ZEMAX实验指导书(初学的练习教程)

1、实验光学设计软件ZEMAX的安装和基本操作实验目的学习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1、2、3、4、掌握ZEMAX 掌握ZEMAX 掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。 软件的用户界面。软件的基本使用方法。学会使用ZEMAX的帮助系统。实验内容ZEMAX，熟悉ZEMAX 的初始用户1. 通过桌面快捷图标或“开始一程序”菜单运行 界面，如下图所示：1 ?arr. 巾科曲，'船.L'i1A：-LL LchiCciT ueiat. h比*HFLlS'LI k輕1: hQf耳f Typ*Thy*Cl-T-qCkiiVEJ

2、IPlUUtTo.cowcq|D-fliOWOP370£flKnn-ijiTdInfzDzby710 onnnwEK"ooOM|n.oriijcinoT；E0,DOOOQOO-OOCKiCioO-OOOCOO3In fznit-r-5 OOUOWEK-n CQOOQO|n OOLRJOO3¥'0 CCC0CCE+30()' ,- '畑尸* J 眄IbZmttfgolam： 300tfFL； la+DLDnnn图：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学会从主菜单的编辑菜单下调出各种常

3、见编辑窗口。4调用ZEMAX自带的例子（根目录下Sam pies文件夹），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）实验二 基于 ZEMAX 的简单透镜的优化设计点列图、调制传递函数等，学会由这些图进行简单的成像质量分析。5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。6掌握镜头数据编辑窗口的作用以及窗口中各个行列代表的意思。7从主菜单 -报告下形成各种形式的报告。8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、实验仪器PC机实验目的学会用ZEMAX寸简单单透镜和双透镜进行设计优化。实验要求1.

4、2.3.4.掌握新建透镜、插入新透镜的方法；学会输入波长和镜片数据；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；学会确定镜片厚度求解方法和变量，学会定义边缘厚度解和视场角，进行简单的优 化。.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。 打开ZEMA漱件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新建实验内容1.一个新的空白透镜。2. 在主菜单 -系统-光波长弹出的寸话框中输入 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

5、。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。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 功能来求解镜片厚度，更新后观察各分析图的相应变化。7. 利用主菜单 -工具-优化-优化来寸设计进行优化，更新后观察各分析图的相应变化。8. 调用并建构优化函数（ Merit Function ），在优化后更新全部内容，然后观察各分析 图的相应变化。9. 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

6、化后的成像质量。10. 将此设计起名保存，生成报告。添加一块材料为 SF1 玻璃的透镜（二）. 以前一个实验内容设计优化后的单透镜为基础， 来构建双透镜系统，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、曲率半径以及玻璃 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. 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，并分别寸比单透镜 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. 利用利用 Solve 功能来

7、求解镜片边缘厚度， 更新后更新后观察各分析图的相应变化。5. 定义视场（系统 - 视场）来测试此双透镜的离轴特性。6. 将此设计起名保存，生成报告。四 实验仪器PC机实验三 基于 ZEMAX 的牛顿望远镜的优化设计实验目的学会使用ZEMA漱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。实验内容利用ZEMA漱件来设计一个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。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，

8、同时新 建一个新的空白透镜。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。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。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。生成标准点列图，并与艾利斑对比来进行像质的简单分析。 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。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。更新后观察此时的各分析图，注意分析那些图已经不再起作用了。通过相应按键 操作旋转缩放3D类

9、的分析图来观察成像质量。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。3D类分析图，观察此时的成像质量和效果。1.2.3.4.5.6.7.8.9.10. 更新后重新观察此时的11. 更名存盘后生成报告。四 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ZEMA）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1.2.3.掌握使用多项式的非球面的方法； 掌握遮拦、孔径的相关知识；掌握OPD图和MTF分析像质的简单方法。实验内容设计一个带多项式非球面矫正器的施密特-卡塞格林系统，要求 10英寸的孔径， 10 英寸的

10、后焦距（从主镜的后面到焦点） 。同时新建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。3. 在光阑面后插入两个面，输入相应的各面的厚度、曲率半径和玻璃类型值。 生成 2D 草图来观察此时的光路和成像效果。合理设置各个平面新的厚度、 曲率半径值， 并将第四面的曲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， 一个新的空白透镜。4.5. 新添加一个辅助镜面，率半径设为变量，让 ZEMAX!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.

11、将第一面（STO的表面类型改为“ EVEN ASP HER”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 Term ”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，更新后对比观察此时的OPD图。OPD分析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 成像质量。-快速傅里叶变换生成MTF图，由图分析此时的像13. 从主菜单 -

12、分析-调制传递函数将 Aperture 标签中的光圈类型改为 “圆形光圈” ， 6，完成主反射面上缺口的设计。 此时原来的第三面变位第四面）质。14. 返回LDE,双击第三面的第一列， 设置最小半径为 1.7，最大半径为，将新面（即现在的15. 在第三面前插入一个新的面第三面）厚度改为 20。将第二面的厚度由 60 改为 40。2.5 。再将第三面的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 半口径定为 2.5 。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 实验仪器PC机实验五基于ZEMAX勺激光扩束镜的优化设计

13、实验目的学会使用ZEMA漱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。实验内容设计一个激光扩束器，使用的波长为1.053卩m,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卩m时测试。1. 打开ZEMAX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，

14、如下表所示：'Utr r 吨LR Tvt*Prtd L '-FT5 i二r 广冃：b左diLlf LlJkItifilii - /3 TO占二mnasraiVitini-y 710,0002Inf i.n£ty V2SQ .OOD占二an已rtfjinftniL輩5.000HK7Inf ini'/10.OODParixial25,0002：兀Ci 1:nfini r3. 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REA丫为surf 输入 5，为 Py输入 1.00，t

15、arget 输入 10，weight 输入 1。再选reset ,将“开始在”的值改为2,OPD图，分析此时的像质。 再次优化后，重新生成OPD图，分析5. 从评价函数编辑窗中选工具-默认优化函数。 确定。6. 从主菜单-工具中选择优化，优化完成后生成7. 将第一面的圆锥系数（conic ）列设为变量。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250mn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。

16、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 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

17、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亍之前插入新的一行，将新加的这一行的操作数类型 改为REAY为surf输入5，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

18、实验仪器PC机实验六 基于ZEMAX勺折叠反射镜面和坐标断点设计实验目的更深入勺学习理解坐标断点和反射镜面勺应用。二实验要求1更深入勺理解坐标断点；2. 掌握倾斜和偏心系统设立勺符号约定；3. 更深入了解反射镜面勺应用。三实验内容1. 打开ZEMA漱件，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。6.7. 双击第 型

19、，设 入 45.5. 在IMA面前插入3个新面，将第1面（STOW）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.更新3D草图，对比观察其光路和成像效果。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 ）。列里输4面的Parameter3列（即Tilt about X列），在下拉列表中选择 Pickup作为求解类 From Surface 为 2， Scales Factor 为 1，确定。在第 2 面的 Tilt about x8. 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

20、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 实验仪器PC机实验七 基于 ZEMAX 的复杂光学系统优化设计实验目的学会自主地在多重结构中将复杂嵌构式的望远镜物镜进行优化设计并实现成像的转 向。二实验要求1. 总结之前学过的像质评价和优化方法，自主的设计并优化本次实验的整个系统；2.