ZEMAX光学设计软件应用训练试验报告要点

东莞理工学院ZEMAX光学设计软件应用训练实验报告学院：年级专业班级：姓名：学号：指导老师成绩实验课程名称光学设计软件应用训练实验项目名称实验一：镜头设计 双镜片的构造与测试部分一、实验目的：熟悉Zemax的光学优化设计功能；熟悉Zemax中关于光学性能分析的几种像差参数；二、实验内容：设计双胶合镜片镜头。利用Zemax软件优化并测试该镜头的光学性能。三、实验器材：pc机一台Zemax软件ZemaxManual—册（央文版）四、实验步骤1、 运行zemax。2、输入波长数据： 选择"系统（System）”菜单下的"波长（Wavelengths）”。屏幕中间会弹出一个"波长数据（WavelengthData）”对话框。用鼠标在第二和第三行的"使用（ Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。 在第一个“波长”行中输入0.486;在第二行的波长列中输入 0.587；在第三行输入0.656。“权重（Weight）”让所有的权为1.0,单击OK。3、输入镜片数据： 定义一个孔径，选择“系统”中的“通常（ Genera）'菜单项，出现“通常数据（GeneralData）”对话框，单击“孔径值（ApertureValue）”一格，输入一个值： 25。插入面，只需移动光标到像平面（最后一个面）的“无穷（ Infinity）”之上，按INSERT键（Edit菜单里面也有insert操作）。移动光标到第一面的“玻璃（ Glass）”列，输入“BK7”并敲回车键，厚度列输入 4,半径是100。移动光标到第二面的“玻璃（ Glass）”列，输入“SF1”并敲回车键，厚度3,半径-100。移动光标到第三面厚度 100,半径-100。注意缺省的单位是毫米。■ eagerHuangElniMpdm'iT'+|T*si|JLMAXlf-E:\ZIMM \LE*r5ZIMXESH中 ?-®Ra^niwmugflintGiiue1■ eagerHuangElniMpdm'iT'+|T*si|JLMAXlf-E:\ZIMM \LE*r5ZIMXESH中 ?-®Ra^niwmugflintGiiue1I^ETiMIVjMdhl1i-WiHMri!IwvEliTafiXiLEfIhfXKlTIa.dMDCilL,J-JL-.-lL-4.0MMAutU-MflXID.MOMD1釈巾卿PMIF1LIIHWIQHMD&Jrt*iTfcgj.EInfltilCrT-Dir如1:KayFan||5JWiS»&nai■&）扌咱工即皿讷■匚讳Qcm■Ml£^<"|iLD■pg4、光学性能分析：选择“分析（Analysis）”菜单，然后选择“图（Fan）”菜单，再选择“光线像差（RayAberration””。得到光线特性曲线图，光线特性曲线通过原点的倾斜表示有离焦现象存在。5、优化离焦：在第2面的厚度上双击，弹出solve对话框，显示“固定”，在下拉框上单击，将solve类型改变为“边缘高度”， 点击OK从光线特性曲线窗口菜单， 单击“更新”。离焦已消失，主要的像差是球差。6、优化像差：将光标移到第1面的半径这一列，然后按ctrl-z，出现“v”表示一个可变的参量。再在第2,3面半径以及第3面的厚度上设置变化的标志。定义“评价函数”，选择“编辑”菜单下的“评价函数”，出现一个表格。选择“工具”菜单下的“缺省评价函数”点击reset，然后0K。第1行中的任何一处点击鼠标，使光标移到评价函数编辑的第一行，按下 insert插入新一行。在“type”列下输入EFFL然后按回车。光标移到“target”列输入100然后按回车。“权重”输入1。现在从主菜单条中选择“工具”菜单下的“最佳化（ Optimization””，会显示最佳化工具对话框。注意“自动更新（AutoUpdate””复选框。然后单击“自动（Automatic””，ZEMAX会很快地减少评价函数。单击“退出（Exit””关闭最佳化对话框。