光学设计实验指导书Word格式文档下载.docx

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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．调用ZEMAX自带的例子（例如根目录下samples\tutorial\tutorialzoom2.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samples\tutorial\tutorialzoom2.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GEORADIUS和RMSRADIUS的定义和区别。

五．实验仪器

PC机

实验二基于ZEMAX的简单透镜的优化设计

学会用ZEMAX对简单单透镜和双透镜进行设计优化。

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（rayaberration）特性曲线、光程差（OPD）曲线和点列图（Spotdiagram）、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。

（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，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（MeritFunction）。

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。

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。

实验三基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计

学会使用ZEMAX软件对典型牛顿望远镜进行优化设计。

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。

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

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-AiryDisk）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效果。

11.更名存盘后生成报告。

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

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英寸的后焦距（从主镜的后面到焦点）。

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。

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