利用ZEMAX進(jìn)行單透鏡設(shè)計(jì)

1、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告項(xiàng)目名稱：利用ZEMAX設(shè)計(jì)單透鏡并優(yōu)化 所屬課程：工程光學(xué)設(shè)計(jì)日期：20200629“20200705班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：成績(jī)：電氣與控制工程學(xué)院一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙髮?shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握光學(xué)系統(tǒng)的工作原理；2、掌握光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法；3、掌握光路計(jì)算和光線追跡的原理；4、培養(yǎng)和提高學(xué)生光學(xué)設(shè)計(jì)和分析的能力；5、通過該課程的學(xué)習(xí)擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)面，為今后的研究和技術(shù)工作。 設(shè)計(jì)要求1、掌握成像物鏡的工作原理；2、熟悉ZEMAX軟件設(shè)計(jì)界面，能夠熟練運(yùn)用ZEMAX軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化；3、設(shè)計(jì)物鏡滿足要求：?jiǎn)瓮哥R；EPD： 20mm；F/#： 10FF0V： 10 degreeW

2、avelength： 0. 587 mMaterial： BK7BeSt RMS SPOt RadiUS實(shí)驗(yàn)原理1、透鏡的成像原理：透鏡分為凹透鏡和凸透鏡，主要都是玻璃或鉛玻璃制造（鉛波璃 折射率大）利用光線斜射在透明物體表而,利用兩種透明物體的折射 率的不同,使光線產(chǎn)生折射,從而能夠成不同的像。2、光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)基本步驟：1）輸入初始參數(shù)。2）創(chuàng)建初始結(jié)構(gòu)、生成視圖分析成像質(zhì)量，在進(jìn)行優(yōu)化。3）優(yōu)化： 優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)、 調(diào)用點(diǎn)列圖、3D視圖及視場(chǎng)、場(chǎng)曲、畸變圖觀察成像質(zhì)量并 優(yōu)化。 觀察優(yōu)化結(jié)果，判斷是否達(dá)到優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。4）得出結(jié)論。5）完成設(shè)計(jì)報(bào)告。3、根據(jù)公式以及將曲率半徑設(shè)置為變量、厚度設(shè)置

3、為邊緣光線高度 求解類型進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。4、優(yōu)化原理：1）評(píng)價(jià)函數(shù)優(yōu)化：直接調(diào)用系統(tǒng)默認(rèn)的評(píng)價(jià)函數(shù)加入限制條件設(shè) 置變量。優(yōu)化結(jié)果中評(píng)價(jià)函數(shù)值越小越好。2）對(duì)透鏡厚度進(jìn)行優(yōu)化：在評(píng)價(jià)函數(shù)中將玻璃厚度邊界值進(jìn)行設(shè) 置最小為2mm,最大為IOmm,邊緣為2mm,再進(jìn)行優(yōu)化。3）對(duì)光斑大小進(jìn)行優(yōu)化：將第二面的厚度由邊緣光線高度求解類 型設(shè)置為變量，改變了像面位置只能在近軸焦平面的限制。4）對(duì)像散和場(chǎng)曲進(jìn)行優(yōu)化：像散和場(chǎng)曲與視場(chǎng)有關(guān)，要減小像散 和場(chǎng)曲，可以通過改變視場(chǎng)來改變外視場(chǎng)像差，由于視場(chǎng)角不能變， 所以只能改變光闌而的位置。在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上插入一個(gè)面設(shè)置為光 闌面，并將該面的厚度設(shè)置為變量。5）

4、優(yōu)化結(jié)束后還存在一定的畸變，但0. 4%的畸變對(duì)人眼的觀察沒 有影響，所以認(rèn)為達(dá)到了優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境（使用的軟件）工具：計(jì)算機(jī)軟件：ZEMAX二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：1、實(shí)驗(yàn)名稱：利用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)單透鏡并優(yōu)化。2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^實(shí)驗(yàn)掌握光學(xué)系統(tǒng)工作原理、設(shè)計(jì)方法。3、實(shí)驗(yàn)步驟：1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求輸入初始參數(shù)。包扌舌入瞳直徑、視場(chǎng)、波長(zhǎng)。2）構(gòu)建透鏡初始結(jié)構(gòu)。將光闌而的曲率半徑和厚度設(shè)置為變量, 玻璃材料選為BK7。插入一個(gè)第二面，曲率半徑設(shè)置為F數(shù)，值為10, 厚度設(shè)置為邊緣光線高度求解類型。3）優(yōu)化。第一次優(yōu)化為設(shè)置評(píng)價(jià)函數(shù)，將默認(rèn)的半波改設(shè)置為 光斑半徑，優(yōu)化并查看結(jié)果。第二次優(yōu)