如下图H ZEHAXEE-E\21MAX»TME|t-\LtW.ZMX •壽氐：Fi・J囲 哄 三斬■⑷IRlodMTj M■:naj|M| 壬录加Mij-Ok>t-沖 UNg阻畑■L-vLmIR-^lOriRdl刎|Hf中:|A■呼1畑唧他1s・--•«£?2€t*:er^e-Huarg、itdribiHX朋tmi更HR■灯冃m(EH円"■HLr屛IJ：SJE■3.EMOMD.TMIW3-L“7ajZ4i&hMdl’S■3.EMOMD.TMIW3-L“7ajZ4i&hMdl’S轴丸1«l4»MMO伸谄TQTIkH 卞：阳卄轴丸1«l4»MMO伸谄TQTIkH 卞：阳卄*n *HilU|JBk 'HOlWMritvjOAT立範T・1|En^Zacm)O2叶ulZ-珂眩V*-0.9714 *°■吸匕MhHIU L)町HXEll內・Q|”皿钊帽i1TiT*M|[I]■0c>?cj£InxK?：i・ 1：F«#lMrtl ■0■^4*IUii4rifii'J)窖■="4諒(4昇>Is^iIh^IIH'i・<「一酣|—4(^,¥^S7rrr*wOTi7.离轴特性：选择"系统”"field” 得到"field data”对话框，单击第2、3行的"use”选择3个视场，y视场列的第2行输入7,第3行输入10,其他为0。选择“系统”“更新”，得到光学特性曲线图，如下图所示。P 2:LayoutZ=22.35,Y-5.929 -口El瀏1:RayFanPupil=-03387,Data=993.1 -口更^(Update](U) :SSEetting引国F701(Prir7t)(P)fflE(Window)(W) ®^(Updata](U)冕迓佔etting曲国打逊Prints调fflD(Window)(W)选择"analysis"，“miscellaneous"，“fieldcurv/dist”场曲线如图所示。7：FieldCurv/D&2UpdateSettingsPrintWindovrTextZoomFIELDCURVATURE DISTORTION-see a.oeMlLLlMfertSS5.00•G•丛3.00 EP&?CfeNT2CPLE-UCUHW1UREXDIS^DRTLONWCD「UH2220J6rtHZTMliMFIELDTS10.^00UAUR_PNCTHS! 0.归右(5.5Q7 0.46&LENS.ZNXC0N=I3URA^I口N□F1实验项目名称实验二：牛顿式反射望远镜一、 实验目的熟悉Zemax中非球面镜面的定义与输入方法熟悉Zemax中三维图形显示；熟悉Zemax中牛顿式望远镜的设计。二、 实验内容设计一个F/5的牛顿式望远镜，焦距为1000mm利用Zemax构造一个转折面；利用Zemax软件观察该望远镜三维图形。三、 实验器材pc机一台Zemax软件ZemaxManual—册(英文版)四、 实验步骤牛顿式反射望远镜结构示意图1•输入数据：第一面，光阑面的曲率半径列输入-2000.0，负号表示为凹面，厚度值-1000.0,“Glass”列输入"MIRROR。选择“System”，“General”，然后在“通用数据对话框(GeneralDataDialogBox)”中输入一个200的孔径值，并单击“OK'。ZEMAX^用的缺省值是波长550,视场角0。现在打开一个图层窗口，光线显示了从第一面到像平面的轨迹，此时像平面在镜面的左边。如下图：1:LayoutZ=-791,Y=-105.7 -更新(Upd对田(U)iSS(Setting5)(SJ打fll(Print)(P)窗口(Window](W)^5K(Zoom)(Z)iLirrauTWEDTUW32^014TOTALLEmBTVIiL餉0.00❾MML£N£・ZMXcon尸工gurfutiok1「尸1第一面的"Conic”列输入-1。现在选"System”，“Update”菜单项刷新所有的窗口，在更新后的点列图上，你可以看到有一小簇的光线在六角环带的中心， RMS点尺寸是0。如下图：斷2:SpotDiagram斷2:SpotDiagramX=-1.78B,Y=-0.1462 -B^r(Update)(U)设詈俗etting可⑸打01(Prirrt)(P)W(Window)(WJ2.构造转折面：第一面的厚度改为-800mm。像平面，按Insert在主面与像平面之间插入一个虚构的面。新的虚构面上输入一个 -200.0的厚度值。单击"Tools”，“AddFoldMirror”，然后设置“FoldSurface”为2,单击"0K。通过“Analysis”,"Layout”，“3DLayout”菜单来得到。