光学设计实验指导书1

1、光学设计实验指导书光学设计实验指导书第一节第一节 ZEMAX 软件简介软件简介1、 简介简介ZEMAX Optical Design Program（ZEMAX）是由美国 ZeMaX Development Corporation 公司开发的专用光学设计软件包，软件逐步升级，我们使用的版本是 2008。ZEMAX 是 Windows 平台上的视窗式的用户界面，操作习惯和快捷键风格如同 Windows。2、用户界面、用户界面ZEMAX 的视窗类型，和 Windows 的基本一致，打开不同的视窗可以执行操作不同的 任务，可分为： 主视窗 （Main Window）ZEMAX 启动以后，进入主视窗（图 1.1） 。主视窗顶端有标题栏（title bar） 、菜单栏 （menu bar）和工具栏（tools bar） 。 编辑视窗（Editor Window）ZEMAX 中有 6 种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor） ， 评价函数编辑器（Merit Function Editor） 、多重组态编辑器（Multi-configuration Ed

2、itor） 、公 差数据编辑器（Tolerance Data Editor） 、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor） 、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor） 。图图 1.1 ZEMAX 主视窗界面主视窗界面 图形视窗（Graphic Window）最常用的有草图（Layout） 、扇形图（Ray fans） 、调制传递函数（MTF Plots）图等。 文本视窗（Text Windows）设计的文字资料，如详细数据（Prescription Data） 、像差数据等显示在文本视窗中。 对话框（Dialogs）固定大小，在过程中跳出来的视窗（鼠标拖曳不能改变大小） 。用于定义或更新视场 （Fields） 、波长（Wavelengths） 、孔径（Apertures） 、面型（Surface types）等。3、 主视窗的操作（主视窗的操作（Main Windows Operations） 主视窗在执行 ZEMAX 后显示出来，可以用鼠标拖动改变大小，如图 1.1 所示。上部 有标题栏、菜单栏、快捷按钮。底部

3、状态栏中显示当前镜头系统的焦距（EFFL） 、F 数 （WFNO） 、入瞳直径（ENPD） 、系统总长（TOTR） 。 主视窗中的快捷按钮和状态栏中内容可以自定义，菜单栏中有： 文件（File）展开后有文件的打开（Open） ，新建（New） ，存储（Save） ，另存为（Save as）等， 偏好（Preference）可以修改文字大小，快捷按钮和状态栏中的内容。 编辑器（Editors）栏中包括 ZEMAX 中所有编辑器命令，展开后可打开 Lens data editor，Merit function editor。 系统（System）定义或更新光学系统的光学特性数据，例如相对孔径、视场和选取的工作波长等。 分析（Analysis）它是 ZEMAX 中的非常重要的菜单之一，是用来进行像质评价和分析的主要工具， 对于其中的每一项的数据的含义，单位要很好地理解。主要有：Fans 中的球差（Ray aberration） ，点列图（Spot diagrams） 、调制传递函数（MTF） 、点扩散函数（PSF） 、波像差 （Wavefront） 、圆内能量集中度（Encircled En

4、ergy） ；杂项（Miscellaneous）中的场曲与 畸变（Field Curv/Dist） 、轴向球差（Longitudinal aberration）和垂轴色差（Lateral Color） 。 工具（Tools）也是 ZEMAX 中的非常重要的菜单之一，分成七块：第一块用来进行光学镜头的局 部优化（Optimization） 、全局优化（Global / Search /Hammer Optimization）等；第二块分析 镜头的公差，计算传递函数的点列图，波差等变化量表。第三块是材料选择，有察勘玻璃 库或向库中新增添或删除玻璃条目，寻找简单的透镜数据并插入到透镜数据编辑器中。第 四块是镀膜模型。第五块是系统中镜头的孔径的定义，可以与渐晕系数配合共同使用。第 六块主要用来整体设计(1)按焦距或放大率缩放当前系统；(2)在当前系统中加入或删除折转 发射镜。第七块以后讨论。 报告（Report）形成镜头设计结果的报告，可以作为每一个光学面的形成报告（Surface data） ；也能 为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告（System data） ；还可以给出设计结果的

5、详 细数据报告（Prescription data） 。 宏编程（Macros）执行已经编译好的宏程序。宏程序的编程过程：（1）使用一般的文本编辑器或使用 ZEMAX 自身的编辑功能创建扩展名为“*.ZPL”文件，该文件置于 ZEMAX 目录下的 Macros 目录中；（2）使用 ZEMAX 提供的命名或函数库进行程序编写；（3）用 Macros 菜单下的“Run/Edit Zpl Macros”执行宏程序。宏程序可以提取光线追迹数据、像质指标 等，可以定义新的优化设计用的操作符。执行时，宏程序作用的对象是当前显示的镜头系 统。 外部程序接口（Extensions）ZEMAX 环境中，使用该接口可以执行外部扩展名为“*.EXE”的执行程序，用来与 ZEMAX 交换数据，或 ZPL 宏不能完成的功能。外部程序可以用 C 语言等编程工具完成。 视窗（Windows）与帮助（Help）菜单第二节第二节 几种常见的透镜设计几种常见的透镜设计实验实验 1 1 单透镜的设计及球差最小值单透镜的设计及球差最小值设计要求：设计要求： 设计一个 F/4 的镜片，焦距为 100mm，在轴上可见光谱范围内，