5、化是優(yōu)化透鏡厚度，將評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)置選為玻璃并設(shè)置數(shù)據(jù)。第三次優(yōu)化是對(duì)光斑大小進(jìn)行優(yōu)化，將 第二面的厚度由邊緣光線高度求解類型改為變量。第四次優(yōu)化是對(duì)成 像光斑形狀進(jìn)行優(yōu)化，插入一個(gè)面設(shè)置為光闌面，并將厚度設(shè)置為變 量。每次優(yōu)化后記錄結(jié)果并分析。4）總結(jié)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)過程1.輸入鏡頭參?1）設(shè)置入瞳直徑:R ZemaX 13 PremiUm 34900 E:3-23 胡秀.zmx常規(guī)非幀 I 蘇I ）tt I 雜項(xiàng)?LSI名稱/曲 I單位 I玻朋 I環(huán)境 I文件孔徑類型:孔徑值切趾類型:切趾因子:廠遠(yuǎn)心物空間 廠無焦像空間廠左更晰時(shí)迭代求解¾ I ¾ I 應(yīng)用I 幫助2）

6、設(shè)置視場(chǎng):R Zemdx 13 PremiUm 34900 E:3-23 胡秀NmX視場(chǎng)數(shù)據(jù)類型 J應(yīng)）娠近軸像鬲實(shí)際像IS視場(chǎng)歸一化：伽Jd侵用X視場(chǎng)Y視場(chǎng)權(quán)嚏VDXVDYVCXVCYVANl 1 |0oII oooOIOoOOoO- IOOoOOO- IOOooOO- IOooOoO- IOoOoOOP 2 fo-13.5IlOooOIOOooOO IOoooOO IOOoOOO IOOOoOO IOoOooOP 3 |0|5IIooOOIOOOOOO IOoOOoO IOOOoOO IOoOOoO IOooooO廠4 |0lIloOoOIOoOO(X) IOOoooO IO(X)OoO

7、IoOOOOO IOoO(Xx)廠5 |0oIIoOoOIOoOooO IOOOooO IOOoooO IOOOOoO IOooO(X) 6 |0|0IlOoOOIOoOooO IOOOoOO IOOOooO IOOoOOO IOoOooO廠7 0|0 IOOOooO- IOoOOOO- IOo(X)OO"" IOoOOoO- IOOoOoO 8 0-l(I oOoOIOOOoOO- IO(X)OoO- IOOoOOO- IOoOOoO IOoooOO廠9 |0|0TIOO(X)OO- IOooooo- IOOOooO- IOOOoOO- IOOOooO 1lII oooO

8、IOOOOOO IOoOO(X) IOOOoOO- IOOoooO IOOOooO廠 1110lIlOOOOIOOOOoO IOoOOoO IOOOooO IOOOOOo IOOOooO 1210lIIOOoOIOOo(Xx) IOOOooO IOOooOO IOoOOoO IO(X)(Xx)等面稅視場(chǎng)>I視場(chǎng)個(gè)數(shù)3最大視場(chǎng)：I取消分類I幫助IISI保存I裁入3）設(shè)置波長(zhǎng):(0 5875618分類確定0 ZemaX 13 Premium 34900 E:3-23 胡秀.zmx使用波長(zhǎng)做米）權(quán)重使用波長(zhǎng)隠米）權(quán)重l 10 5875618b廠130.55|1 2055b廠1410.55P廠3

9、|055b廠150.55P廠4055-b廠16055-I1廠5055b廠17055-|1廠6055b廠18|055I1廠7055b廠190.55|1F 80 55b廠20|055P廠9|055b廠21|055廠10f55I1廠22055-P 11O55-b廠23055P廠12055h廠240.55P迭擇>I F.d. C(SJRJ)B主波長(zhǎng):1ZJi j皮長(zhǎng)數(shù)據(jù)高斷稹分->|0 5875618最小波長(zhǎng)J步幅最大波長(zhǎng)取消保存戟入2、創(chuàng)建初始結(jié)構(gòu)光闌而設(shè)置曲率半徑和厚度設(shè)置為變量，玻璃材質(zhì)為BK7。插入第二表面的厚度設(shè)置為邊緣光線高度求解類型，曲率半徑設(shè)置為F數(shù)值為IOo初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù):

10、SgIS喪押球1：糊I傾2«W糊 I幼 4'ft:詡詠IUF聊0.(CO2D0.JIOaID(OOI-!W 3«|!2®JX1IOCS0.0001可D.03、第一次優(yōu)化并查看結(jié)果優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)：在優(yōu)化函數(shù)岀選擇光斑半徑。A ZemdX 13 PremiUm 34900 E 3-25優(yōu)化前的評(píng)價(jià)函數(shù)參數(shù);沢e B 術(shù)-俶小 tj i MtXOJM瞬誠他-C X恤$怒 A1:1KVI2:1UKLE3LEIKJEUi5: KjELE晦16: Htf取J00.0.3»O.KOO.血0.3184r：ntfIKIo.ra0.«0OJID.MOo.x0

