ZEMAX光学设计软件应用训练实验报告

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一册（英文版）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（General）”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。4、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OK。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7.离轴特性：选择“系统”“field”得到“fielddata”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。选择“analysis”，“miscellaneous”，“fieldcurv/dist”场曲线如图所示。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一册（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使用的缺省值是波长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：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：2．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“OK”。通过“Analysis”，“Layout”，“3DLayout”菜单来得到。如下图：3．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OK，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“OK”。如下图：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—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—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一册（英文版）四、实验步骤1．输入数据：选择“SYSTEM”，“GENERAL”，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：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：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：2.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OK。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：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：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：从主菜单，选SYSTEM，FIELDS，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：现在选Tools，Optimization，然后单击Automatic，当已聚集后，单击EXIT，再次更新OPD图。如下图：3.使用MTF功能：要看MTF图，可从主菜单中选择Analysis-MTF-FFTMTF。如下图：返回到LDE，双击第三面的第一列，从孔径类型列中选圆形“CircularAperture”，在“MinRadius”中输入1.7，在“MaxRadius”中输入6。仍然在第三面时，按下Insert键，将新面（即第3面）的厚度从0改为20，在第1列上双击，将孔径类型设为“CircularObscuration”，并将“最大半径（MaxRadius）”（不是最小）设为2.5，同时，将半口径定为2.5。将第2面的厚度由60改为40。然后单击OK。更新图形，如下图：在遮挡器和辅助镜面之间的小缝隙纯粹是很小的一点。这里是为了更容易让大家看到。MTF现在已被主要是辅助镜面产生的遮挡所改变。更新MTF窗口，看一下新的MTF，如下图：