ZEMAX實驗指導(dǎo)書(初學(xué)的練習(xí)教程)

1、實驗光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX的安裝和基本操作實驗?zāi)康膶W(xué)習(xí)ZEMAX軟件的安裝過程，熟悉 ZEMAX軟件界面的組成及基本使用方法。實驗要求1、2、3、4、掌握ZEMAX 掌握ZEMAX 掌握ZEMAX軟件的安裝、啟動與退出的方法。 軟件的用戶界面。軟件的基本使用方法。學(xué)會使用ZEMAX的幫助系統(tǒng)。實驗內(nèi)容ZEMAX，熟悉ZEMAX 的初始用戶1. 通過桌面快捷圖標(biāo)或“開始一程序”菜單運行 界面，如下圖所示：1 ?arr. 巾科曲，'船.L'i1A：-LL LchiCciT ueiat. h比*HFLlS'LI k輕1: hQf耳f Typ*Thy*Cl-T-qCkiiVEJ

2、IPlUUtTo.cowcq|D-fliOWOP370£flKnn-ijiTdInfzDzby710 onnnwEK"ooOM|n.oriijcinoT；E0,DOOOQOO-OOCKiCioO-OOOCOO3In fznit-r-5 OOUOWEK-n CQOOQO|n OOLRJOO3¥'0 CCC0CCE+30()' ,- '畑尸* J 眄IbZmttfgolam： 300tfFL； la+DLDnnn圖：ZEMAX用戶界面2瀏覽各個菜單項的內(nèi)容，熟悉各常用功能、操作所在菜單，了解各常用菜單的作用。3學(xué)會從主菜單的編輯菜單下調(diào)出各種常

3、見編輯窗口。4調(diào)用ZEMAX自帶的例子（根目錄下Sam pies文件夾），學(xué)會打開常用的分析功能項： 草圖（2D草圖、3D草圖、實體模型、渲染模型等）、特性曲線（像差曲線、光程差曲線）實驗二 基于 ZEMAX 的簡單透鏡的優(yōu)化設(shè)計點列圖、調(diào)制傳遞函數(shù)等，學(xué)會由這些圖進行簡單的成像質(zhì)量分析。5從主菜單中調(diào)用優(yōu)化工具，簡單掌握優(yōu)化工具界面中的參量。6掌握鏡頭數(shù)據(jù)編輯窗口的作用以及窗口中各個行列代表的意思。7從主菜單 -報告下形成各種形式的報告。8通過主菜單 -幫助下的操作手冊調(diào)用幫助文件，學(xué)會查找相關(guān)幫助信息。四、實驗儀器PC機實驗?zāi)康膶W(xué)會用ZEMAX寸簡單單透鏡和雙透鏡進行設(shè)計優(yōu)化。實驗要求1.

4、2.3.4.掌握新建透鏡、插入新透鏡的方法；學(xué)會輸入波長和鏡片數(shù)據(jù)；學(xué)會生成光線像差（ray aberration ）特性曲線、光程差（OPD曲線和點列圖（Spot diagram ）、產(chǎn)生圖層和視場曲率圖；學(xué)會確定鏡片厚度求解方法和變量，學(xué)會定義邊緣厚度解和視場角，進行簡單的優(yōu) 化。.用BK7玻璃設(shè)計一個焦距為 100mm的F/4單透鏡，要求在軸上可見光范圍內(nèi)。 打開ZEMA漱件，點擊新建，以抹去打開時默認(rèn)顯示的上一個設(shè)計結(jié)果，同時新建實驗內(nèi)容1.一個新的空白透鏡。2. 在主菜單 -系統(tǒng)-光波長彈出的寸話框中輸入 3個覆蓋可見光波段的波長，設(shè)定主波 長。同樣在系統(tǒng) -通用配置里設(shè)置入瞳直徑值

5、。3. 在光闌面的Glass列里輸入BK7作為指定單透鏡的材料，并在像平面前插入一個新 的面作為單透鏡的出射面。4. 輸入相關(guān)各鏡面的厚度和曲率半徑。5. 生成光線像差特性曲線、2D 3D圖層曲線和實體模型、渲染模型等分析圖來觀察此 時的成像質(zhì)量。6. 利用 Solve 功能來求解鏡片厚度，更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化。7. 利用主菜單 -工具-優(yōu)化-優(yōu)化來寸設(shè)計進行優(yōu)化，更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化。8. 調(diào)用并建構(gòu)優(yōu)化函數(shù)（ Merit Function ），在優(yōu)化后更新全部內(nèi)容，然后觀察各分析 圖的相應(yīng)變化。9. 分別調(diào)用點列圖、 OPD圖以及焦點色位移圖（主菜單-分析-雜項）來觀察最優(yōu)

