骤4另一种方法是返回步骤2选择的初始结构可能不合理达不到预期要求进行公差分析估计结果误差透镜加工机械结构与装校要求光学设计软件zemax简介优化实例1单透镜2双胶合透镜3非球面单透镜4激光扩束镜5显微镜物镜6双高斯照相物镜公差计算目的1如果初始结构选不好则再简单的系统也难得到好的结果
按Button Opt ，按出dialog box，预定优化次数，即可进行优化，但之前须 规定Merit Function （优化目标函数）及变量。关于变量，将结构数据框作double click，得有关dialog box，就可以将此结构数据作为变量（variable）或改为Fixed 不变。
关于Merit Function，最简单的做法是用程序内的Default Merit Function，通过 下列方法，即可调用适当的Default Merit Function：
所以这里没有计算能量集中度 Enc 及Huygens Point Spread function, 为 能容易完成这类计算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一个波长，否则必须加 大Sampling 点数，增长时间。
光学设计实践
华中科技大学《光学设计实验》实践报告院系光学与电子信息学院专业班级光电卓越工程师1101班学生姓名熊乔洲（U201114964）毛振宇（U201117800）实践成绩指导老师时间 2013/4/10一、激光扩束镜设计一、设计要求：设计一个激光扩束镜，扩束倍数为三倍，入射孔径为3mm，斜入射角1°，同时要求几何尺寸合适。
二、设计思路：１．确定第一面透镜由于激光能量较高，所以光线追迹时，尽量使光束不在镜筒中汇聚，如果采用两面透镜来完成设计，就要保证第一面透镜为凹凸镜，先将光线发散，第二面为凸透镜再将光线汇聚，平行光出射。
２.确定第二面透镜：在第一面透镜后放置凸透镜才能满足对无限远处对焦的要求。
３．几何参数的确定：由于要求几何尺寸合适，不妨将总尺寸设为160mm，由应用光学知识可以计算，则第一面透镜的焦距应该取-80mm，第二面透镜焦距取为240mm，筒长为160mm（也就是两透镜的几何距离）。
4.做到了平行光出射，并扩束三倍的要求后，下一步需要做的便是减少像差，这个里面可以调整的有透镜的材质，在几何尺寸允许的条件下还可以再对相对距离等参数做出微调，以求能调出像差较小的设计。
同时为增加可调自由度，还可以考虑再增加一面或者两面透镜，来达到消像差的目的。
三、设计过程（1）第一面透镜在设计第一面透镜时，先大致利用应用光学知识进行计算，估算透镜两个面的曲率半径，这里，大约可以取R1=-50mm，R2=200，材质使用BK7玻璃。
这时，可以先看看这一面透镜的相关参数，探究下像差与单面透镜的一些参数的关系，这里，发现，当透镜的曲率半径取得越大时，透镜显示的球差和慧差越大，所以，在实验和实际工程中，建议使用曲率合适的透镜。
同样，根据设计思路，这时需要解决的另一个问题便是确定第一面透镜的焦距，这里可以使用SYNOPSYS软件中的edit solves 功能来确定其焦距，最后，经过调试，选择的是R1=-55，R2=150，选用BK7玻璃。
Zemax 初学实例解析
ZEMAX 初学实例解析内容纲目:前言实例一：单镜片(Singlet)实例二：双镜片实例三：牛顿望远镜实例四：Schmidt-Cassegrain 和aspheric corrector实例五：multi-configuration laser beam expander实例六：fold mirrors 和coordinate breaks实例七：使用Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces实例一：单镜片(Singlet)你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lens data ，产生ray fan，OPD，spot diagrams，.. 定义thickness solve 以及variables，执行简单光学设计最佳化。
设想你要设计一个F/4 单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7 镜片来作。
首先叫出ZEMAX 的lens data editor(LDE) ，什么是LDE 呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness ，大小，位置……等。
然后选取你要的光，在主选单system 下，圈出wavelengths ，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。
现在在第一列键入0.486，以microns 为单位，此为氢原子的F-line 光谱。