6、用 BK7 玻璃参数计算：参数计算： 1、计算孔径因为 F 数为 4，所以相对孔径；又因为，所以口径 D=25。41;fD100f 2、计算曲率半径 在这里，我们取等凸透镜，即，于是21rr) 1(2)11)(1()11)(1(11121nrrrnrrn查得 BK7 玻璃的折射率为 1.5168，我们将光焦度规划为 1，即，解得，我们将其放大 100 倍，则) 15168. 1 (211r0336. 11r，36.1031r36.1032r设计步骤：设计步骤： 1、输入波长 选择“系统（System） ”菜单下的“波长（Wavelengths） ” ，或者直接在快捷菜单中选 择“Wav” 。屏幕中间会弹出一个“波长数据（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你选择。选择“Select” ，系统默认 F、d、C 三个谱 线的波长，单位为微米。此时主波长“Primary”默认为第二条谱线。如图 1 所示。图 1 2、输入孔径选择“系统”中的“通常（General） ”菜单项，或者直接单击快捷键“Gen” ，在出现 的“通常数据（G

7、eneral Data） ”对话框中，单击“孔径值（Aper Value） ”一格，输入一 个值：25。注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter） ” ，也可选择 其他类型的孔径设置。如图 2 所示。图 2 3、输入其它参数 ZEMAX 模型光学系统使用一系列的表面，每一个面有一个曲率半径，厚度（到下一个 面的轴上距离） ，和玻璃。注意在 LDE 中显示的有三个面。物平面，在左边以 OBJ 表示；光 阑面，以 STO 表示；还有像平面，以 IMA 表示。对于我们的单透镜来说，我们共需要四个 面：物平面，前镜面（同时也是光阑面） ，后镜面，和像平面。要插入第四个面，只需移动 光标到像平面（最后一个面）的“无穷（Infinity） ”之上，按 INSERT 键。这将会在那一 行插入一个新的面，并将像平面往下移。新的面被标为第 2 面。注意物体所在面为第 0 面， 然后才是第 1（标上 STO 是因为它是光阑面） ，第 2 和第 3 面（标作 IMA） 。 （1）玻璃 现在我们将要输入所要使用的玻璃。移动光标到第一面的“玻璃（Glass） ”列，即在 左

8、边被标作 STO 的面。输入“BK7”并敲回车键。 （2）厚度 由于我们需要的孔径是 25mm，合理的镜片厚度是 4mm。移动光标到第 1 面（我们刚才 输入了 BK7 的地方）的厚度列并输入“4” 。注意缺省的单位是毫米。其他的单位（分米， 英寸，和米）也可以。 （3）半径 现在，我们在“STO”面和“2”面分别输入之前计算的半径值 103.36 和-103.36。 （4）边缘光高度 为了纠正离焦，我们用在镜片的后面的 Solve 来进行。为了将像平面设置在近轴焦点 上，在第 2 面的厚度上双击，弹出 SOLVE 对话框，它只简单地显示“固定（Fixed） ” 。在下 拉框上单击，将 SOLVE 类型改变为“边缘光高（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 面的厚度会自动地调整到 99.336335mm。 输入完毕的参数如图 3 所示。图 3光线特性曲线图如图 4 所示图 4由于单透镜无法校正像差，所以这里我们不介绍如何评价像质和优化。 下面以物体在无限远的情况为例讨论初级

9、球差和初级正弦差随透镜形状变化的性质。 当 0（正透镜）时，球差有极大值，当 中 F,d,C(Visible)，其余为默认值，如图 4 所示。图 4 3、优化参考像面的设定本设计中选用近轴理想像面作为优化参考像面。即将图 5 中第 3 间隔设定 Marginal Ray Height。具体方法是将 LDE 中高亮条移至第 3 间隔处，按鼠标右键弹出 Thickness solve on suface 对话框，如图 6 所示。设定：Solve Type 为 Marginal Ray Height，Height 为 0，Pupil Zone 为 0。也可将 Solve Type 为 Variable，表示以移焦后最佳像面为参考像面。图 5图 6按以上结构参数和光学特性计算的像差结果如图 7 所示。图 7 从上述各图中我们可以看到其结果不是很理想，因此需要进行优化。二、优化 1、变量的设定在所设计的胶合透镜中选择、三个曲率半径作为变量。具体方法是：LDE 中，1r2r3r将高亮条移动到要改变的参数上，按 Ctri+Z 设定变量。当该参数作为变量时，在其数据之 后中将出字母“V”,如图 8 所示。注意 Ctrl+Z 是一个切换器，当高度条在所设定的参数处 时，再按 Ctrl+Z 撤消变量设定。图 8 2、评价函数的设定 （1）默认评价函数设置 打开 MFE 和 Default Merit Function。由于波像差相对较大，选择 RMS/Spot Radius/Centroid 默认评价函数，具体设置如图 9 所示。图 9 （2）光学特性参数约束输入。 本设计优化过程要控制主要光学特性参数为焦距。在 MFE 中，将高亮条移至默认评 价函数起始操作符 DMFS 处，按 Insert 键增加一行操作符数据输入行，输入相应的操作符 合和数据，Type 为 EFFL,Wave 为 2,Target 为 250,Weight 为 1。权重值选 1，表示优化过程 中，必须优先控制焦距值为 250mm。如图 10 所示。图 10 （3）像差自动校正（优化）当初始结构参数，光学特性以及评价函数都输入和设定后，打开优化（Optimization） 对话框进行像差与优化

《光学设计实验指导书1》由会员ji****n分享，可在线阅读，更多相关《光学设计实验指导书1》请在金锄头文库上搜索。