6、化后的成像質(zhì)量。10. 將此設(shè)計起名保存，生成報告。添加一塊材料為 SF1 玻璃的透鏡（二）. 以前一個實驗內(nèi)容設(shè)計優(yōu)化后的單透鏡為基礎(chǔ)， 來構(gòu)建雙透鏡系統(tǒng)，進一步優(yōu)化成像質(zhì)量。1. 插入新的平面作為第二塊透鏡的出射面，輸入相關(guān)鏡面的厚度、曲率半徑以及玻璃 類型值（ BK7、 SF1）。2. 生成光線像差特性曲線、2D 3D圖層曲線和實體模型、渲染模型等分析圖來觀察此 時的成像質(zhì)量。3. 沿用前例的優(yōu)化函數(shù)，在優(yōu)化更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化，并分別寸比單透鏡 時的點列圖、OPD圖以及焦點色位移圖（主菜單 -分析-雜項）的相應(yīng)變化，觀察雙透鏡此時 的成像質(zhì)量。4. 利用利用 Solve 功能來

7、求解鏡片邊緣厚度， 更新后更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化。5. 定義視場（系統(tǒng) - 視場）來測試此雙透鏡的離軸特性。6. 將此設(shè)計起名保存，生成報告。四 實驗儀器PC機實驗三 基于 ZEMAX 的牛頓望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)化設(shè)計實驗?zāi)康膶W(xué)會使用ZEMA漱件對典型牛頓望遠(yuǎn)鏡進行優(yōu)化設(shè)計。實驗要求1. 掌握設(shè)立反射鏡、使坐標(biāo)中斷的方法；2. 學(xué)會使用圓錐常量來優(yōu)化成像質(zhì)量；3.學(xué)習(xí)點列圖和 3D 圖形分析像質(zhì)的簡單方法。實驗內(nèi)容利用ZEMA漱件來設(shè)計一個1000mm F/5的牛頓望遠(yuǎn)鏡，即一個曲率半徑為2000mm的鏡面和一個200mm的孔徑。打開ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去打開時默認(rèn)顯示的上一個設(shè)計結(jié)果，

8、同時新 建一個新的空白透鏡。在LDE（透鏡數(shù)據(jù)編輯器）中輸入相關(guān)平面的曲率半徑、厚度和玻璃類型值。在主菜單 - 系統(tǒng)中設(shè)置孔徑值，并沿用默認(rèn)的波長和視場角值。生成光線像差特性曲線、2D 3D圖層曲線和實體模型、渲染模型等分析圖來觀察 此時的成像質(zhì)量。生成標(biāo)準(zhǔn)點列圖，并與艾利斑對比來進行像質(zhì)的簡單分析。 在像平面前插入一個新的虛構(gòu)面（未來放置反射鏡） ，合理設(shè)置中斷的坐標(biāo)值以獲 得光闌面和虛構(gòu)面的厚度，將兩個厚度輸入LDE中的相應(yīng)位置。從主菜單 -工具 -折疊反射鏡里添加一個反射鏡，設(shè)置交疊曲面為2，確定。更新后觀察此時的各分析圖，注意分析那些圖已經(jīng)不再起作用了。通過相應(yīng)按鍵 操作旋轉(zhuǎn)縮放3D類

9、的分析圖來觀察成像質(zhì)量。在光闌面（STO前新添加一個圓形擋光面，設(shè)置合理的面厚度和擋光半徑。3D類分析圖，觀察此時的成像質(zhì)量和效果。1.2.3.4.5.6.7.8.9.10. 更新后重新觀察此時的11. 更名存盤后生成報告。四 實驗儀器PC機實驗四 基于 ZEMAX 的施密特 -卡塞格林系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計實驗?zāi)康膶W(xué)會使用ZEMA）軟件對帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。實驗要求1.2.3.掌握使用多項式的非球面的方法； 掌握遮攔、孔徑的相關(guān)知識；掌握OPD圖和MTF分析像質(zhì)的簡單方法。實驗內(nèi)容設(shè)計一個帶多項式非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)，要求 10英寸的孔徑， 10 英寸的

10、后焦距（從主鏡的后面到焦點） 。同時新建2. 從主菜單 -系統(tǒng)-通用配置里設(shè)置孔徑值和單位 （英寸），同樣在系統(tǒng) -光波長里設(shè)置 覆蓋可見光波段的 3 個典型波長，設(shè)置主波長值。3. 在光闌面后插入兩個面，輸入相應(yīng)的各面的厚度、曲率半徑和玻璃類型值。 生成 2D 草圖來觀察此時的光路和成像效果。合理設(shè)置各個平面新的厚度、 曲率半徑值， 并將第四面的曲1. 打開ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去打開時默認(rèn)顯示的上一個設(shè)計結(jié)果， 一個新的空白透鏡。4.5. 新添加一個輔助鏡面，率半徑設(shè)為變量，讓 ZEMAX!動求解。6. 構(gòu)建新的優(yōu)化函數(shù)，在優(yōu)化后更新全部內(nèi)容。7. 生成OPD圖，分析成像質(zhì)量。8.

