光学设计实验一

实验报告

课程设计 1：单透镜

一.实验目的

学习开始 ZEMAX，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（ray fan），光

程差曲线（OPD）,和点列图（Spot diagram），确定厚度求解方法和变量，进行简单的优化。

二.透镜结构性能分析

1）F/4的镜片，焦距为100mm；

2）视场角为0︒；

3）厚度为3mm；

4）工作波长在可见光谱范围内用；

5）镜片材料BK7 玻璃；

三.实验步骤

1．运行 ZEMAX，ZEMAX 主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）。你可以对 LDE 窗口进行移动或重新调整尺寸。LDE 由多行和多列组成，类似于电子表格。半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。

2．在主屏幕菜单条上，选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。

屏幕中间会弹出一个“波长数据（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你选择。用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。现在，在第一个“波长”行中输入 486，这是氢（Hydrogen）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，在第二行的波长列中输入587，最后在第三行输入 656。这就是 ZEMAX 中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长，当前为 486 微米。在主波长指示器的第二行上单击，指示器下移到 587 的位置。主波长用来计算近轴参数，如焦距，放大率等等。ZEMAX 一般使用微米作为波长的单位“权重（Weight）”

这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如 RMS 点尺寸和 STREHL率。现在让所有的权为 1.0，单击 OK保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。

现在我们需要为镜片定义一个孔径。这可以使 ZEMAX 在处理其他的事情上，知道每一个镜片该被定为多大。

3．系统参数设置：

a.相对孔径：F/#是相对孔径的倒数即为4（system一general）

b.视场角：视场角调为0（system一field）

c.相对波长：在可见光的范围内（system一wavelength）

由于我们需要一个 F/4 镜头，我们需要一个 25mm 的孔径（100mm 的焦距除F/4）。设置这个孔径值，选择“系统”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，输入一个值：25。注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可选择其他类型的孔径设置。除此之外，还要加入一些重要的表面数据。ZEMAX 模型光学系统使用一系列的表面，每一个面有一个曲率半径，厚度（到下一个面的轴上距离），和玻璃。一些表面也可有其他的数据，

我们以后将会讨论到。注意在 LDE 中显示的有三个面。物平面，在左边以 OBJ 表示；光阑面，以 STO 表示；还有像平面，以 IMA 表示。

4.结构参数（或镜头参数）设置

对于我们的单透镜来说，我们共需要四个面：物平面（OBJ），前镜面（同时也是光阑面）（STO），后镜面（2），和像平面（IMA）。

当插入第四个面，只需移动光标到像平面（最后一个面）的“无穷Infinity）”

之上，按 INSERT 键。这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面往下移。

新的面被标为第 2 面。注意物体所在面为第 0 面，然后才是第 1（标上 STO 是因为它是光阑面）。

a.曲率半径：现在，我们需要为镜片输入每一面的曲率半径值。让我们设想

一下，前面和后面的半径分别是 100 和-100，在第 1（STO）和 2 面中分别输入这些值。符号约定为：如果曲率中心在镜片的右边为正，在左边为负。

这些符号（+100，-100）会产生一个等凸的镜片。我们还需要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。

b.材料设置：在STO输入所要使用的玻璃。移动光标到第一面的“玻璃

（Glass）”列,输入“BK7”并敲回车键。

c.厚度设置：孔径D是 25mm，合理的镜片厚度是 3mm。移动光标到第 1 面

STO输入“3”(单位是毫米)。其他的单位（分米，英寸，和米）也可以。如下图所示：

点击lay out即：

四．优化方案：

分析：怎样才能知道这个镜片是否好？也许在镜片设计中，最有用的判断工具是光线特性曲线图。要产生一幅光线特性曲线图。

优化方法：将曲率半径设为变量，权重为1，厚度设为Marginal Ray Heigh，在评价函数在“TYPE”列下，输入“EFFL”然后按回车。然后选择“工

具”（Tools）菜单下的“最佳化（Optimization）”会显示最佳化工

具对话框。

如图所示：

五．优化后的光学系统

如图所示：

：

六优化后光学系

统的像差分析

1.观察光线特

性曲线图。从

光线特性曲

线窗口菜单，

单击“更新（Update）”（

窗口任何地方双击也可更新），其光线特性曲线图。现在，离焦已消失，主要的像差是球差。单透镜校正不了色差。

2.“评价函数（Merit Function）”：评价函数就象是高尔夫球赛的得分，分数越低越好，理想为0。

3.对于点列图，优化后的系统弥散斑越来越小。

4.对于wavefront Map图，像差从42.2减小到3.5。

5.对于多色光焦点漂移图，纵坐标表示波长范围，覆盖了所定义的波长段，焦距的最大变化范围约为1522微米。对于单透镜镜片来说，其曲线的单调变化类型是很典型的。