光学设计实验指导书2012

实验一光学设计软件ZEMAX的安装和基本操作一．实验目的学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。

二．实验要求a)掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。

b)掌握ZEMAX软件的用户界面。

c)掌握ZEMAX软件的基本使用方法。

d)学会使用ZEMAX的帮助系统。

e)学会使用ZEMAX初步仿真光路图。

三．实验内容（一）界面及基本操作1．通过桌面快捷图标或“开始—程序”菜单运行ZEMAX，熟悉ZEMAX的初始用户界面，如下图所示：图1.1ZEMAX用户界面2．浏览各个菜单项的内容，熟悉各常用功能、操作所在菜单，了解各常用菜单的作用。

3. 熟悉使用各个常用的快捷按钮。

4．学会从主菜单的编辑菜单下调出各种常见编辑窗口（镜头数据编辑、优化函数、多重数据结构）。

5．调用ZEMAX 自带的例子（例如根目录下samples\tutorial\tutorial zoom2.zmx 文件），学会打开常用的分析功能项：草图（2D 草图、3D 草图、渲染模型等）、特性曲线（像差曲线、光程差曲线）、点列图、调制传递函数等，学会由这些图进行简单的成像质量分析。

6．从主菜单中调用优化工具，简单掌握优化工具界面中的参量。

7．掌握镜头数据编辑（LDE ）窗口的作用以及窗口中各个行列代表的意思。

8．从主菜单-报告下形成各种形式的报告。

9．通过主菜单-帮助下的操作手册调用帮助文件，学会查找相关帮助信息。

（二） 仿真光路图根据已拟好的设计草图，在ZEMAX 中实现光路仿真，包括光路系统整体设置、创建光学元件、透镜（组），元件间大致间距等。

1.光路系统的整体设置，包括此光学系统所适用的波长、入瞳直径、视场等，在主菜单-系统里有相应的各个设置。

2.创建光学元件、透镜（组），就是将设计草图中的各种光学元件用ZEMAX 的方式去仿真实现。

ZEMAX 仿真的基本元素是面和面间距，仿真创建各种元件基本都以具体设置每个面和面间距的参数来实现。

（1）面：面的基本参数包括面型（Surf:type ）、曲率半径(Radius)、厚度(Thickness)、材料（玻璃）(Glass)，半口径(Semi-Diameter)等，每一个面对应于LDE 窗口里的一个行，每一个参数对应LDE 窗口里的一列，如下图：ZEMAX 的默认面型是透明标准（Standard ）球面，曲率半径和半口径为无穷（Infinity ）。

面的厚度和材料的定义都是以指定面起向后算到下一个面之间的这一段的厚度和材料。

（2）面间距：指的是该面在光轴上的交点到下一个面在光轴上的交点之间的距离，向右为正，向左为负。

常用于标识透镜厚度、元件与元件的间距等。

例如：一个透镜的厚度，可以用透镜的前表面的面厚度值Thickness 来完成仿真；前一个元件与后一个元件的间距，可以用前一个元件的后表面到后一个元件的前表面之间的面间距来完成仿真。

3.根据设计要求和设计草图，估算各个元件之间的大致间距，通过面间距的设置，实现整个光学系统的初步仿真。

4.仿真一个轴上点光源（m μλ587.0=）在物距为u=30mm 时，由焦距为20mm ，材料为BK7，口径为10mm 的单正透镜成像的光路。

四．报告要求：1. 打开安装目录下的samples\tutorial\tutorial zoom2.zmx 文件，生成其2D 图、渲染（转角）、像差特征曲线、OPD 曲线、曲面数据报告（第7面）和图解报告4。

截屏后打印出来。

2. 试在打印出来的2D 图上标出各个面的位置以及相应面厚度值的具体指向（方向、范围）；比较分析LDE窗口中两个“半径”（Radius和Semi-Diameter）具体指的是什么，并定性的在2D图中标出第5面和第7面分别的Radius和Semi-Diameter。

3. 试从帮助手册（主菜单-帮助-操作手册）中查找点列图左下角关于GEO RADIUS和RMS RADIUS的定义和区别。

4. 完成三（二）.4的仿真，以自己的学号为文件名存档，上传存档文件，打印其3D图（转角），并在图上标出球差的范围。

5.试总结本例中是如何实现新建透镜和插入新透镜的。

五．实验仪器PC机实验二基于ZEMAX的简单透镜的优化设计一．实验目的学会用ZEMAX对简单单透镜和双透镜进行设计优化。

二．实验要求1.掌握使用ZEMAX实现光学优化设计的基本过程；2.学会生成光线像差（ray aberration）特性曲线、光程差（OPD）曲线和点列图（Spotdiagram）、焦点色位移图和场曲图；3.学会面厚度的求解方法，学会定义透镜的边缘厚度解和视场角，进行简单的优化；4. 初步掌握为实际生产和装配考虑的额外设计和优化。

三．实验原理（一）基本设计过程1．拟好设计草图（光路图）；2.软件仿真光路图；3. 优化设计：像质分析评价—优化—再分析评价—再优化--……达到指标；4. 输出结果。

（二）优化设计仿真光路图完成以后，调用各种像质分析图进行像质分析评价，看设计是否达标，如还未达标，则恰当使用各种优化工具进行初步优化；然后再重新进行分析评价，看是否达标，如此反复，直到设计达标。

1.像质分析图。

本实验中需学会调用光线像差（ray aberration）特性曲线、光程差（OPD）曲线和点列图（Spot diagram）、焦点色位移图和场曲图来进行像质分析评价，各图可从主菜单-分析中调出。

