練習(1~7)ZEMAX實驗指導書

1、實驗一 光學設計軟件ZEMAX的安裝和基本操作一、 實驗目的學習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。二、 實驗要求1、 掌握ZEMAX軟件的安裝、啟動與退出的方法。2、 掌握ZEMAX軟件的用戶界面。3、 掌握ZEMAX軟件的基本使用方法。4、 學會使用ZEMAX的幫助系統(tǒng)。三、 實驗內容1通過桌面快捷圖標或“開始程序”菜單運行ZEMAX，熟悉ZEMAX的初始用戶界面，如下圖所示： 圖：ZEMAX用戶界面2瀏覽各個菜單項的內容，熟悉各常用功能、操作所在菜單，了解各常用菜單的作用。3學會從主菜單的編輯菜單下調出各種常見編輯窗口。4調用ZEMAX自帶的例子（根目錄

2、下Samples文件夾），學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）、點列圖、調制傳遞函數(shù)等，學會由這些圖進行簡單的成像質量分析。 5從主菜單中調用優(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用幫助文件，學會查找相關幫助信息。 四、 實驗儀器PC機實驗二 基于ZEMAX的簡單透鏡的優(yōu)化設計一 實驗目的學會用ZEMAX對簡單單透鏡和雙透鏡進行設計優(yōu)化。二 實驗要求1. 掌握新建透鏡、插入新透鏡的方法；2

3、. 學會輸入波長和鏡片數(shù)據(jù)；3. 學會生成光線像差（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；4. 學會確定鏡片厚度求解方法和變量，學會定義邊緣厚度解和視場角，進行簡單的優(yōu)化。三 實驗內容 （一）. 用BK7玻璃設計一個焦距為100mm的F/4單透鏡，要求在軸上可見光范圍內。 1. 打開ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去打開時默認顯示的上一個設計結果，同時新建一個新的空白透鏡。 2. 在主菜單-系統(tǒng)-光波長彈出的對話框中輸入3個覆蓋可見光波段的波長，設定主波長。同樣在系統(tǒng)-通用配置里設置入瞳直徑值。 3. 在光闌面的G

4、lass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變化。7. 利用主菜單-工具-優(yōu)化-優(yōu)化來對設計進行優(yōu)化，更新后觀察各分析圖的相應變化。8. 調用并建構優(yōu)化函數(shù)（Merit Function），在優(yōu)化后更新全部內容，然后觀察各分析圖的相應變化。9. 分別調用點列圖、OPD圖以及焦點色位移圖（主菜單-分析-雜項）來觀察最優(yōu)化后的成像質量。10. 將此設計起名

5、保存，生成報告。 （二）. 以前一個實驗內容設計優(yōu)化后的單透鏡為基礎，添加一塊材料為SF1玻璃的透鏡來構建雙透鏡系統(tǒng)，進一步優(yōu)化成像質量。1. 插入新的平面作為第二塊透鏡的出射面，輸入相關鏡面的厚度、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變化，并分別對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）的相應變化，觀察雙透鏡此時的成像質量。4. 利用利用Solve功能來求解鏡片邊緣厚度，更新后更新后觀察各分析圖的相應變化。5.

6、 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的牛頓望遠鏡的優(yōu)化設計一實驗目的 學會使用ZEMAX軟件對典型牛頓望遠鏡進行優(yōu)化設計。二 實驗要求1. 掌握設立反射鏡、使坐標中斷的方法；2. 學會使用圓錐常量來優(yōu)化成像質量；3. 學習點列圖和3D圖形分析像質的簡單方法。三 實驗內容 利用ZEMAX軟件來設計一個1000mm F/5的牛頓望遠鏡，即一個曲率半徑為2000mm的鏡面和一個200mm的孔徑。1. 打開ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去打開時默認顯示的上一個設計結果，同時新建一個新的空白透鏡。2. 在LDE（透鏡

7、數(shù)據(jù)編輯器）中輸入相關平面的曲率半徑、厚度和玻璃類型值。3. 在主菜單-系統(tǒng)中設置孔徑值，并沿用默認的波長和視場角值。4. 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量。5. 生成標準點列圖，并與艾利斑對比來進行像質的簡單分析。6. 在像平面前插入一個新的虛構面（未來放置反射鏡），合理設置中斷的坐標值以獲得光闌面和虛構面的厚度，將兩個厚度輸入LDE中的相應位置。7. 從主菜單-工具-折疊反射鏡里添加一個反射鏡，設置交疊曲面為2，確定。8. 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。通過相應按鍵操作旋轉縮放3D類的分析圖來觀察成像質量。

8、9. 在光闌面（STO）前新添加一個圓形擋光面，設置合理的面厚度和擋光半徑。10. 更新后重新觀察此時的3D類分析圖，觀察此時的成像質量和效果。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)化設計一 實驗目的學會使用ZEMAX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)化設計。二 實驗要求 1. 掌握使用多項式的非球面的方法； 2. 掌握遮攔、孔徑的相關知識； 3. 掌握OPD圖和MTF分析像質的簡單方法。三 實驗內容 設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英寸的后焦距（從主鏡的后面到焦點）。1. 打開

