ZEMAX实验(一)

实验（一）ZEMAX基本操作和单透镜设计及优化

一、实验目的

学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。设计一个单透镜并对其进行优化。

二、实验要求

1、掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。

2、掌握ZEMAX软件的用户界面。

3、学会使用ZEMAX的帮助系统，执行简单光学最佳化。

三、实验内容

1.设计目标：

用F/4单透镜，要求在轴上可见光范围内，focal length为100mm,用BK7镜片来做。

2.设计步骤

1. 打开ZEMAX软件，调处lens data editor（LDE）。

2. 在主选单system下，选中wavelengths，第一列键入0.486 ，以microns 为单位，

第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength （主波长）上点在0.486 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。

3. 从system menu上选general data，在aper value 上键入25，而aperture type 被default

为Entrance Pupil diameter. 也就是说，entrance pupil 的大小就是aperture 的大小.

4. 回到LDE，在STO 后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ 为0，STO 为1，

而IMA为3。

5.输入镜片的材料为BK7. 在STO列中的glass 栏上，直接打上BK7 即可.又孔径

的大小为25mm ，则第一面镜合理的thickness 为4mm ，也是直接键入。再来决定第1及第2面镜的曲率半径在此分别选为100及-100 ，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负值。而再令第2面镜的thickness为100mm。

6. 检验及优化：选analysis中的fans，其中的Ray Aberration，将会把transverse （横

向的）的rayaberration（光线像差）对pupil coordinate （光瞳坐标）作图，如图 1 所示。

7. 优化过程：

a）在surface2 栏中的thickness项上双击把solve type 从fixed 变成Marginal Rayheight ，然后OK. 这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0，即paraxial focus.

再次update ray fan，defocus 不见了，如图2 所示。

b)再次调整surface 1 的radius项从fixed 变成variable，依次把surface 2 的radius及

放弃原先的surface 2 中thickness的Marginal Ray height也变成variable. Merit调用并建构优化函数（Merit Function），在优化后更新全部内容，然后观察各分析图的相应变化。在Merit function editor 第1列中往后插入一列，即显示出第2列，代表surface 2，在此列中的type项上键入EFFL(effective focal length)，同列中的target项键入100，weight项中定为1。跳出Merit function editor，在Tools中选optimization 项，按

Automatic 键，已完成设计最佳化。

8. 分别调用点列图、OPD图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）来观察最优化后的成像质量，最后,设计并优化出来的单透镜的数据表格如图所示，2D图如图所示。

9. 将此设计命名保存，生成报告。

优化前

优化后

四、验结果及分析

单透镜和透镜设计时优化前和优化后各种光学参数有明显的差距，使得所设计的透镜的球差，波相差，离焦等光学参数明显减小，比较符合设计意图，虽然一部分软件原理并不是十分清楚（只是按照规定步骤进行的），但是还是在一定程度上了解和掌握了光学设计软件Zemax的使用方法和主要功能，已基本达到的实验目的。