在第二、三列键入0.587 及0.656，然后在primary wavelength 上点在0.486 的位置，primary wavelength 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。
再来我们要决定透镜的孔径有多大。
ZEMAX单透镜设计例子详细（多图）
ZEMAX单透镜设计例⼦详细（多图）ZEMAX单透镜设计例⼦，单透镜是最简单的透镜系统了，这个例⼦基本是很多ZEMAX教程开头都会讲的。
1-1 单透镜这个例⼦是学习如何在ZEMAX⾥键⼊资料，包括设罝系统孔径(System Aperture)、透镜单位(Lens Units)、以及波长范围(Wavelength Range)，并且进⾏优化。
你也将使⽤到光线扇形图(Ray Fan Plots)、弥散斑(Spot Diagrams)以及其它的分析⼯具来评估系统性能。
这例⼦是⼀个焦距100 mm、F/4的单透镜镜头，材料为BK7，并且使⽤轴上(On-Axis)的可见光进⾏分析。
⾸先在运⾏系统中开启ZEMAX，默认的编辑视窗为透镜资料编辑器(Lens Data Editor, LDE)，在LDE可键⼊⼤多数的透镜参数，这些设罝的参数包括：表⾯类型(Surf：Type)如标准球⾯、⾮球⾯、衍射光栅…等曲率半径(Radius of Curvature)表⾯厚度(Thickness)：与下⼀个表⾯之间的距离材料类型(Glass)如玻璃、空⽓、塑胶…等：与下⼀个表⾯之间的材料表⾯半⾼(Semi-Diameter)：决定透镜表⾯的尺⼨⼤⼩上⾯⼏项是较常使⽤的参数，⽽在LDE后⾯的参数将搭配特殊的表⾯类型有不同的参数涵义。
1-2 设罝系统孔径⾸先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的「GEN」按钮⾥（System->General）。
点击「GEN」或透过菜单的System->General 来开启General的对话框。
点击孔径标签(Aperture Tab)（默认即为孔径页）。
因为我们要建⽴⼀个焦距100 mm、F/4的单透镜。
所以需要直径为25 mm 的⼊瞳(Entrance Pupil)，因此设罝：Aperture Type：Entrance Pupil DiameterAperture Value：25 mm点击单位标签(Units Tab)，并确认透镜单位为Millimeters。
望远镜设计计算指导和双胶合物镜设计
589.32
n 'sin 2 um
=0.0377；
小于 0.02 即可。
修改 r1 、 r2 、 r3 达到以上要求！ 请看范例 物镜.zmx
（可以选取别的玻璃对作为双胶合物镜，有的容易校正像 差，有的则稍微困难，即使玻璃对选取相同，最后调整的结 果也不相同，所以不要抄袭!）
至此，物镜设计完毕，可以保存数据，图表，整理设计 报告。
第三部分：目镜的设计
由于目镜的设计比较复杂，且日常使用的目镜都已成 型，我们采取直接选用的方式。
1、选型
已知 耳目镜。
o ，我们选择凯涅 fe ' 20mm , 出瞳距lz ' 10 mm 视场 , 2 ' 45.5
其中场镜的作用是“光瞳衔接” 。
5、棱镜最后一面到分划板的距离 14mm，棱镜采用 K9 玻璃，两棱镜间隔为 2～5mm。 6、lz′=8～10mm
如何开始呢？
我们的工作将按照以下步骤进行： 1、系统外形尺寸的计算：根据需求确定像差，选型； 2、使用 PW 法进行初始结构的计算：确定系统的 r、 d、n； 3、像差的校正：通过修改 r、d、n，调整像差至容限 之内； 4、进行像质评价，总结数据图表，完成设计。
《应用光学》课程设计—望远镜设计计算指 导
说明： 1、 本指导将全面介绍带有普罗 I 型转像棱镜系统的望 远镜设计过程以及计算，作为《应用光学》课程设计 的实习范例。实验报告需在此基础上完善和修改，严 禁全盘抄袭本指导，否则作 0 分处理！ 2、 本指导省略了理论分析部分， 计算依据请参考有关 资料。
移出梯形后计算：
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• 公差计算
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实例4 激光扩束镜的设计
目的 工作波长与检验波长不同时，如何设计补偿光路以完 成系统检验。 方法
1）消色差设计：使光学系统在工作波长与检验波长下的位置重合 优点：最佳选择，但有时不一定能设计出来，或使系统复杂化。 2）加平行平板：在工作波长下完成设计后，在两个镜组之间加入一 块适当厚度的平板，使其在检验波长下的像质优于衍射极限。 优点：结构简单，易操作。 因为平板可以放在任何地方，检验光路的像质与平板距前 后镜组的距离无关。 3）加补偿透镜：在工作波长下完成设计后，在准直（大口径）镜组 外侧加入一块适当结构的透镜，使其在检验波长下的像质优于衍 射极限。 不足：透补偿镜与准直镜组的距离、同心度会影响检验光路的 像质。 4）检验合格后，拿掉补偿镜即达到在工作波长满足要求的光学系统。