9、ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去打開時默認顯示的上一個設計結果，同時新建一個新的空白透鏡。2. 從主菜單-系統(tǒng)-通用配置里設置孔徑值和單位（英寸），同樣在系統(tǒng)-光波長里設置覆蓋可見光波段的3個典型波長，設置主波長值。3. 在光闌面后插入兩個面，輸入相應的各面的厚度、曲率半徑和玻璃類型值。4. 生成2D草圖來觀察此時的光路和成像效果。5. 新添加一個輔助鏡面，合理設置各個平面新的厚度、曲率半徑值，并將第四面的曲率半徑設為變量，讓ZEMAX自動求解。6. 構建新的優(yōu)化函數(shù)，在優(yōu)化后更新全部內容。7. 生成OPD圖，分析成像質量。8. 將第一面（STO）的表面類型改為“EVEN ASPHERE”以便

10、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，分析此時的成像質量。10. 將第一面的半徑設為變量，再次優(yōu)化，更新后生成OPD圖，分析此時的成像質量。11. 從主菜單-系統(tǒng)-視場里將視場角個數(shù)設置為3，輸入適當?shù)膟角度，更新后對比觀察此時的OPD圖。12. 重新構建優(yōu)化函數(shù)對此設計進行進一步的優(yōu)化，更新后再觀察此時的OPD，分析成像質量。13. 從主菜單-分析-調制傳遞函數(shù)-快速傅里葉變換生成MTF圖，由圖分析此時的像質。14. 返回LDE，雙擊第三面的第一列，將Aperture

11、標簽中的光圈類型改為“圓形光圈”，設置最小半徑為1.7，最大半徑為6，完成主反射面上缺口的設計。15. 在第三面前插入一個新的面（此時原來的第三面變位第四面），將新面（即現(xiàn)在的第三面）厚度改為20。將第二面的厚度由60改為40。16. 將第三面的第一列的孔徑類型改為圓形擋光，最大半徑設為2.5。再將第三面的半口徑定為2.5。17. 更新全部內容后重新觀察MTF圖和3D類型的各分析圖，分析此時的成像質量。18. 存盤后生成報告。四 實驗儀器PC機實驗五 基于ZEMAX的激光擴束鏡的優(yōu)化設計一 實驗目的學會使用ZEMAX軟件對多重結構配置的激光束擴大器進行優(yōu)化設計。二 實驗要求 1. 掌握使用多重

12、結構配置； 2. 進一步學習構建優(yōu)化函數(shù)。三 實驗內容設計一個激光擴束器，使用的波長為1.053m，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，設計必須是伽利略式的（沒有內部焦點），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0.6328m時測試。1. 打開ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去打開時默認顯示的上一個設計結果，同時新開一個新的空白透鏡。2. 在像平面前插入4個面，輸入相關各面的厚度、曲率半徑和玻璃類型值，如下表所示：3在主菜單-系統(tǒng)里分別設置入瞳直徑為100，波長為1.053微米。4. 從主菜單-編輯

13、-優(yōu)化函數(shù)構建一個優(yōu)化函數(shù)，在第一行將操作數(shù)類型改為REAY，為surf輸入5，為Py輸入1.00，target輸入10，weight輸入1。5. 從評價函數(shù)編輯窗中選工具-默認優(yōu)化函數(shù)。再選reset，將“開始在”的值改為2，確定。6. 從主菜單-工具中選擇優(yōu)化，優(yōu)化完成后生成OPD圖，分析此時的像質。7. 將第一面的圓錐系數(shù)（conic）列設為變量。再次優(yōu)化后，重新生成OPD圖，分析此時的像質。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。10. 將第二面的厚度

14、250mm設為可變，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)。11. 從主菜單-編輯中調出多重結構編輯窗，在這個窗口的編輯菜單中選“插入結構”來插入一個新的結構配置，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為多重結構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為變

15、量。13. 回到優(yōu)化函數(shù)編輯器。選工具-默認優(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. 在結構配置1的第一個OPDX行之前插入新的一行，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.結構配置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設為變量。重新工具-優(yōu)化。16此時若雙擊多重結構的config1列頭，更新OPD圖，得到關于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。快捷鍵ctrl+A可用來在這兩個配置之間快速切換。17. 存盤后生成報告

16、。四 實驗儀器PC機實驗六 基于ZEMAX的折疊反射鏡面和坐標斷點設計一 實驗目的 更深入的學習理解坐標斷點和反射鏡面的應用。二實驗要求1更深入的理解坐標斷點；2. 掌握傾斜和偏心系統(tǒng)設立的符號約定；3. 更深入了解反射鏡面的應用。三實驗內容 1. 打開ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去打開時默認顯示的上一個設計結果，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為20.4. 生成3D草圖，觀察其光路和成像效果。5. 在IMA面前插入3個新面，將第1面（STO面）的厚度改為30，在第3面的玻璃列輸入MIRROR，第4面厚度改為-70.6. 更新3D草圖，對比觀察其光路和成像效果。7. 分別雙擊第2、4面的表面類型列，將這些面改為坐標斷點（coordinate break）。雙擊第4面的Parameter3列（即Tilt about X列），在下拉列表中選擇Pickup作為求解類型，設From Surface為2，Scales Factor為1，確定。在第2面的Tilt about