光学设计实验指导书

PAGE4-实验一光学设计软件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。实验要求掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。掌握ZEMAX软件的用户界面。掌握ZEMAX软件的基本使用方法。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—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）。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。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EdgeThickness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。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。实验要求掌握设立反射镜、使坐标中断的方法；学会使用圆锥常量来优化成像质量；学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。实验内容利用ZEMAX软件来设计一个1000mmF/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。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）。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（从点列图中选设置-查看比例-AiryDisk）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。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。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效果。更名存盘后生成报告。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。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一．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。二．实验要求

1.掌握使用多项式的非球面的方法；2.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。三．实验内容球面反射镜（主镜）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英寸球面反射镜（主镜）施密特校正板施密特校正板图4.1典型的带有施密特校正板的折反射式物镜图4.2典型的卡塞格林反射式物镜图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“EVENASPHERE”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）OrderTerm”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，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。报告要求：

1.试分析实验内容15、16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。实验仪器PC机实验五基于ZEMAX的激光扩束镜的优化设计一．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。二．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1.053μm，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0.6328μm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：3．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25013.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，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一．实验目的更深入的学习理解坐标断点和反射镜面的应用。二．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（coordinatebreak）。双击第4面的Parameter3列（即TiltaboutX列），在下拉列表中选择Pickup作为求解类型，设FromSurface为2，ScalesFactor为1，确定。在第2面的Tiltaboutx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Tiltaboutx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“tiltaboutx”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的复杂光学系统优化设计一．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.更深入的掌握多重结构的系统，学会构建并优化至少3重结构的系统；3.掌握在多重结构中