光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1、 實(shí)驗(yàn)1單透鏡（a singlet）實(shí)驗(yàn)?zāi)康拈_始 ZEMAX，輸入波長和鏡片數(shù)據(jù)，生成 光線特性曲線（ray fan），光程差曲線（OPD），和點(diǎn)列圖（Spot diagram），確定厚度求解方法和變量，進(jìn)行簡單的優(yōu)化。 實(shí)驗(yàn)要求：設(shè)計(jì)一個(gè) F/4 的鏡片，焦距為 100mm，在軸上可見光譜范圍內(nèi)，用 BK7 玻 璃實(shí)驗(yàn)步驟： 1 運(yùn)行 ZEMAX。ZEMAX 主屏幕會(huì)顯示鏡片數(shù)據(jù)編輯（LDE）。 2 選擇“系統(tǒng)（System）”菜單下的“波長（Wavelengths）”。 屏幕中間會(huì)彈出一個(gè)“波長數(shù)據(jù)（Wavelength Data）”對話框。 。用鼠標(biāo)在第二和第三行的“使用（Use）”上單

2、擊一下，將會(huì) 增加兩個(gè)波長使總數(shù)成為三?，F(xiàn)在，在第一個(gè)“波長”行中輸入 486，在第二行的波長列中輸入 587，后在第三 行輸入 656。“權(quán)重（Weight）” 這一列用在優(yōu)化上，以及計(jì)算波長權(quán)重?cái)?shù)據(jù)如 RMS 點(diǎn)尺寸和 STREHL 率?，F(xiàn)在讓所有的權(quán)為 1.0，單擊 OK 保存所做的改變，然后退出波長數(shù)據(jù)對話框。 3 設(shè)置這個(gè)孔徑值，選擇“系統(tǒng)”中的“通常（General）”菜單項(xiàng)，出現(xiàn)“通常數(shù)據(jù)（General Data）”對話框，單擊“孔徑值（Aper Value）”一格，輸入一個(gè)值：25。插入第四個(gè)面，只需移動(dòng)光標(biāo)到像平面（后一個(gè)面）的“無窮 （Infinity）”之上，按 INS

3、ERT 鍵。這將會(huì)在那一行插入一個(gè)新的面，并將像平面往下移。 4 現(xiàn)在我們將要輸入所要使用的玻璃。移動(dòng)光標(biāo)到第一面的“玻璃（Glass）”列，即在左邊被 標(biāo)作 STO 的面。輸入“BK7”并敲回車鍵。移動(dòng)光標(biāo)到第 1 面（我們剛才輸 入了 BK7 的地方）的厚度列并輸入“4”。 5 現(xiàn)在，我們需要為鏡 片輸入每一面的曲率半徑值。在第 1 （STO）和 2 面中分別輸 入這些值。符號約定為： 如果曲率中心在鏡片的 右邊為正，在左邊為負(fù)。 這些符號（+100，-100） 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)等凸的鏡片。 我們還需要在鏡片焦點(diǎn) 處設(shè)置像平面的位置，所 以要輸入一個(gè) 100 的值， 作為第 2 面的厚度。 6

4、先選擇“分 析（Analysis）”菜單，然后選擇“圖（Fan）”菜單，再選擇“光線像差（Ray Aberration）”。你 將會(huì)看到光線特性曲線圖在一個(gè)小窗口顯示出來（如果看到任何出錯(cuò)信息，退回并確認(rèn)是否所有 你所輸入的數(shù)據(jù)與所描述的是一致的）。光線特性曲線圖如圖所示。 7 在第 2 面的厚度上雙擊，彈出 SOLVE 對話框，它只簡單地顯示 “固定（Fixed）”。在下拉框上 單擊，將 SOLVE 類型改變?yōu)椤斑?緣 光 高 （ Marginal Ray Height）”，然后單擊OK。從光線特性曲線窗口菜單，單擊“更新（Update）”（在窗口任何地方雙擊也可更新）， 其光線特性曲線圖如

