ZEMAX实验报告

ZEMAX实验——双胶合镜头（a doublet）

摘要

一个双胶合镜头是由两片玻璃组成，通常粘在一起，所以他们有相同的曲率。利用不同玻璃的色散性质，一阶色差可以被矫正。也就是说，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。在保持100mm焦距和在轴上的设计要下，将会加入视场角。同时定义边缘厚度解，使产生图层和视场曲率图，并分析双胶合镜头的出光效果。

关键词：ZEMAX光学设计；双胶合镜头；成像分析

目录

1 引言...................................................... II

2 实验目的.................................. 错误！未定义书签。

3 实验原理分析 (2)

4 实验步骤 (3)

5 实验结果.................................. 错误！未定义书签。

1 引言

ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是一套可以运算sequential及Non-Sequential的软件。ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是ZEMAX的CAD转文件程序都是双向的，如IGES、STEP、SAT 等格式都可转入及转出。而且 ZEMAX可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。

ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX 功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。ZEMAX 的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。ZEMAX 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使 ZEMAX 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。

在此次试验中将研究双胶合镜头出光效果。首先要熟悉ZEMAX光学设计软件以及操作流程。再通过分析课题：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。学会如何使用ZEMAX光学设计软件产生图层和视场曲率图，以及定义边缘厚度解和视场角等。

1、学习如何启用Zemax。

2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data）。

3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，

点列图（spot diagrams），MTF等并分析其优劣。

4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables）。

5、学习如何进行优化设计（optimization）。

6、学习如何画出layouts和field curvature plots的图形。

7、学习如何定义edge thickness solves,视场角（field angles）等。

实验仪器：微机、ZEMAX光学设计软件。

3 实验原理分析

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。而一个双胶合镜头doublet是由两片玻璃组成，通常粘在一起，所以他们有相同的曲率curvature。利用不同玻璃的色散性质dispersion，色差the chromatic aberration可以矫正到first order，所以剩下的chromatic aberration主要的贡献为second order，于是我们可以期待在看chromatic focal shift plot图时，应该呈现出抛物线parabolic curve的曲线而非一条直线，此乃second order effect的结果（当然其中variation的scale跟first order比起来必然小很多，应该下降一个order）。也就是说，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，我们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（Modern Optical Engineering）》里有关的例子。由此次实验可学会如何使用ZEMAX光学设计软件，进而能够学会如何设计镜片。我们这里只建议选择BK7和SF1这两玻璃。如果需要其他的玻璃，可以依实验的需要设置玻璃的光学性质（包括折射率n以及阿贝常数ab等）。其次是设置波长、孔径等。然后按照实验步骤依次操作即可。

1、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。LDE是工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。选用BK7和SF1两种镜片，wavelength和aperture 如同实验一所设，既然是doublet，只要在实验一的LDE上再加入一面镜片即可。所以调出实验一的LDE，在STO后再插入一个镜片，表示为2，或者也可以在STO 前在插入一面镜片标示为1，然后在该镜片上的surface type上用鼠标按一下，然后选择Make Surface Stop，则此第一面镜就变成STO的位置。在第一、第二面镜片上的Glass栏分别键入BK7和SF1。

2、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns 为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三行键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587的位置，primary wavelength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。

3、现在把STO和第二面镜的thickness都fixed为3，仅第3面镜的thickness 为100且设为variable，如图所示。

4、既然要优化，还要设merit function，注意此时EFFL需设在第三面镜上，因为第3面镜是光线在成像前穿过的最后一面镜，又EFFL是以光学系统上的最后一块镜片上的principle plane的位置起算。其它的merit function设定就一切照旧。我们来定义一个Merit function，什么是Merit function呢？Merit function就是把理想的光学要求规格定为一个标准(如此例中focal length为100mm)，然后Zemax会连续调整输入solves中的各种variable, 把计算得的值