如下图：P® 3z3DLayoutZ--SS7.7tY=-47.37 -口^SfrfUpdatff'CUIi殳诗「SettirqG作】 FT印〔Print】fP〕 rWindowliWi立4=（T"口[Ti帀曲（了001-|门（石1WE◎亡DJUN33LEH3.TMXGHWFr=L|iFFlTTCN1口戶I3•构造遮拦面： 第一面，厚度设为 900mm双击第一面的“Standard”，在对话框中为孔径类型选择圆形遮拦(“CircularObscuration”)，“最大半径(MaxRadius)”输入40，然后单击0K再更新3维图.选择“Setting”，然后将第一面和最后一面的选项分别改为 1和6，或单击“Reset”，然后按“0K。如下图：削3:3DLayoutZ=-430.4HY=-19-71 -°®^(Update}(Ujig&fSetting5)⑸打印(PrinlJ(P)窗口(Window)(W)文本仃岸就〕ES8放(Zqom][Z]曰口I-HE门~UEDTUN522ML右LENS.WX匸DWIGLlgFITroiM丨□产1思考题与实践题：1、 牛顿反射式望远镜属于我们《应用光学》书本上所介绍的那种望远镜系统？答：是的。2、牛顿反射式望远镜较容易产生彗差， 我们如何在Zemax中利用不同的入射光线来体现出此彗差？该反射系统有色差吗？答：牛顿反射式望远镜产生的彗差，造成影样偏离轴心扩散的变形现象。这种扩散在光轴上为零，随着镜子的视域呈线性的增加，也与焦距除以口径的商(焦比)的平方反比来扩散。通常在焦比大于f/6的系统，彗差已经可以忽略掉，不会影响目视或摄影的结果。 焦比小于f/4的系统，虽然不能忽视彗差，但可以借由广视野和低倍率成像来避免。同时，透镜也可以用在修正牛顿主镜的彗差上，让影像恢复原有的明锐。实验项目名称 实验三：施密特一卡塞格林望远镜系统一、 实验目的掌握Zemax中非球面镜面的定义与输入方法掌握Zemax中利用非球面镜的优化像差熟悉Zemax中MTF的使用二、 实验内容设计一个带多项式非球面矫正器施密特一卡塞格林系统优化该系统的色球差三、 实验器材pc机一台Zemax软件ZemaxManual—册（英文版）四、 实验步骤1•输入数据：选择“SYSTEM,“GENERA”输入10作为孔径值。在同一个屏幕上，将单位“毫米（Millimeters）”改为“英寸（Inches）”。选择“SYSTEM,“WAVELENGTHS得到“波长数据”屏幕，设置3个波长：486,587,和656，其中587为主波长。如下图：Edit鼻知出OptionstlebSurf-TypeCowment：RadiusThicknessClassOBJStandardInfinityInfinitySTOStandardInfinityJ.・000000BK72S-tandardTnf£□・Q000003Staxidard-60.0000007Q・QooaooHIRROPITUbandardIn£ini^y选择2DLayout演示一下图形以验证一切是否就绪。现在我们将加入辅助镜面，并安放像平面。我们以后将让ZEMAX为辅助面计算恰当的曲率。现在修改表格，使之如下表所示的以表达一个新的面。如下图：EditScrtv&sOptians-旦曰bSui!f:TypeThiuJiii■&ssOBJScaiiilai：flInfInlcyInfinitySTOStandardInfmic-v1.000000BK72Sr-andarclIn£Inlcy60.0000003-go.OOO'OOO-18.0000004InfVZS.gggimiIrafinity注意我们已将主反射面的距离减小到 -18，第四面的半径已经被加入了一个变量标记。新 2DLayout图层，检查一切是否正常。如下图：

