(整理)光学设计实验指导书.

《现代光学CAD技术》实验指导书指导老师：汪胜辉湖南文理物电学院单透镜的设计(A Singlet)一、实验目的：（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；（2）将知道如何键入光学系统的波长（wavelength)、镜头数据(Lens Data)、光线像差(Ray Aberration)、fan，光程差（OPD)，点列图（spot diagrams )等等。

（3）确定厚度求解方法（thickness solve)和变量（variables)，执行简单光学设计优化。

二、实验环境：（1）、硬件环境：普通PC机（2）、软件环境：ZEMAX软件平台三、实验内容：设计一个相对孔径F/4单镜片，在光轴上可见光谱范围内使用，其焦距（focal length）为100mm，全视场2ω为8º用冕牌BK7来作镜片。

四、实验步骤：首先，运行ZEMAX。

ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑(LDE)，可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸，以适应你自己的喜好。

LDE有多行和多列组成，类似于电子表格，曲率半径(radius)、厚度(thickness)、玻璃(class)和半径口径(Aperture)等列使用最多，其他的则在特定类型的光学系统中才会用到。

LDE中的小格会以“反白”方式高亮显示，即以与其它格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。

这个反白条表示的是光标，可以用鼠标在格子上点击来操作。

然后，系统参数设置。

开始，输入系统波长，这个不一定先完成，只不过现在我们选定了这一步。

在主屏幕菜单条上，选择“系统(system)”菜单下的“波长（Wavelength)”。

屏幕中间会弹出一个“波长（Wavelength Data)”对话框。

ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供选择。

用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个输入波长使总数成为三。

现在，第一个“波长”行中输入486，这是氢F谱线的波长，单位为微米。

ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。

现在，第二行波长列中输入0.587，最后在第三行输入0.656，这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作。

这个指示器指出了主要的波长（primary wavelength），当前为0.486微米。

在主波长的第二行上单击，指示器下移到0.587的位置。

主波长用来计算近轴参数, 主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。

“权重（weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸。

现在让所有的权为1.0，单击OK保存所做的改变，然后推出波长数据对话框。

现在我们定义镜片的一个口径。

这可以使ZEMAX在处理其他的事情上，知道每个镜片该被定义多大。

我们设计一个F/4的透镜，需要一个25mm的孔径（100mm的焦距，相对孔径F/4）。

设置这个孔径值，选择“系统(system)”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aper Value）”一格，输入25，孔径类型选择“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可以选择其它类型的孔径设置。

ZEMAX 模型光学系统使用一系列的表面，每一个表面有一个曲率半径和玻璃。

在LDE中显示有三个面。

物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO表示；像面，以IMA表示。

对我们来说，单透镜一共四个面：物平面、前镜面（光阑面）、后表面和像面。

要插入第四个表面，只需将光标移动像平面的“无限（Infinity）之上，按INSERT键。

这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面下移，新面被标为第2面。

注意物体所在面为第0面，然后才是第1、第2、第3面。

现在输入使用的玻璃。

移动光标到第一个面的“玻璃（Glass）”列，即在左边标作STO 的面。

输入“BK7”回车。

ZEMAX有一个非常广泛的玻璃目录可用，我们所用的仅仅是BK7，ZEMAX会去查找所选定的玻璃并计算每一波长的色散系数等数据。

由于透镜的孔径是25mm，合理的镜片厚度是4mm。

移动光标到第1个面的厚度列，并输入“4”，缺省单位是毫米。

现在，需要为镜片输入每一面的曲率半径值，前面和后面的半径分别是100和-100。

在第1和2面中分别输入这些值。

在这里注意符号约定。

在镜片焦点处设置像平面的位置，所以要输入一个100的值，作为第2面的厚度。

如何判断镜片是否好呢？最有用的判断工具是光学特性曲线图。

要产生一幅光学特性曲线图，先选择“分析（Analysis）”菜单，然后选择“图（Fan）”菜单，在选择“光线像差（Ray Aberration）”将会看到光学特性曲线图在一个小窗口显示出来。