5、圖所示。 8 將光標(biāo)移到第1面的半 徑這一列，然后按Ctrl-Z（如果你喜歡用菜單界面，單擊“半徑”，然后選擇SOLVES，再從LDE 菜單中選變量“Variable toggle”；你也可以在“半徑”上雙擊，得到一個(gè)下拉的選擇列，其中包 括了變量狀態(tài)）。注意，出現(xiàn)“V”表示一個(gè)可變的參量。按Ctrl-Z與菜單的功能相同。再在第2 面半徑以及第2面的厚度上設(shè)置變化的標(biāo)志，。第2面的厚度變化時(shí)，它的值會(huì)復(fù)蓋（overrides） 先前用求解定出的值。 9 從主菜單中選擇“編輯（Editors）”菜單下的“評價(jià)函數(shù)”。出現(xiàn)一個(gè) 與LDE類似的電子表格。從這個(gè)新的窗口的菜單條上，選擇“工具（Tool

6、s）”菜單下的“缺省評 價(jià)函數(shù)”。再在出現(xiàn)的對話框中，點(diǎn)擊Reset，然后OK。在第一行中的任何一處單擊鼠標(biāo)，使光標(biāo)移動(dòng)到評價(jià)函數(shù)編輯的第一行，按下INSERT鍵插 入新的一行?，F(xiàn)在，在“TYPE”列下，輸入“EFFL”然后按回車。此操作數(shù)控制有效焦距。移 動(dòng)光標(biāo)到“Target”列，輸入“100”然后按回車。其“權(quán)重（Weight）”輸入一個(gè)值：1。這樣 我們就完成了評價(jià)函數(shù)的定義。10 現(xiàn)在從主菜單條中選擇“工 具”菜單下的“佳化 （Optimization）”，會(huì)顯示佳 化工具對話框。注意“自動(dòng)更新 （Auto Update）”復(fù)選框。如果 這個(gè)選項(xiàng)被選中，屏幕上當(dāng)前所 顯示的窗口（如光

7、學(xué)特性曲線圖） 會(huì)按佳化過程中鏡頭的改變而 被自動(dòng)更新。在該復(fù)選框中單擊 選擇自動(dòng)更新，然后單擊“自動(dòng) （Automatic）”，ZEMAX會(huì)很快 地減少評價(jià)函數(shù)。單擊“退出 （Exit）”關(guān)閉佳化對話框。 11 在Analysis中選擇wavefront打開wavefront Map如圖 實(shí)驗(yàn)2雙透鏡（a doublet）實(shí)驗(yàn)?zāi)康漠a(chǎn)生圖層和視場曲率圖，定義邊緣厚度解， 定義視場角。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：一個(gè)雙透鏡包括兩片玻璃，通常（但不一定）是膠合的，因此它們有一個(gè)共同的曲率。通 過使用兩片具有不同色散特性的玻璃，一階色差可以被矯正。也就是說，我們需要得到拋物線形 的多色光焦點(diǎn)漂移圖，而不是直線的。這

8、反過來會(huì)產(chǎn)生較好的像質(zhì)?，F(xiàn)在，我們保持先前100mm 焦距和在軸上的設(shè)計(jì)要求，我們下面將會(huì)加入視場角。實(shí)驗(yàn)要求：選擇BK7和SF1這兩種玻璃。 實(shí)驗(yàn)步驟：1 如果你已完成了剛才的例子，且單透鏡鏡片仍然被 裝載著，你不需要重新輸入設(shè)計(jì)的波長。否則，請按照前面例子所述的方法輸入波長和孔徑?，F(xiàn) 在必須插入新的面，直到你的LDE窗口看上去象下面的表格。不是所有的列都會(huì)被顯示出來。2 現(xiàn)在，從主菜單下選擇“工 具”-“佳化”，單擊“自動(dòng)”。 評價(jià)函數(shù)會(huì)開始減小，等它停止 后單擊“退出”。顯示多色光焦 點(diǎn)漂移圖，看看我們是否已有了 一些提高（如果你的屏幕上還沒 有準(zhǔn)備好，選擇“Analysis”， “Mi

9、scellaneous（各種的）”， “Chromatic Focal”）。它應(yīng)該與圖類似。 3 選擇“Analysis ”， “Layout”，“2D Layout”，讓我們來 看看一個(gè)簡單的鏡片的二維剖面圖。 圖形顯示如圖所示。 4 為了決定實(shí)際的邊緣厚度，可將光標(biāo)移動(dòng)到第一 面的任意一列（例如，在LDE中有“BK7”字樣處單擊）?，F(xiàn)在選擇“Reports”，“Surface Data”， 將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)窗口，告訴你該面的邊緣厚度。所給出的值是0.17，稍偏小。 在我們修整偏小的邊緣厚度之前，我們將先將鏡片放大。移動(dòng)光標(biāo)到第一面的半口徑 “Semi-Diameter”列，鍵入“14”替代所顯