11、戀IlXH-FTwl血I0-1Ora)Ora031BlJ: KJBLE1 2VC1>第一次優(yōu)化結(jié)果:優(yōu)化參數(shù):>2e13 伽 iH橄少23 擁 Wt- O対斑疏穌：S箱左涼貶瞰©潑驛« ?S 5 SC BC E曲浹3阿I-¾fi A血莉翊動(dòng)槻!lMKM豐魏皺豹閑恤）詡峽:甌2新別簪2：柵|爾4W薛5：錮AUn球那Otn)LcIS.2S15 33IVIr為QO(WLJ!?9«1263681MWO(ID惻斥-P 523OttO三維布局圖:點(diǎn)列圖:Qi：點(diǎn)列圖I更軒設(shè)運(yùn)打印<6口文本Q3-：2 S.ZV3:Irael四、第二次優(yōu)化并査看結(jié)果根

12、據(jù)對(duì)第一次優(yōu)化結(jié)果三位布局圖的分析，可以得出透鏡厚度過 大，要對(duì)透鏡厚度進(jìn)行優(yōu)化。選擇優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)，在厚度邊界值處， 選擇玻璃，將最小值設(shè)為2,最大值設(shè)為10,邊緣值設(shè)為2o再進(jìn)行 優(yōu)化，查看結(jié)果進(jìn)行分析。S> Zemdx 13 PremiUm 34900 E:3-23 毎竟 ZmX序列評(píng)價(jià)函數(shù)優(yōu)化函數(shù)和鏗考IjRMSF IjWMB Ilft心逬fit采樣方法高斯積分Q逅形Bg列幵：P網(wǎng)格I4*4TdM：R-彤*那星遍攔：F-厚虔邊界值P Ttn最小R最大110邊韁Pr空氣：最小o巔大o邊燼-P倚沒軸對(duì)稱開竝于R-侶對(duì)X僅里I * oo組態(tài)Jd所有權(quán)亜ioo廠加入耒用攝乍數(shù)確定取消II鋼

13、助優(yōu)化前的參數(shù):JB «28SgIfzjIfSSrIlE «：« it Ifl 5 Ifc« t 斑:»n MF卩H 'I-ME歲黃< 4*«7 :M孕” i4rS“事4WKL12SH0叫IVVhKr<1V心可ISv近H叩IHllaLJ IKl 匚_E2 225 VIMIaWCarlII2|麗-aP1 368 116. X?OoKI型r.ssOa)CU. UUUI第二次優(yōu)化結(jié)果:優(yōu)化目標(biāo)：24 罐:2初始評(píng)價(jià)函數(shù)：&6.706696396當(dāng)前評(píng)伯函數(shù)：0.041316260 狀態(tài)：IdIe執(zhí)行時(shí)間:0.31

14、2 sec算法：I阻尼最爪二乘法3內(nèi)核數(shù)目：s3廠自動(dòng)更新U. UuUlUU. UuUl優(yōu)化參數(shù)：rw IJPwrium-MKO-MigyWIfi «18 SS Ifi SS S 82 «：©/sa« SS 5 fcs 2 I 磁畛Eg-5- 輕KIi*i!S歸3：祓兩貂4沬!訓(xùn)«! KJftU123 991TIO如OqI勵(lì)細(xì)614 016?嗷矗I3!JnIQQMi"-OKKOis6W4,3eefc<2WfctIA g fc第二次優(yōu)化三維布局圖:Q 1：三維布局圖更新設(shè)置打印窗口文本放大I-2020 7 47!X1的«

15、1W¾ M U -:迂=3- MZ 抵 S88S O¾SIoOO S ft!5 ¥> fr L (BoZ× « BH SS i -;331 DC £Z-£陽UfiC2： KrS%加 C!¼ 繪勺 IZ:沁 32>3 UraC茫“Z： Xi¥2SW 逐也M喜刊井重FX副鎖：g優(yōu)化結(jié)果分析：對(duì)比第一次優(yōu)化與第二次優(yōu)化的三維布局圖能明 顯觀察到，透鏡厚度變薄，達(dá)到優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化完成。但是根據(jù)對(duì)兩 次優(yōu)化的點(diǎn)列圖的數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)光斑的尺寸變大了，理想結(jié)果光 斑的尺寸應(yīng)該變小。原因：在初始結(jié)構(gòu)設(shè)置時(shí)，