光线像差（ray aberration）特性曲线：关于光瞳坐标函数的光线像差特征曲线，见理论课内容。

光程差（OPD）曲线：见理论课内容。

点列图（Spot diagram）：焦点色位移图（Chromatic Focal Shift）：不同波长（颜色）的光线对于同一个正透镜的不同焦距的曲线，可直观看出色差的大小。

视场、场曲图：见理论课内容。

2. 调用优化工具进行优化。

本实验中需掌握solves 功能和评价函数(Merit Function)两种优化工具。

(1)Solves 功能：解（solves ），能使一些函数可以自动地调整特定值，可在曲率、厚度、玻璃名称、半径、圆锥系数等参数上指定；(2)评价函数：评价函数也叫优化函数，可由直接调用系统自带默认评价函数或用户自创评价函数来创建，函数中的变量由用户自己在镜头数据编辑框中设置，函数值会实时显示在评价函数编辑框的表头上，函数值越小，说明优化的结果越好。

使用评价函数对所设计系统进行优化的步骤：（a ）设置可供选择的变量；（b ）创建评价函数，可根据设计具体需要，直接调用系统自带默认评价函数，或加入一些限制条件到默认评价函数中重新创建新的评价函数；（c ）开始优化。

3. 为实际生产装配考虑的优化设计。

为了使软件仿真设计出来光学系统在之后的实际生产加工装配使用时方便，需适当考虑在做软件设计时就考虑到一些额外的设计。

如本次实验中为了实际装配需要，将各透镜半口径改得比系统优化后自动生成的半口径稍大。

四． 实验内容（一）. 设计项目：用BK7玻璃设计一个焦距为100mm 的F/4单透镜，要求在轴上可见光范围内最终成像的点列图的RMS RADIUS<80，光线像差<500±，光程差<waves 20±。

1. 草拟并仿真光路图。

2. 生成光线像差特性曲线、2D 、3D 图层曲线和渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。

3. 利用Solve 功能来求解第2面的厚度，以便适当的消除离焦现象，更新后观察各分析图的相应变化。

4. 将第1、第2面的曲率半径以及第2面的厚度值设为变量，建构并调用默认优化函数（Merit Function ）。

5. 在调用默认优化函数后的优化函数编辑框中的第一行前按INS 插入一个新行，在其oper#列处双击（或右键单击），在弹出的对话框中将操作数选为EFFL ，target 设为100，weight 设为1，确定。

6.调用优化工具进行优化，在优化后更新全部内容，然后观察各分析图的相应变化。

7.分别调用点列图、OPD 图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）来观察最优化后的成像质量。

8. 将此设计起名保存，生成报告。

（二）. 设计项目： 以前一个实验内容设计优化后的单透镜为基础，添加一块材料为SF1玻璃的透镜来构建胶合双透镜系统，进一步优化成像质量达到点列图的RMS RADIUS<11，光线像差<50±，光程差<waves 1±。

1.草拟并仿真光路图。

2. 生成光线像差特性曲线、2D 、3D 图层曲线、点列图、OPD 图和渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。

3. 设置STO 面、第2、第3面的曲率半径，以及第3面的厚度为变量，沿用前例的优化函数，在优化更新后观察各分析图的相应变化，并分别对比单透镜时的点列图、OPD 图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）的相应变化，观察双透镜此时的成像质量。

4. 为了实际装配需要，将各透镜半口径改得比系统优化后自动生成的半口径稍大（举例为14mm ），更新后观察此时的3D 图和各特性曲线的变化，从曲面数据报告中查看各面的边缘厚度值。

5. 利用Solve功能来求解镜片边缘厚度（举例设计要求为3mm），更新后观察各分析图的相应变化。

再一次调用优化函数进行优化后，重新观察各分析图变化。

6. 定义视场（系统-视场，举例加入两个分别为7°和10°的y视场），从分析-杂项-视场场曲调出场曲图来观察此双透镜的离轴特性。

7. 将此设计起名保存，生成报告。

五．报告要求：1.截屏打印：单透镜：LDE窗口，OPD图，图解报告4，点列图，焦点色位移图双透镜：LDE窗口，第1面的曲面数据报告，2D图，场曲图，焦点色位移图3.试分析实验内容四（一）.5中加黑部分各项设置的意义；4.试分析在第1面的曲面数据报告中的Thickess值和Edge Thickness分别指的是什么值，在2D图中标出相应的指向（方向、范围）。

5.上传以各自学号为文件名的*.zmx文件。

六．实验仪器PC机实验三基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计一．实验目的学会使用ZEMAX软件对典型牛顿望远镜进行优化设计。

二．实验要求1.掌握设立反射镜、使坐标中断的方法；2.学会使用圆锥系数来优化成像质量；3.学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。

三．实验原理1.牛顿望远镜基本结构：见理论课课本图6-10，抛物面主反射镜+与光轴成45度的平面反射镜构成，是一种全反射式的望远镜物镜；2.对于球面凹面镜成像，有F=R/2的关系；3.圆锥系数（conic系数）：见于LDE窗口中每一行的第7列（Conic），这个系数是描述该行所代表的面的曲面函数中的非球面二次曲面系数，决定了该行代表的面的形状，典型值对应的面形状如下：Conic=0 球面； -1<Conic<0 主轴在光轴上的椭球面；Conic=-1 抛物面；Conic<-1 双曲面。