8次系数，所得结果存在高级彗差，再改初值（半径和Conic）产生反向初级彗差与
之平衡，再重复上述过程。
4
优化实例（3） ：优化结果
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优化实例（3）
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优化实例（3）
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优化实例（3）
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主要内容
• 光学设计软件ZEMAX简介 • 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非球面单透镜 4-激光扩束镜 5-显微镜物镜 6-双高斯照相物镜
径初值为出发点，另外Merit Function 中取带（Ring)改为15-20，自动优化可以得
到好的结果（文件Asph6）。 实际上，非球面高次项并非必须，如文件Asph3，只取6次项和8次项，残余像差
也小些，这个结果是采用下列逐步接近的过程作出，①校正S1，S2决定半径和
Conic系数，仍用Default merit function (Ring=3)但将孔径取很小值；② 半径和 Conic系数固定不变，孔径增大，用6次方系数校正；③ 孔径增至1：1，优化6次、
光学设计
——光学设计实例
优化实例（2）
双胶合物镜
•总 不等于零，不能校正场曲； •在玻璃组合合适时，可校正色差。 取f’=100, D/f’=1:5, 2 =±3°，平行光入射; 取各种玻璃组合（可以查“光学设计手册”）如： BK7/SF2, SF5, SF1, SF10, SF4 都可以用程序得到对 0°视场校正良好的结果（取波长为F，d，C），但3° 视场一般有较大彗差，不能校正。将光阑位置作为变量时，一般仍然如此。 （初始半径可取（60，-60，∞）。 将Merit Function 中视场0°的Operand完全除去，即仅考虑3°视场的像差， 可以得到校正子午彗差的解（理论上看3°视场的像质与球差、彗差都有关，而 0°仅与球差有关，原则上可以随3°视场的校正而同时校正），此时再回复原 来二个视场的Merit Function，此解所保持最优，如所附。 这里玻璃组合为BK7/SF5(K9/ZF2)，本可取Glass,Model,Vary ，将玻璃作为变 数优化，但得不到真正好的解，不如一一改玻璃，反而容易得到优化的解。
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实例4 激光扩束镜的设计
消色差设计结果
工作波长1053nm下的像质
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实例4 激光扩束镜的设计
补偿镜设计结果
工作波长1053nm下的像质
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实例4 激光扩束镜的设计
补偿镜设计结果
检验波长632.8nm下的像质
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2
3
优化实例（2） --优化结果
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
优化实例（3）
非球面单透镜：f’=60，D/f’=1:1, 2 =±1°
利用非球面可以准确校正球差，透镜弯曲可校正彗差， 形成大孔径小视场光学系统。 简单采用Default merit Function做优化，一般得不到结果，为此先通过AnalysisAberration coefficients-Seidel coefficients, 即初级像差计算得到适当的校正S2的半
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实例4 激光扩束镜的设计
设计要求
• • • • • • 扩束倍率：60 入射口径：0.5-1mm 出射口径：30-60mm 工作波长：1053nm 检验波长：632.8nm 像质要求：波像差</8(=1053nm)
结构型式
• • • • 由聚焦镜组+准直镜组构成 重点校正准直镜组的像差，因为其口径大 主要是球差与小视场彗差 准直镜组为双分离结构