实验四 基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计
【精品】用Zemax进行优化设计
目录摘要 .................................................. 错误!未指定书签。
ABSTRACT .............................................. 错误!未指定书签。
引言 .................................................. 错误!未指定书签。
1光学传递函数和点列图................................. 错误!未指定书签。
1.1光学传递函数..................................... 错误!未指定书签。
1.1。
1利用MTF曲线来评价成像质量............... 错误!未指定书签。
1.1。
2利用MTF曲线的积分值来评价成像质量....... 错误!未指定书签。
1.2点列图........................................... 错误!未指定书签。
2像差综述............................................. 错误!未指定书签。
2。
1轴上点球差...................................... 错误!未指定书签。
2.1.1球差的定义和表示方法...................... 错误!未指定书签。
2.1。
2球差的校正............................... 错误!未指定书签。
2。
2像散与像面弯曲（场曲）.......................... 错误!未指定书签。
2.2。
1像散..................................... 错误!未指定书签。
2.2.2场曲...................................... 错误!未指定书签。
实验四 基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计
实验四 基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计一．实验目的学会使用ZEMAX软件对典型牛顿望远镜进行优化设计。
二．实验要求1.掌握设立反射镜、使坐标中断的方法；2.学会使用圆锥系数来优化成像质量；3.学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。
三．实验原理1.牛顿望远镜基本结构：抛物面主反射镜+与光轴成45度的平面反射镜构成，是一种全反射式的望远镜物镜；2.对于球面凹面镜成像，有F=R/2的关系；3.圆锥系数（conic系数）：见于LDE窗口中每一行的第7列（Conic），这个系数是描述该行所代表的面的曲面函数中的非球面二次曲面系数，决定了该行代表的面的形状，典型值对应的面形状如下：Conic=0 球面；-1<Conic<0 主轴在光轴上的椭球面；Conic=-1 抛物面；Conic<-1 双曲面。
4.ZEMAX中关于在光路中新添加折叠反射镜仿真实现的步骤：定位置：：在所需要放置反射镜的位置添加一个虚构面（空面），由反射镜要（1） 定位置放置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；（2） 添加反射镜：从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置相关合适的参数。
5.鬼像与挡光板：（1） 鬼像：成像系统中一些非设计中的反射光线最终沿着非期望的路径达到像面后，会形成鬼像，影响成像质量。
（2） 为了尽可能消除鬼像的影响，对于那些位于光路范围内的中间器件（尤其是口径小于主光路口径的），例如本例中的平面反射镜，一般需要在其前面加一块挡光板，消除这些器件对光线不需要的反射。
挡光板的口径通常要比被挡元件的口径稍大。
（3） ZEMAX中挡光板的具体实现步骤：定位置：：在所需要放置挡光板的位置添加一个虚构面（空面），由其要放a.定位置置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；设置参数：：将面型surf：type双击后的Aperture中的光圈类型从noneb.设置参数改为所需要的挡光类型（如圆形挡光），设置合理的挡光半径值，以略大于被挡元件半径为宜。