其中ray aberration是以chief ray为参考点计算的。

纵轴为EY的，即是在Y方个的aberration，称作tangential或者YZ plane。

同理X方向的aberration称为XZ plane或sagittal。

光线特性图如图E1-1所示。

图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差（指的是以主光线为基准）。

左边的图形Y方向的像差，右图为XZ面上的像差。

此光学特性曲线表示出了一个明显的设计错误，光学特性曲线通过原点的倾斜表示有离焦现象存在。

E1-1为了纠正离焦，在镜片的后面的Solve来进行。

为了将像面设置在近轴焦点上，在第2面的厚度上双击，弹出SOLVE对话框，它只简单显示“固定（Fixed）”。

在下拉框上单击，将SOLVE类型改变为“边缘光线（Marginal Ray Height）”，然后单击OK。

用这样的求解办法将会调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。

注意第2面的厚度会自动调整到约为96mm。

现在，更新光学特性曲线图看其变化，如图E1-2所示，离焦已消失，主要的像差是球差。

现在是否最佳设计呢？E1-2下面要用优化来完成本设计的工作。

首先，设一些变量，然后设置设计要求（目标Targets）或操作数（Operands）。

有三个变量是镜片的前、后曲率和第二面的厚度，这些变量可以用离焦补偿球差。

将光标移到第一面的半径列，双击，得到一下拉的选择列，其中包括变量状态，注意：“V”表示一个可变的变量。

再在第2面半径及厚度上设置变化的标志。

第2面的厚度变化时，它的值会覆盖先前用求解定出的值。

现在给镜片定义以“评价函数（Merit Function）”。

一个理想的镜头它的评价函数的值为0。

从主菜单中选择“编辑（Editors）”菜单下的“评价函数”，会出现一个表格。

从这个新的窗口的菜单条上，选择“工具（Tools）”菜单下的“缺省评价函数”。

再在出现的对话框中，点击Reset，然后OK，ZEMAX就会建立一个合理的缺省评价函数。

它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追迹光线组成，但这不够，因为除了使弥散斑尺寸最小外，还需要是镜头的焦距为100mm。

在第一行中的任何一处单击鼠标，使光标移动到评价函数编辑的第一行，按下INSERT 键插入新的一行。

现在，在“TYPE”列下，输入“EFFL”然后按回车。

此操作数控制有效焦距。

移动光标到“Target”列，输入“100”然后按回车。

其“权重（Weight）”输入一个值：1。

这就完成了评价函数的定义，可以在窗口的左上角双击，评价函数编辑器从屏幕中移走评价函数不会丢失，ZEMAX会自动将它保存。

现在主菜单条中选择“工具”菜单下的“最佳优化（Optimization）”，会显示最优化工具对话框。

在复选框中选择自动更新，然后单击“自动（Automatic）”。

ZEMAX会很快减少评价函数。

单击“退出”关闭最优化对话框。

最佳化的结果是使镜片弯曲。

结果所得出的镜片曲率使焦距大致为100mm，并且使这个简单的系统具有了一个尽可能小的RMS波前差。

因为EFFL限制是一个被看做与其他的像差一样的“权重”指标。

现在分析一下光学特性曲线图研究计算结果，最佳化的设计结果的最大的像差为200微米，如图E1-3所示。

E1-3衡量光学性能的另一个方法是产生一个点列图。

选择“分析”菜单下的“点列图”选项，然后选其中的“标准（Standard）”,点列图将会显示在另一个窗口中。

此点列图的弥散大小是400微米。

作为比较，艾利衍射斑的大小粗略约为6微米。

另一个有用的判断工具光程差OPD图。

这是以光瞳坐标为函数的分布图，选择“分析”菜单下的“图（Fan）”再选择“光程（Optical Path）”。

如图E1-4所示。

这个系统大约有20个波长波像差，大部分为焦面上的球差、色球差和轴上色差。

E1-4从光线图中，明显看出，色差是其主要像差。

ZEMAX为一阶色差的大小提供了另一种简便的工具：多色光焦点漂移图。

这种图形把焦距作为一种波长的函数，它指出了近轴焦点的变化。

选择“分析”菜单中的“多方面（Miscella-neous）”，然后再选“多色光焦点漂移0图（Chromatic Focal Shift）”。

如图E1-5所示，注意纵坐标表示波长范围，覆盖定义的波长段，焦距的最大变化范围约为1540微米。

对于但透镜镜片来说，其曲线的单调变化类型是很典型的。

为了修正一阶多色差，要求更换另一种玻璃材料。

这就是实验二要解决的问题。

E1-5思考题：结合附录的常见专业英文词汇，认真熟悉ZEMAX软件？实验二双胶合透镜的设计(A Doublet)一、实验目的：（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；（2）将知道如何产生图层、视场曲率图、定义视场角等等。

（3）用离焦来平衡球差的方法和定义边缘厚度求解。

二、实验环境：（1）、硬件环境：普通PC机（2）、软件环境：ZEMAX软件平台三、实验内容：设计一个相对孔径F/4双交合透镜镜片，在光轴上可见光谱范围内使用，其焦距（focal length）为100mm，全视场2ω为10º用冕牌BK7和火石玻璃SF1来作镜片。

四、实验步骤：一个双透镜包括两片玻璃，通常（但不一定）是胶合的，因此它们有一个共同的曲率，通过使用两片具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被矫正。

也就是说，我们需要得到抛物线形的多色光焦点漂移图，而不是直线的。

这反过来会产生较好的像质。

现在，我们保持先前100mm焦距和在轴上的设计要求，下面将会加入视场角。

如何选择这两片玻璃需要一些技巧，参考Smith的《现代光学工程学（Modem Optical Engineening）》里有关的例子。

由于此例的目的是教你如何使用ZEMAX，而不是设计镜片，这里只建议选择BK7和SF1这两种玻璃。