光学设计实验指导书

1、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。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。实验内容1 .通过桌面快捷图标或“开始一程序”菜单运行ZEMAX，熟悉ZEMAX的初始用户界面，如下图所示：图1.1 ZEMAX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 .

2、调用 ZEMAX 自带的例子（例如根目录下 samplestutorialtutorial zoom2.zmx 文件）,学会打开常用的分析功能项：草图（ 2D草图、3D草图、实体模型、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。四.报告要求:1. 打开安装目录下的 samplestuto

3、rialtutorialzoom2.zmx 文件，生成其 2D图、实体（转角）、渲染（转角）、像差特征曲线、OPD曲线、曲面数据报告（第 7面）、 规则报告（截屏至“角度放大率”）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

4、别。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. 掌握新建透镜、插入新透镜的方法；2. 学会输入波长和镜片数据；3. 学会生成光线像差（ray aberration ）特性曲线、光程差（OPD ）曲线和点列图（Spot diagram ）、产生图层和视场曲率图；4. 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。三 实验内容（一） . 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。1. 打开 ZEMAX 软件，点击新建，以抹

5、去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新 建一个新的空白透镜。2. 在主菜单 -系统 -光波长弹出的对话框中输入 3 个覆盖可见光波段的波长，设定主波 长。同样在系统 - 通用配置里设置入瞳直径值（由设计要求决定） 。3. 在光阑面的 Glass 列里输入 BK7 作为指定单透镜的材料，并在像平面前插入一个 新的面作为单透镜的出射面。4. 输入相关各镜面的厚度和曲率半径（ STO 面厚度举例为 4mm ，其余各面厚度由设 计要求决定） 。5. 生成光线像差特性曲线、 2D、 3D 图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察 此时的成像质量。6. 利用 Solve 功能来求解 第 2 面的 厚度

6、，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。7. 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 ）。8. 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。9. 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。10. 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

7、量。11. 将此设计起名保存，生成报告。（二） . 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。1. 插入新的平面作为第二块透镜的出射面，输入相关镜面的厚度（两块透镜厚度举例 均为 3mm ）、曲率半径（由设计要求决定）的初始值以及玻璃类型值（ BK7 、 SF1 ）。2. 生成光线像差特性曲线、 2D、 3D 图层曲线和实体模型、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

8、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。四.报告要

9、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2. 试总结本例中是如何 实现新建透镜和插入新透镜的;3. 试分析实验内容（一）.8中各项设置的意义；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。五.实验仪器PC机一.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。实验要求1. 掌握设立反射镜、使坐标中断的方法；2. 学会使用圆锥常

10、量来优化成像质量；3. 学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。实验内容禾U用ZEMAX 软件来设计一个 1000mm F/5 的牛顿望远镜，即一个曲率半径为 2000mm 的镜面和一个 200mm 的孔径。图3.1典型牛顿反射式望远镜1. 打开ZEMAX 软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时 新建一个新的空白透镜。2. 在LDE （透镜数据编辑器）中输入相关平面的曲率半径、厚度和玻璃类型值（反 射镜玻璃类型为 MIRROR ）。3. 在主菜单-系统中设置孔径值，并沿用默认的波长和视场角值。4. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观 察

11、此时的成像质量。5. 生成标准点列图，并与艾利斑对比（从点列图中选设置-查看比例-Airy Disk ）来进行像质的简单分析。6. 在像平面前插入一个新的虚构面（未来放置反射镜），合理设置中断的坐标值以获得光阑面和虚构面的厚度，将两个厚度输入LDE中的相应位置。7. 从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置交叠曲面为2，确定。8. 更新后观察此时的各分析图，注意分析哪些图已经不再起作用了。通过相应按键 操作旋转缩放3D类的分析图来观察成像质量。9. 在光阑面（STO ）前新添加一个圆形挡光面，设置合理的面厚度和挡光半径。10. 更新后重新观察此时的 3D 类分析图，观察此时的成像质量和

12、效果。11. 更名存盘后生成报告。四 报告要求：1. 分析：（1 ）试解释添加折返面的对话框中的3 个选项的意义及添加后多出来的两个虚构面的作用；（2 ）若要使本例的反射后的转角分别向上、 （垂直于显示器平面）向里和（垂直于显 示器平面）向外，那么分别应该做哪些具体改变？2. 分别打印反射方向为向上向下向里向外的最终实体图及某一方向的LDE 的截图。3. 上传任一反射方向的存档，以学号为文件名。五 实验仪器PC 机实验四基于ZEMAX的施密特-卡塞格林系统的优化设计实验目的学会使用ZEMAX软件对带有非球面矫正器的施密特-卡塞格林系统进行优化设计。实验要求1. 掌握使用多项式的非球面的方法；2