光学设计实验望远镜系统设计实验
光学设计实验报告——望远镜系统设计**：***学号：B********班级：B090103目录一、ZEMAX仿真二、设计优化三、数据比较和优化后参数四、公差分析五、光学系统图六、设计心得体会一ZEMAX仿真一、本次设计要求如下：1.焦距为100mm；2.光源为无穷远处;3.像空间F/﹟=4，相对孔径1/44.前一块玻璃为BAK1,后一块玻璃为F25.全视场角为8度先打开ZEMAX软件，根据设计要求修改系统设定,包括系统孔径,镜头单位，视场，和波长。
望远镜物镜要求校正的像差主要是轴向色差、球差、慧差。
根据要求采用的是折射式望远双胶合型（1）修改系统设定。
首先，根据要求的设计参数计算物方孔径EPD。
提供的有效焦距efl为100mm，像空间F/﹟=4。
由公式，得物方孔径EPD约等于25。
在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 通用配置，在弹出的对话框中，选择图象空间F/#，数值选择4。
（2）视场设定。
在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 视场，在弹出的对话框中，视场类型选择角度，并输入三组视场数据，(0,8), (0, 2.8)和 (0,4)。
第三步，波长设定。
在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 波长，在弹出的对话框中，单击选择完成配置，然后单击确定。
系统配置完毕，即可在LDE中输入数据。
选择分析>草图>2D草图，将出现2D草图LAYOUT。
第二部分设计优化从2D草图可以看出，镜头的性能参数并非最优。
选择编辑——》优化函数，反复进行修改权重，直到mtf达到最优。
选择工具 > 优化 > 优化在弹出的窗口中执行最终优化当优化开始时，ZEMAX 首先更新系统的评价函数。
第四部分：数据比较与优化后参数优化后2D草图：第五部分公差分析在菜单栏中点开Tools（工具）选中Tolerancing点OK然后点Editors选中Tolerance Data Editor在页面上点开Tools选中Default Tolerances点OK输入参数进行公差分析后得点开Tools 选中Test Plate Fitting出现对话框选择Best to woest 点OK，第五部分光学系统图第六部分设计心得体会通过光学课程设计，我不但学到了一些以前不懂的知识，而且更进一步学会使用了ZEMAX 常用的光学设计软件，同时，也锻炼了我们在学习新软件的能力，这不但是对新知识的学习，更是对新事物学习和接受能力的锻炼，因此我对此次光电课程设计感触和收获颇深！刚开始，我们对设计的总体思路都没有一个大概的印象，刚得到题目时，我们到图书馆和上网查阅资料，看了以前上试验课时的PPT和一些资料，才对要使用的软件有了较深入的了解，然后对着以前的设计课题，慢慢的探索和练习。
基于ZEMAX的反射式望远物镜设计
第26期2019年9月No.26September ，2019基于ZEMAX 的反射式望远物镜设计张云哲，冯厅，王郭玲（西安文理学院，陕西西安710065）摘要：文章应用ZEMAX 光学软件，设计性能良好反射式望远物镜，总体可以分为两个阶段：第一个阶段是通过对已知参数的计算，确定出系统的尺寸大小。
第二个阶段是把得到的参数输入ZEMAX 中,利用ZEMAX 仿真出系统的光路配置图，通过优化处理，得到R-C 光学系统。
分析模拟出的图形，证实了此次设计的R-C 系统结构合理，成像质量高，并且满足参数要求。
关键词：光学设计；R-C 系统；ZEMAX 中图分类号：O439文献标志码：A 江苏科技信息Jiangsu Science &Technology Information基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目；项目名称：基于光场调控的光子带隙多波混频理论与实验研究；项目编号：18JK1154。
西安市科技计划项目；项目名称：基于铷原子参量放大涡旋光全光开关的研究；项目编号：2017CGWL072017CGWL18。
作者简介：张云哲（1982—），男，陕西西安人，讲师，博士；研究方向：光电子。
1国内外发展现状1608年荷兰眼镜师汉斯·李波尔，无意间发现了通过调整两个透镜之间的距离看到了远方的物体后，受此启发发明出历史上第一架望远镜，从此打开了望远世界的大门［1-2］。