11、將第一面（STO的表面類型改為“ EVEN ASP HER”以便為非球面矯正器指定多項式非球面系數(shù)。將該面的“ 4th （6th、8th） Order Term ”項分別設(shè)為變量。9. 選擇主菜單-工具-優(yōu)化，優(yōu)化后重新更新 OPD圖，分析此時的成像質(zhì)量。10. 將第一面的半徑設(shè)為變量，再次優(yōu)化，更新后生成OPD圖，分析此時的成像質(zhì)量。11. 從主菜單 -系統(tǒng)-視場里將視場角個數(shù)設(shè)置為3，輸入適當(dāng)?shù)?y 角度，更新后對比觀察此時的OPD圖。OPD分析12. 重新構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)對此設(shè)計進行進一步的優(yōu)化，更新后再觀察此時的 成像質(zhì)量。-快速傅里葉變換生成MTF圖，由圖分析此時的像13. 從主菜單 -

12、分析-調(diào)制傳遞函數(shù)將 Aperture 標(biāo)簽中的光圈類型改為 “圓形光圈” ， 6，完成主反射面上缺口的設(shè)計。 此時原來的第三面變位第四面）質(zhì)。14. 返回LDE,雙擊第三面的第一列， 設(shè)置最小半徑為 1.7，最大半徑為，將新面（即現(xiàn)在的15. 在第三面前插入一個新的面第三面）厚度改為 20。將第二面的厚度由 60 改為 40。2.5 。再將第三面的16. 將第三面的第一列的孔徑類型改為圓形擋光，最大半徑設(shè)為 半口徑定為 2.5 。17. 更新全部內(nèi)容后重新觀察MTF圖和3D類型的各分析圖，分析此時的成像質(zhì)量。18. 存盤后生成報告。四 實驗儀器PC機實驗五基于ZEMAX勺激光擴束鏡的優(yōu)化設(shè)計

13、實驗?zāi)康膶W(xué)會使用ZEMA漱件對多重結(jié)構(gòu)配置的激光束擴大器進行優(yōu)化設(shè)計。實驗要求1. 掌握使用多重結(jié)構(gòu)配置；2. 進一步學(xué)習(xí)構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)。實驗內(nèi)容設(shè)計一個激光擴束器，使用的波長為1.053卩m,輸入光束直徑為100mm，輸出光束的直徑為20mm，且輸入光束和輸出光束平行。要求只使用兩片鏡片，設(shè)計必須是伽利略式的（沒有內(nèi)部焦點），在鏡片之間的間隔必須不超過250mm ,只許使用1片非球面，系統(tǒng)必須在波長為0.6328卩m時測試。1. 打開ZEMAX件，點擊新建，以抹去打開時默認(rèn)顯示的上一個設(shè)計結(jié)果，同時新開 一個新的空白透鏡。2. 在像平面前插入 4個面，輸入相關(guān)各面的厚度、曲率半徑和玻璃類型值，

14、如下表所示：'Utr r 噸LR Tvt*Prtd L '-FT5 i二r 廣冃：b左diLlf LlJkItifilii - /3 TO占二mnasraiVitini-y 710,0002Inf i.n£ty V2SQ .OOD占二an已rtfjinftniL輩5.000HK7Inf ini'/10.OODParixial25,0002：兀Ci 1:nfini r3. 在主菜單-系統(tǒng)里分別設(shè)置入瞳直徑為100,波長為1.053微米。4. 從主菜單-編輯-優(yōu)化函數(shù)構(gòu)建一個優(yōu)化函數(shù)，在第一行將操作數(shù)類型改為REA丫為surf 輸入 5，為 Py輸入 1.00，t

15、arget 輸入 10，weight 輸入 1。再選reset ,將“開始在”的值改為2,OPD圖，分析此時的像質(zhì)。 再次優(yōu)化后，重新生成OPD圖，分析5. 從評價函數(shù)編輯窗中選工具-默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)。 確定。6. 從主菜單-工具中選擇優(yōu)化，優(yōu)化完成后生成7. 將第一面的圓錐系數(shù)（conic ）列設(shè)為變量。此時的像質(zhì)。8. 將三個曲率和圓錐系數(shù)的變量狀態(tài)去掉。（建議此時存檔一次）9. 從主菜單-系統(tǒng)中重新配置光波長，將之前的1.053改為0.6328，確定后再次更新OPD圖，分析此時的像質(zhì)。10. 將第二面的厚度250mn設(shè)為可變，然后工具-優(yōu)化后，重新生成 OPD圖。此時去掉 第二面的可變狀態(tài)。