10、示的12.5，ZEMAX會(huì)消去12.5并顯示“14.000000U”。 “U”標(biāo)志著這個(gè)孔徑是用戶自定義的。如果“U”沒有顯示，表示ZEMAX允許此孔徑可隨要求 定義。你可以鍵入Ctrl-Z來取消“U”標(biāo)志，或在半口徑上雙擊，并為求解類型選擇“Automatic”。 作了這些改變后，選擇“System”，“Update”更新孔徑值。14這個(gè)值為半口徑，表示全口徑為 28mm。同樣，在第二面和第三面中也輸入14。 5 設(shè)置第一個(gè)面的厚度為變量進(jìn)行優(yōu)化。選擇 “Tools”，“Optimization”，然后選 “Automatic”。佳化后，單擊 “Exit”。6 在Analysis中選擇wav

11、efront打開wavefront Map如圖 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 數(shù)據(jù)為0.1078小于0.25，符合要求 實(shí)驗(yàn)3牛頓望遠(yuǎn)鏡（a Newtonian telescope） 實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖褂梅瓷溏R，圓錐常量，坐標(biāo)中斷，三維圖 形，暗化。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：牛頓望遠(yuǎn)鏡是簡單的用來矯正軸上像差的望遠(yuǎn)鏡，而且它對于闡明ZEMAX的一些基本操 作非常有用。首先，牛頓望遠(yuǎn)鏡是由一個(gè)簡單的拋物線形鏡面組成的，而且除此之外別無它物。 拋物線很好地矯正了所有階的球差，由于我們只將望遠(yuǎn)鏡使用在軸上系統(tǒng)，所以根本就沒有其他 的像差。實(shí)驗(yàn)要求：需要一個(gè)1000mm F/5的望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)曲率半徑為2000mm的鏡面，和 一個(gè)200mm的孔

12、徑。實(shí)驗(yàn)步驟：1 移動(dòng)光標(biāo)到第一面，即光闌面的曲率半徑列，輸入-2000.0，負(fù)號表示為凹 面?，F(xiàn)在在同一個(gè)面上輸入厚度值-1000，這個(gè)負(fù)號表示通過鏡面折射后，光線將往“后方”傳 遞。現(xiàn)在在同一面的“Glass”列輸入“MIRROR”，選擇“System”，“General”，然后在“通 用數(shù)據(jù)對話框（General Data Dialog Box）”中輸入一個(gè)200的孔徑值，并單擊“OK”。2 我們原先所輸入的2000這個(gè)曲率半徑只是定義了一個(gè)球形，我們需要一個(gè)錐形常量-1來 定義拋物線。在第一面的“Conic”列輸入-1，敲回車，現(xiàn)在選“System”，“Update”菜單項(xiàng) 刷新所有的

13、窗口。3 改變第一面的厚度著手，將之改為-800mm?，F(xiàn)在移動(dòng)光標(biāo)到像平面，按Insert在主面 與像平面之間插入一個(gè)虛構(gòu)的面。新的面很快會(huì)被轉(zhuǎn)換為折疊面。虛構(gòu)面的作用只是簡單地用來 安放折疊鏡面。 在新的虛構(gòu)面上輸入一個(gè)-200的厚度值，保持鏡面到像平面的總距離為-1000.0。 現(xiàn)在單擊“Tools”，“Add Fold Mirror”，然后設(shè)置“Fold Surface”為2，單擊“OK”，所 得的電子表格會(huì)被顯示出來，而且會(huì)與下表相似（為了清楚起見，有些列已被省略）4 通過“Analysis”，“Layout”，“3D Layout” 菜單來得到。一旦三維圖形顯示出來，即可用左、右、上