13、. 掌握遮拦、孔径的相关知识；3. 掌握OPD图和MTF分析像质的简单方法。实验内容图4.2典型的卡塞格林反射式物镜I117'111|! 1_ _ 1j1*1;|-1T ""1"1 一 一. _ - _| f"I图4.3内嵌卡塞格林结构的施密特系统1. 打开ZEMAX 软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新建一个新的空白透镜。2. 从主菜单 -系统 -通用配置里设置孔径值和单位（英寸） ，同样在系统 -光波长里设置 覆盖可见光波段的 3 个典型波长，设置主波长值。 （至此完成系统参数的设置）3. 在光阑面后插入两个面， 输入

14、相应的各面的厚度、 曲率半径和玻璃类型值 （其中施 密特校正板用 BK7 ，厚度举例为 1 英寸）。4. 生成 2D 草图来观察此时的光路和成像效果。 （至此完成施密特结构的创建）5. 新添加一个辅助镜面（即图 4.2 中的双曲面） ，合理设置各个平面新的厚度、曲率 半径值，并将第四面的曲率半径设为变量，未来让 ZEMAX 自动求解。6. 构建新的优化函数，在优化后更新全部内容。7. 生成 OPD 图，分析成像质量。8. 将第一面（ STO ）的表面类型改为“ EVEN ASPHERE ”以便为非球面矫正器指 定多项式非球面系数。将该面的“ 4th （ 6th 、8th ） Order Ter

15、m ”项分别设为变量。9. 选择主菜单 -工具 -优化，优化后重新更新 OPD 图，分析此时的成像质量。10. 将第一面的半径设为变量，再次优化，更新后生成 OPD 图，分析此时的成像质 量。11. 从主菜单 -系统-视场里将视场角个数设置为 3 ，输入适当的 y 角度（举例分别为 0，0.3 ，0.5 ），更新后对比观察此时的 OPD 图。12. 重新构建优化函数对此设计进行进一步的优化， 更新后再观察此时的 OPD ，分析 成像质量。13. 从主菜单 -分析 -调制传递函数 -快速傅里叶变换生成 MTF 图，由图分析此时的像 质。（至此完成卡塞格林结构的创建和优化）14. 返回 LDE ，

16、双击第三面的第一列，将 Aperture 标签中的光圈类型改为“圆形光 圈”，设置最小半径为 1.7 ，最大半径为 6 ，完成主反射面上缺口的设计。15. 在第三面前插入一个新的面（此时原来的第三面变位第四面） ，将新面（即现在 的第三面）厚度改为 20 。将第二面的厚度由 60 改为 40 。16. 将第三面的第一列的孔径类型改为圆形挡光，最大半径设为 2.5 。再将第三面的 半口径定为 2.5 。（至此完成挡光板和通光孔的设置）17. 更新全部内容后重新观察 MTF 图和 3D 类型的各分析图，分析此时的成像质量。18. 存盘后生成报告。四 报告要求：1. 试分析实验内容 15 、 16

17、中各个参量的设置理由；2. 试分析在添加了挡光板和通光孔后 MTF 曲线有了什么样的变化，对于成像质量 而言有什么影响；3. 打印最终的 LDE 图、实体模型图、 MTF 图、 OPD 图（含 3 个视场角） 。4. 上传最后的存档文件。五实验仪器PC 机实验目的学会使用ZEMAX软件对多重结构配置的激光束扩大器进行优化设计。实验要求1. 掌握使用多重结构配置；2. 进一步学习构建优化函数。三.实验内容设计一个激光扩束器，使用的波长为1.053 （im，输入光束直径为100mm，输出光束的直径为20mm，且输入光束和输出光束平行。要求只使用两片镜片，设计必须是伽利略 式的（没有内部焦点），在镜

18、片之间的间隔必须不超过250mm ，只许使用1片非球面，系统必须在波长为 0.6328 pm时测试。图5.1激光扩束器简单结构示意图1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新 开一个新的空白透镜。2. 在像平面前插入 4个面，输入相关各面的厚度、曲率半径和玻璃类型值，如下表所 示：-511 r fR丹d iuB启门"1lhOBJSLaijeJaX d.Iri fl til T_yXEiElni LySTOStandardinfinity v1D.OOQ6K72StandardLnfLnity V2SO.OODJstandardinfLnLty5.

19、ODDBK7Jj - andardInfinity V1D.OO05PajrutlaLSS.CQD:MAStandardInfinity3 在主菜单-系统里分别设置入瞳直径为100，波长为1.053微米。4. 从主菜单-编辑-优化函数构建一个优化函数，在第一行将操作数类型改为REAY ,为surf输入5，为Py输入1.00 , target输入10 , weight输入1。5. 从评价函数编辑窗中选工具-默认优化函数。再选 reset，将“开始在”的值改为 2 ,确定。6. 从主菜单 -工具中选择优化，优化完成后生成OPD 图，分析此时的像质。7. 将第一面的圆锥系数（ conic ）列设为变