1609年，伽利略利用他自己制造出来的望远镜对行星进行了观看，他看到了许多用肉眼看不到的奇妙景象，这些发现开拓了人们对宇宙的认知［3］。
1668年，牛顿根据光线的反射规律制造出了反射式望远镜，由于反射式望远镜不存在色差，可以很好地消除球差，这一发明使得望远镜不论在理论还是实践又上了一个台阶［4-6］。
1990年，在R-C 光学系统基础上进一步改进的哈勃太空望远镜成功发明，它的出现促进了天文学的进一步发展［7-9］。
之后，经过众多科学家的研究，望远系统发展的越来越精细，也越来越完善。
牛顿望远镜实验报告
实验一、牛顿望远镜1.实验目的学习运用ZEMAX综合性的光学仿真软件，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。
通过ZEMAX软件的仿真应用，对牛顿望远镜的原理进行深层次的了解，并加深对牛顿望远镜使用的熟练度。
2.基本原理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。
牛顿反射望远镜采用抛物面镜作为主镜，光进入镜筒的底端，然后折回开口处的第二反射镜（平面的对角反射镜），再次改变方向进入目镜焦平面。
目镜为便于观察，被安置靠近望远镜镜筒顶部的侧方。
由于光学系统的原理，牛顿望远镜的成像是一个倒像，倒像并不影响天文观测，因此牛顿反射望远镜是天文学使用的最佳选择。
通过正像镜等附加镜头，可以将图像校正过来，但会降低成像质量。
3.系统结构一个1000mm F/5的望远镜，这暗指需要一个曲率半径为2000mm的镜面，和一个200mm的孔径。
光阑面的曲率半径列Radius，输入-2000.0，负号表示为凹面。
现在在同一个面上输入厚度值Thickness-1000，这个负号表示通过镜面折射后，光线将往“后方”传递.“Glass”列输入“MIRROR”,输入一个200的孔径值. ZEMAX使用的缺省值是波长550，视场角0.光源为无穷远处。
4.像质分析该牛顿望远镜系统需要在前面设置一个面挡板，挡住一部分回散的光（该挡板的直径要适宜）。
标准点列图Spot Diagram。
光线密度有一个依据视场数目，规定的波长数目和可利用的内存的最大值。
列在曲线上的每个视场点的GEO点尺寸是参考点（参考点可以是主波长的主光线，所有被追寻的光线的重心。
zemax光学设计例子
在光学设计中，Zemax是一款非常受欢迎的软件，它提供了强大的工具和功能，可以帮助设计师轻松地完成各种光学设计任务。
本文将通过一个具体的例子，向大家展示如何使用Zemax进行光学设计。
一、设计背景我们假设需要设计一款望远镜，需要观察远处的星空。
望远镜的主要性能指标包括放大倍率、像差和亮度。
我们需要通过Zemax软件，找到最佳的光学系统方案，以达到最佳的观察效果。
二、设计步骤1.建立基本光学系统模型：在Zemax中，我们需要建立一个基本的光学系统模型，包括望远镜的主镜和次镜。
可以通过手动输入镜片数据或者使用预设的镜片库来建立模型。
2.调整参数：在Zemax中，我们可以调整各种参数来优化望远镜的性能。
例如，可以通过调整放大倍率和亮度参数来找到最佳的观察效果。
3.检测像差：在调整参数后，我们需要检测望远镜的像差。
Zemax 提供了强大的像差检测功能，可以帮助我们找到镜片上的缺陷和误差。
4.优化镜片：根据检测结果，我们可以对镜片进行优化。
可以通过添加或删除镜片、调整镜片位置和角度等方式来改善望远镜的性能。
5.模拟观察：在完成镜片优化后，我们可以模拟观察望远镜的成像效果。
可以通过调整望远镜的焦距和观察角度来查看不同情况下的成像效果。
6.调整和优化：根据模拟观察结果，我们可以再次调整和优化望远镜的设计。
直到达到满意的观察效果为止。
三、设计结果经过一系列的设计和优化步骤，我们得到了一个满意的光学设计方案。
该方案包括两片反射镜，放大倍率为10倍，像差在可接受范围内，亮度较高。
通过Zemax模拟观察，成像效果清晰、稳定，符合我们的预期。
四、总结通过这个具体的例子，我们展示了如何使用Zemax进行光学设计。
虽然只是一个简单的望远镜设计，但是它涵盖了光学设计的基本步骤和技巧。
在实际应用中，光学设计需要考虑的因素很多，例如环境因素、成本预算、材料选择等。
Zemax提供了丰富的工具和功能，可以帮助设计师轻松应对各种挑战。
15.-4利用ZEMAX像质优化与设计举例
15. 4利用ZEMAX 像质优化与设计举例ZEMAX 提供了十分强大的像质优化功能，可以对合理的初始光学系统结构进行优化设计。