14、、下、Page Up和Page Down鍵來控制 圖形的旋轉(zhuǎn)。ZEMAX允許圖形的交互式旋轉(zhuǎn)。如圖顯示了一種可能的投影。 實(shí)驗(yàn)完成 實(shí)驗(yàn)4帶有非球面矯正器的 施密特卡塞格林系統(tǒng)（Schmidt-Cassegrain）實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖褂枚囗?xiàng)式的非球面，遮擋，孔徑，求解， 優(yōu)化，圖層，MTF 圖。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：這一課是一個(gè)帶多項(xiàng)式非球面矯正器施密特卡塞格林系統(tǒng) (Schmidt-Cassegrain) 的完 全設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的使用范圍為可見光譜。我們將采用10英寸的孔徑，10英寸的后焦距（從主鏡的 后面到焦點(diǎn)）。實(shí)驗(yàn)步驟：1 選擇“SYSTEM”，“GENERAL”，輸入10作為孔徑值。在同一個(gè)屏幕上，將單位“

15、毫 米（Millimeters）”改為“英寸（Inches）”。 2 選擇“SYSTEM”，“WAVELENGTHS”，得到“波長數(shù)據(jù)”屏幕，設(shè)置3個(gè)波長：486，587， 和656，其中587為主波長。這些步驟可以用一個(gè)操作來完成：單擊波長對話框底部的“選擇 （Select->）”按鈕。3 表格中輸入數(shù)據(jù)。 標(biāo)準(zhǔn)的2維圖形將會(huì)很好地工作，你將會(huì)看到如圖所示的圖形。 4 現(xiàn)在我們將加入輔助鏡面，并安放像平面。我們以后將讓ZEMAX為輔助面計(jì)算恰當(dāng)?shù)那省?現(xiàn)在修改表格，使之如下表所示的以表達(dá)一個(gè)新的面。 5 更新圖層，檢查你的工作，它應(yīng)該如圖所示 6 現(xiàn)在選擇“Editors”，“ Me

16、rit Function”顯示評價(jià)函數(shù)編輯，從評價(jià)函數(shù)編輯窗口菜單中 選“Tools”，“Default Merit Function”，單擊“Reset”，然后改變“Rings”選項(xiàng)為“5”，單擊 OK，選“Tools”，“Optimization”，選“Automatic”，評價(jià)函數(shù)很快將 下降到約1.3。這是剩余的RMS波 差。單擊“Exit ”，然后選擇 “SYSTEM”，“UPDATE ALL”， 輔助鏡面的半徑已經(jīng)從“Infinity” 被改為-41.83 ?，F(xiàn)在選擇 “ ANALYSIS ”，“ FANS ”， “OPTICAL PATH”演示OPD圖， OPD圖顯示離焦和球差，

17、如圖所示。 7 現(xiàn)在單擊第一面 （光闌面）的“STANDARD”表 面類型，從所顯示的對話框選擇 “EVEN ASPHERE”。這種面型允 許為非球面校正器指定多項(xiàng)式非 球面系數(shù)。單擊OK，在第一面向 右移動(dòng)光標(biāo)直到“4th Order Term” 列，鍵入Ctrl-Z。這樣就給這個(gè)參數(shù)設(shè)置了一個(gè)變量標(biāo)記，當(dāng)前為0。也在“6th Order Term”和 “8th Order Term”上設(shè)置變量標(biāo)記。現(xiàn)在選擇“Tools”，“Optimization”，再單擊“Automatic”。 幾秒鐘后，評價(jià)函數(shù)將會(huì)下降，這是由于ZEMAX平衡了高階球差。單擊“Exit” 8 現(xiàn)在設(shè)置第一面的半徑為變

18、量，再次優(yōu)化（Tools ， Optimization ， Automatic）。評價(jià)函數(shù)將會(huì)再次下降?，F(xiàn)在單擊EXIT，更新OPD圖，圖形如圖所示 9 從主菜單，選SYSTEM， FIELDS，并將視場角的個(gè)數(shù)設(shè)置為3，輸入y-角0.0，0.3和0.5度。選Tools，Default Merit Function，并將RINGS改為4，單擊 OK。 現(xiàn)在選Tools，Optimization，然后單 擊Automatic，當(dāng)已聚集后，單擊EXIT， 再次更新OPD圖，圖顯示如圖，已是 一個(gè)很好地平衡了像差的設(shè)計(jì)。 10 返回到 LDE，雙擊第三面的第一列，從孔徑類 型列中選圓形“Circular Aperture”，到 Min Radius中輸入1.7。這表示所有的光 線穿過表面時(shí)離軸距離必須要大于1.7 英寸，這就是主反射面的缺口“Hole”。 將“Max