軌 1：LayoutZ-33,99,V=-6.188 -口更新心 j5WcSrttingsj/£}H0(Ptirrt)P1ftn(Windcw)fW52.优化及光学性能分析： 选择"Editors”，“MeritFunction ”显示评价函数编辑从评价函数编辑窗口菜单中选"Tools”，"DefaultMeritFunction ”，单击"Reset”，然后改变"Rings”选项为“5”,单击0K。选"Tools”，"Optimization”，选“Automatic”，评价函数很快将下降到约 1.3。选择“SYSTEM,“UPDATEALL”，然后选择“ANALYSIS,“FANS,“OPTICALPATH演示OPD图，OPD图显示离焦和球差。如下图:斜3:OPDFanPupil=0.5847rData二2.981頁新[Update)(U)设冒 ngs)(S)打印(Print)(P)窗□(Window)(W)文本(TExt)iCr)^5Jf(Zoom)(Z)M—CBT：0.00內仍DEG111II I II 1 I I I1I I II I111才“III*-电Ap --/□PTUCPIILIPHTH口芷尸尸ERENCETiUETUNl31吕00右MR：：CIMlIMSCRLEi七LG.UAUES.01.HBd>I- □.UENS.IMXSURFACE5IPAGEGCINFXGURFITIQNI]OF1注意大约有4个波长的像差仍然有待改正。现在单击第一面（光阑面）的“ STANDARD表面类型,从所显示的对话框选择“EVENASPHERE单击OK。向右移动光标直到“4thOrderTerm”列，键入Ctrl-Z，当前为0。这样就给这个参数设置了一个变量标记。也在“6thOrderTerm”和“8thOrderTerm”上设置变量标记。现在选择“Tools”，“Optimization”，再单击“Automatic”，单击“Exit”。再次更新OPD图，如下图：

斑 3:OPDFan -口更新(Update)(U) 打印｛PrintHP】$a(Window](W]文本(Text)CO1®Sl(Zaom)(Z)DFTICFIILFRTH口IFFEFE^CETUETUHSSaOH4MAXIMUMSCALSO*□-UAUES.&・MllBlfiB.5BS ・白5臼Sy^FRCE:IMAGELENSuIMX匚口NFIGURFITIOfM】匚11= 1设置第一面的半径为变量，再次优化(Tools,Optimization,Automatic)。评价函数将会再次下降。现在单击EXIT，更新OPD图。如下图：文本仃ext)E细放〔Zearn〕(Z)kJ■CBT:囱.0000DEC；Z\/X'-/A3:MDFTX匚HL.F>RTH口HFFEPTEH匚巨TUETIM512dI；MAXIMUM ■S-QHMRUS^i曲・Di5B3 归.白曰吧3SURFRICE:IMRGELENSrIMXCONFIGUFFITXdH)OF1从主菜单，选SYSTEMFIELDS，并将视场角的个数设置为 3,输入y-角0.0,0.3和0.5度。在评价函数编辑时，选 Tools，DefaultMeritFunction ，并将RINGS改为4，单击OK。如下图:

n如下图3;ORDFsn口戸TTI~F1IIPFITIHrn~F=l=PFPkl|-i=SURFACE9IMFVGE，然后单击Automatic，当已聚集后，单击 EXIT，再次更新OPD图。现在选n如下图3;ORDFsn口戸TTI~F1IIPFITIHrn~F=l=PFPkl|-i=SURFACE9IMFVGE，然后单击Automatic，当已聚集后，单击 EXIT，再次更新OPD图。现在选Tools,Optimization3:OPDFanDFXICl^PATH□IFFEREIMCESURFACE:IMAGE3.使用MTF功能：要看MTF图，可从主菜单中选择Analysis->MTF->FFTMTF。如下图:更$r(Updato)(U) iSSfScttingg}(£)打HltPrintJfP) ®LZ](Windc>wJ(Vfl更$f(Updats](U)设豊【Attinge)⑸fTEn(Print)(P)©O(WindowjCWJ文本(Text](T)SB5E(Zoorri)(ZjsatB>aSIBHLENS.IMX匚ONFTGURFITIOM1OF1TUGTUN3)3(314MRXIHIJHSCHU*t UAUES・4&6r.EE；50’白£白MPKIWUM§J：RL§ibfc0.R0L1AIJGS-m,耳吕在7i-raa.心弓&O4:FFTMTFFreq=9斗.3乙MTF=0.5003 -更斷(Upd已le)(U) -5tS(Se?ttlrng^)(S) 打