16、使用的是邊緣光線高度求解類型，這 限制了像面位置只能在近軸焦平而，極大的限制了光斑的優(yōu)化。5、第三次優(yōu)化并査看結(jié)果將第二表而的的厚度由邊緣光線高度求解類型設(shè)置為變量，對(duì)成 像位置進(jìn)行優(yōu)化。變量設(shè)置如圖：v OPeSdlSM BaClRMl MKMGer . I ILJrL3d Uh R Octf W nt ErtI g Ga IeI: Sn Ple Ol '8 闕8礙S ft緬；5«25?m黔Ol球S）翱1（咖球2融）SI5» 4«««>CeJl Sa魂0.0IIII刖I阪13 581ICa»iio (a00I2 gfi

17、OlBIO 3Ho.oooF-176720.0001IIIIII I!II<>亦 I I S5Is« A"sS?2 IiMIUX3；<4S 3 F 6 &3: !JI54 >I5 0IKG12 Z OCO'Ial2.(6 IKGDrG12IOooOI SC31.(1礙I2OaO2 OOO1IOX28 IUr-H9 rcLQCa)OOM0 J3(OoCOOaO0 29!,SMHu第三次優(yōu)化結(jié)果:點(diǎn)列圖:Q 1：點(diǎn)列圖I更新&S打印SO文本放大-×I s! «TfJ»74 Hl*戲11J叱£

18、£31: CK6&*SXJSIOiUJm<b片 t3-23 Si r視場(chǎng)場(chǎng)曲、畸變圖: XQ :娜場(chǎng)曲/晡變更新設(shè)宣打印宙口文本筋大O J «* MS4：優(yōu)化結(jié)果分析：對(duì)比第二次優(yōu)化與第三次優(yōu)化的點(diǎn)列圖數(shù)據(jù)，觀 察到光斑的尺寸變小，達(dá)到優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化完成。但是同時(shí)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)列 圖光斑形狀變化很大。存在像散和場(chǎng)曲。6、第四次優(yōu)化并查看優(yōu)化結(jié)果形狀變化很大，存在像散和場(chǎng)曲，通過改變視場(chǎng)來改變外視場(chǎng)得 像差，可以改變光闌得位置來改變不同視場(chǎng)得光線與透鏡得高度。對(duì) 像差進(jìn)行優(yōu)化，改變成像質(zhì)量。再透鏡前插入一個(gè)光闌而，將這個(gè)表 而的厚度設(shè)置為變量。優(yōu)化參數(shù)設(shè)置:0濾薛總備犧

19、ti戦I緬翹8I5S46ti敢緞塢嫻I強(qiáng)：（糊）紐3柵黠4：科闊樓捫（柵,QlU涉瓏AOIn)Ooa)o lO(M18.073X)Itii¾"(IraIIIJrm-2429InI4210.3IdOIn)InUl 預(yù)-o鏑*t ：!餌瞰T I 翹1 BK;IKIIi-rTt BEe3ffeB3： ns££"Teb15. WJi25Iral.o2.(6 D：&2SAKDIW10(I BK23OttBL(OOlIM2(8 IuIXK9 Ut1Om(Irao.x»|0叫t.MO0,2fcO(V優(yōu)化結(jié)果:點(diǎn)列圖：I Qi：點(diǎn)列圖-

20、15;更新設(shè)葺打印窗文本成大iEas2 «I 丄藥址二 iC<T!IiKIiIi3 2?»3 fki : IM21®CXXf3-23 .y旳ti視場(chǎng)場(chǎng)曲、畸變圖: I：視場(chǎng)場(chǎng)曲/B拽更新設(shè)宜打印京口文本放人S91«* F-Ter. (Ilhtt) S2020 7 3 * t 5.000«S0.58S3-23 5-». ZCIttfiSl優(yōu)化參數(shù):MditLA OS *:Ser I瑕 11BrV吩 AI sIi2 UCEllXX3 Ejl51 J iUJ4 Vjiyi*JH竟岸感5畀紂05 IT CKKZ32 0001 OC2(

21、«：/KW23IOOW110(? IeiLJCfCOCf20:OaO2(8 EJX貶幀冊(cè)N 19 TVCTICI>0 0» 0 ®0OjM10剛0刑O(V<>優(yōu)化結(jié)果分析：對(duì)比第三次與第四次優(yōu)化的點(diǎn)列圖與視場(chǎng)場(chǎng)曲.畸變圖，觀察得岀光斑形狀優(yōu)化達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化完成。7、輸出最后結(jié)果:優(yōu)化參數(shù)：TenUn -冷OO5 «SS M tf I ft $ S K KWlgIS*|Soi I RaOenl FClWBi>Lll>hRvCp<j j wPrmI Enc ICX GLCd>p*C"燉II ©；W鈕i |«$ 瑋 Il «裏85謬Si-S¾r-IKHHLS1Il 191 111蚪 saw*>L?IK汨WlIOCOOII 9I yE心W0、or悶:XtEKr冷F19 T16 ©3l 90CGSH.C71 30C<M>Q :：MM« SZtZae8 臨0>