设计中光学结构参变量可以是曲率、厚度、玻璃材料参数、圆锥系数、参数数据、特殊数据和多重结构数值数据。
本节首先，通过消色差双胶合望远镜物镜设计和参数分析，介绍利用ZEMAX 默认评价函数的优化设计过程。
然后，通过光路中有棱镜的望远物镜、显微物镜和目镜设计举例能，介绍像差补偿、几何像差控制等在ZEMAX 中的实现以及锤形( Hammer)优化的简单应用。
最后通过变焦物镜设计介绍ZEMAX 中多重结构设计实现。
15.4.1消色差双胶合望远镜物镜设计消色差双胶合物镜设计要求见表15.131)初始结构参数确定初始结构参数确定通常有两种方法，本设计采用初级像差理论求解初始结构方法。
望远系统一般由物镜、目镜和棱镜式或透镜式转像系统构成。
望远物镜是望远系统的一个组成部分，其光学特性的特点是:相对孔径和视场都不大。
因此，望远物镜设计中，校正的像差较少，一般不校正与像高的二次方以上的各种单色像差(像散、场曲、畸变)和垂轴色差，只校正球差、彗差和轴向色差。
在这三种像差中通常首先校正色差，因为初级色差和透镜形状 无关，校正了色差以后，保持透镜的光焦度不变，再用弯曲透镜的方法校正球差和彗差，对已校正的色差影响很小。
由初级像差理论可知，双胶合透镜成为消色差双胶合透镜的条件是，双胶合透镜的正负光焦度分配应满足下式:12φφφ=+，1112V V V φφ=-，2212V V V φφ=- （15.22）式中:φ、1φ，和2φ分别双胶合物镜、正透镜和负透镜的光焦度(焦距值的倒数)，1V 和2V 为正负透镜所选玻璃的阿贝数V 。
本示例中，正、负透镜的玻璃材料分别选用K9和ZF1，对应的n 1d =1.. 51637 , V 1=64. 07 , n 2d == 1. 64767 ,v 2=33. 87。
实验牛顿反射望远镜的设计
实验 牛顿反射望远镜的设计
一、实验目的
掌握牛顿反射望远镜的设计方法。
二、实验仪器
计算机、ZEMAX 软件
三、实验设计参数要求
C d,F,:gth Wavelen 4: m m 100: m m 800: 全视场入瞳直径焦距
四、实验操作步骤
1、 输入系统参数并建立初始结构。
（1）在通用设置对话框输入视场2°、1.414°、1°、0°；
（2）在通用设置对话框中输入如同致敬100mm ；
（3）在通用设置对话框输入可见光波长。
（4）根据焦距计算曲率半径，旋转反射主镜的conic 系数，建立初始结构，并观察spt 图和RAY FAN 曲线。
2、添加反射镜副镜和遮拦孔径
（1）选一较为合适的距离（接近并小于800mm ），设像面和反射镜中心距离100mm ，先在镜头编辑窗口（LDE ）栏中插入一个新的虚拟面。
将厚度分为-700和-100.
（2）将第2个面（虚拟面）设置为反射镜：Tools→Fold Mirror →Add Fold Mirror
(3)我们将入射光束画出来就可以看到拦光效果，在第一面前插入新的虚拟面，设置厚度为800.并查看结构光路图。
通过快捷方式调整3D视图的观察角度。
从上图坐标可以估算出椭圆挡光区域大小，所以可以在第一个表面设置椭圆遮光孔径。
并观察遮拦前后的MTF曲线图，修改后的低于修改前的。
3、可以通过观察光足迹，进一步修正遮光面的面积，是MTF曲线提高一些。
（1）估算挡光面积并进行挡光孔径的设置
（2）观察修改孔径光阑后的SPT图和MTF图。
牛顿式反射望远镜实验报告
三、实验器材
pc机一台
zemax软件
zemax manual一册
四、实验步骤（实验一）
1、运行zemax；
2、输入数据：移动光标到第一面，即光阑面的曲率半径列，输入-2000.0。现在在同一个面上输入厚度值-1000.0。光线将往“后方”传递。现在在同一面的“glass”列输入“mirror”，选择“system”，“general”，然后在“通用数据对话框”中输入一个200的孔径值，点击ok。现在打开一个图层窗口，光线显示了第一面到像平面的轨迹，此时像平面在镜面的左边。可以得到标准的点列图。
**大学学生实验报告
学院
年级、专业、班
姓名
学号
实验课程名称
工程光学综合实验
成绩
实验项目名称max中非球面镜面的定义与输入方法；
熟悉zemax中三维图形显示；
熟悉zemax中牛顿式望远镜的设计。
二、实验内容
设计一个F/5的牛顿式望远镜，焦距为1000mm。
利用zemax构造一个转折面。
在第一个面的“conic”列输入-1，敲回车，现在选“system”,“update”菜单项刷新所有的窗口，在更新后的点列图上，可以看到有一小簇的光线在六角环带的中心，RMS点尺寸是0.