16、11. 從主菜單 - 編輯中調(diào)出多重結(jié)構(gòu)編輯窗，在這個窗口的編輯菜單中選“插入結(jié)構(gòu)”來插入一個新的結(jié)構(gòu)配置，雙擊第一行的第一列，從下拉框（操作數(shù)）中選wave，在同樣的對話框里為 wavelength# 選擇 1 ，確定。在 config1 下輸入 1.053 ，在 config2 下輸入 0.6328 。12. 按 Insert 為多重結(jié)構(gòu)編輯器加入新的一行，在新的第“1”行的第一列雙擊，然后選 THIC 為操作數(shù)類型。從 surface 列選 2，確定。在 config1 下輸入 250，在 config2 下輸入 250。將 config2 下的第二面的厚度設(shè)為變量。13. 回到優(yōu)化函數(shù)

17、編輯器。選工具 -默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)，在顯示的對話框中將“開始在”的 值改為 1，確定。14. 在結(jié)構(gòu)配置1的第一個OPDX亍之前插入新的一行，將新加的這一行的操作數(shù)類型 改為REAY為surf輸入5，Py輸入1，target輸入10.結(jié)構(gòu)配置2中不需要更改。15. 回到LDE將第1、2和4面的曲率半徑以及第 1面的conic設(shè)為變量。重新工具-優(yōu)化。16. 此時若雙擊多重結(jié)構(gòu)的config1列頭，更新 OPD圖，得到關(guān)于1.053波長的OPD 圖；若雙擊config2列頭，則得到0.6328波長的OPD圖，分析像質(zhì)?？旖萱Ictrl+A 可用來 在這兩個配置之間快速切換。17. 存盤后生成報告。四

18、實驗儀器PC機實驗六 基于ZEMAX勺折疊反射鏡面和坐標(biāo)斷點設(shè)計實驗?zāi)康母钊肷讓W(xué)習(xí)理解坐標(biāo)斷點和反射鏡面勺應(yīng)用。二實驗要求1更深入勺理解坐標(biāo)斷點；2. 掌握傾斜和偏心系統(tǒng)設(shè)立勺符號約定；3. 更深入了解反射鏡面勺應(yīng)用。三實驗內(nèi)容1. 打開ZEMA漱件，點擊新建，以抹去打開時默認(rèn)顯示的上一個設(shè)計結(jié)果，同時新開 一個新的空白透鏡。2. 在LDE的第一面即STO面的表面類型列上雙擊，從下拉菜單里選Paraxial，將STO面類型改為近軸鏡片。STO的厚度設(shè)為100，這是近軸鏡片的缺省焦距。3. 在系統(tǒng) -通用配置中將入瞳直徑設(shè)為 20.4. 生成3D草圖，觀察其光路和成像效果。6.7. 雙擊第 型

19、，設(shè) 入 45.5. 在IMA面前插入3個新面，將第1面（STOW）的厚度改為30,在第3面的玻璃列 輸入MIRROR第4面厚度改為-70.更新3D草圖，對比觀察其光路和成像效果。分別雙擊第 2、4面的表面類型列，將這些面改為坐標(biāo)斷點（coordinate break ）。列里輸4面的Parameter3列（即Tilt about X列），在下拉列表中選擇 Pickup作為求解類 From Surface 為 2， Scales Factor 為 1，確定。在第 2 面的 Tilt about x8. 更新全部內(nèi)容后，重新生成 3D 草圖，對比觀察其光路和成像效果。9. 在IMA面前再插入3個

20、新面，將第4面的厚度從-70改為-30，第6面的玻璃改為MIRROR第7面的厚度改為40,再將第5第7面的表面類型改為坐標(biāo)斷點，在第5面對X軸的傾斜中輸入 -45 ，在第 7 面的 Tilt about x 上雙擊，選擇對其 Pickup 求解，求解是從 第 5 面得到,比例因子為 1.10. 更新 3D 草圖,對比觀察其光路和成像效果。11. 存盤生成報告。四 實驗儀器PC機實驗七 基于 ZEMAX 的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計實驗?zāi)康膶W(xué)會自主地在多重結(jié)構(gòu)中將復(fù)雜嵌構(gòu)式的望遠(yuǎn)鏡物鏡進行優(yōu)化設(shè)計并實現(xiàn)成像的轉(zhuǎn) 向。二實驗要求1. 總結(jié)之前學(xué)過的像質(zhì)評價和優(yōu)化方法，自主的設(shè)計并優(yōu)化本次實驗的整個系統(tǒng)；2.