20、量。再次优化后，重新生成 OPD 图，分析 此时的像质。8. 将三个曲率和圆锥系数的变量状态去掉。 （建议此时存档一次）9. 从主菜单 -系统中重新配置光波长， 将之前的 1.053 改为 0.6328 ，确定后再次更新 OPD 图，分析此时的像质。10. 将第二面的厚度 250mm 设为可变，然后工具 - 优化后，重新生成 OPD 图。此时 去掉第二面的可变状态。11. 从主菜单 -编辑中调出多重结构编辑窗，在这个窗口的编辑菜单中选“插入结构” 来插入一个新的结构配置，双击第一行的第一列，从下拉框（操作数）中选 wave ，在同样 的对话框里为 wavelength# 选择 1 ，确定。在

21、config1 下输入 1.053 ，在 config2 下输入 0.6328 。12. 按 Insert 为多重结构编辑器加入新的一行，在新的第“1 ”行的第一列双击，然后选 THIC 为操作数类型。从 surface 列选 2 ，确定。在 config1 下输入 250 ，在 config2 下输入 250 。将 config2 下的第二面的厚度设为变量。13. 回到优化函数编辑器。选工具 -默认优化函数，在显示的对话框中将“开始在”的 值改为 1 ，确定。14. 在结构配置 1 的第一个 OPDX 行之前插入新的一行， 将新加的这一行的操作数类 型改为 REAY ，为 surf 输入 5

22、，Py 输入 1 ，target 输入 10. 结构配置 2 中不需要更改。15. 回到 LDE ，将第 1 、2 和 4 面的曲率半径以及第 1 面的 conic 设为变量。重新工 具-优化。16 此时若双击多重结构的 config1 列头，更新 OPD 图，得到关于 1.053 波长的 OPD 图；若双击 config2 列头，则得到 0.6328 波长的 OPD 图，分析像质。快捷键 ctrl+A 可 用来在这两个配置之间快速切换。17. 存盘后生成报告。四报告要求：1. 分析此例中近轴面（ paraxial ）的作用是什么？其焦距和面厚度的关系应为？2. 试简要分析什么叫做多重结构，其

23、主要作用是什么？3. 打印两个结构分别的最终 LDE 窗口、 OPD 图和实体图（转角） 。4. 上传存档文件。五实验仪器PC 机实验六基于ZEMAX的折叠反射镜面和坐标断点设计实验目的更深入的学习理解坐标断点和反射镜面的应用。实验要求1 .更深入的理解坐标断点；2. 掌握倾斜和偏心系统设立的符号约定；3. 对比实验三中添加折叠反射镜的方法，更深入了解反射镜面的添加和应用。三.实验内容1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新 开一个新的空白透镜。2. 在LDE的第一面即 STO面的表面类型列上双击，从下拉菜单里选Paraxial，将STO面类型改为近轴镜

24、片。STO的厚度设为100，这是近轴镜片的缺省焦距。3. 在系统-通用配置中将入瞳直径设为20.4. 生成3D草图，观察其光路和成像效果。5. 在IMA面前插入3个新面，将第1面（STO面）的厚度改为30 ,在第3面的玻 璃列输入 MIRROR ，第 4 面厚度改为 -70.6. 更新 3D 草图，对比观察其光路和成像效果。7. 分别双击第 2、 4 面的表面类型列，将这些面改为坐标断点（ coordinate break ）。 双击第 4 面的 Parameter3 列（即 Tilt about X 列），在下拉列表中选择 Pickup 作为求解 类型，设 From Surface 为 2

25、， Scales Factor 为 1 ，确定。在第 2 面的 Tilt about x 列里 输入 45.8. 更新全部内容后，重新生成 3D 草图，对比观察其光路和成像效果。9. 在 IMA 面前再插入 3 个新面， 将第 4 面的厚度从 -70 改为-30 ，第 6 面的玻璃改为 MIRROR ，第 7 面的厚度改为 40 ，再将第 5 第 7 面的表面类型改为坐标断点，在第 5 面 对X轴的倾斜中输入-45，在第7面的Tilt about x 上双击，选择对其 Pickup求解，求解 是从第 5 面得到，比例因子为 1.10. 更新 3D 草图，对比观察其光路和成像效果。11. 存盘生成报告。四 报告要求：1. 若此例中的两次转向都用实验三中的直接添加折叠反射镜的方式来实现，如何做到？ （需列出具体步骤图）? 添加第 * 块反射镜前的 LDE:? 设置欲添加第 *块反射镜面的位置：? 添加第 *块折叠反射镜的具体实现：? 添加第 * 面反射镜后的 LDE ：2. 比较两种方式得到的最后结果是否一致？3. 打印要求 1 中的具体步骤图和最终的实体图。4. 在第 2和第 5面的“ tilt about x ”中输入 30 和-60 ，打印最终的实体图。5. 上传实验六方法（ 45 °）的最终存档文件。五实验仪器PC 机实验七 基于 ZEMAX 的复杂光学系统优