3、构造转折面：移动光标到像平面，按insert在主面与像平面之间插入一个虚构的面，新的面很快会被转换为折叠面。虚构面的作用只是简单地用来安放折叠面。在新的虚构面上输入一个-200.0的厚度值，保持镜面到像平面的总距离为-1000.0.。现在单击“tools”，“add fold mirror”，然后设置“fold surface”为2，单击OK。
通过“analysis”，“layout”，“3D layout”菜单来得到3维图形。
ZEMAX-牛顿式望远镜设计
Tools-add fold mirror
10)坐标变换 新增旳面包围了第二个面镜
Zemax每个面都有其自有旳局部坐标系统 坐标变换是一种特殊旳哑表面，用来定义相 对于目前旳坐标系统而言旳新坐标系统，它 可有x、y、z轴旳移动，或x、y、z轴旳旋 转。
11)设置挡板 真实系统中，旋转面镜会部分遮挡入射光束
ZEMAX 牛顿式望远镜设计 1）设计要求：
EFFL：1000mm
F/# : F/5
2）孔径、单位、视场角及波长
3）键入透镜资料 4）评估系统性能 显示爱里斑
RMS光斑： 77.6um Airy Disk: 3.359um
5)定义抛物面
没有满足衍射极限
球面镜面
抛物面镜
Conic: -1
6)抛物型反射罩
完善成像
使用衍射分析工具
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7）点扩散函数 点扩散函数分析衍射极限系统，针对成 像面能量扩散
因为衍射，影像并非完美像点，有能量旳分散
8）挡板
成像面定位在入射光束旳光路上，影像不轻 易取得 ---放置与光轴夹角45度旳旋转面镜
9）增长转折面镜 欲将旋转后旳影像位于光轴上方
150mm，旋转面镜距面镜850mm。
---使用一哑表面做遮蔽用 在表面1旳[surf:type]开启属性对话框
12）挡板效果
物理光学课程设计-ZEMAX软件设计望远镜并校正像差
选择设计题目为：设计一放大率8Γ=倍的望远镜，物镜视场角24ω=，出瞳直径4D mm '=，目镜焦距225f mm '=，出瞳距离15mm ，目镜焦截距4mm ，入瞳与物镜重合。
（注：望远镜设计中物镜和目镜可以分开设计，独自校正像差）一、设计思路以及一些计算过程：有题目要求，选择双胶合望远物镜会比较适合。
相对孔径小于五分之一，由公式以及光学设计手册选择物镜的焦距为200mm ，入瞳直径为40mm ，初始结构采用：rd 玻璃 153.16 1.5163，64.1 -112.934 1.6475，33.9 -361.68/1.5163,64.1 /二、软件使用过程：1.透镜结构参数，视场、孔径等光学特性参数：初始结构表：优化情况：System/Prescription DataGENERAL LENS DATA:Surfaces : 7Stop : 1System Aperture : Entrance Pupil Diameter = 40Glass Catalogs : SCHOTTRay Aiming : OffApodization : Uniform, factor = 0.00000E+000Effective Focal Length : 320 (in air at system temperature and pressure)Effective Focal Length : 320 (in image space)Back Focal Length : 310.63Total Track : 775.2221Image Space F/# : 8Paraxial Working F/# : 8Working F/# : 8.002776Image Space NA : 0.06237829Object Space NA : 2e-009Stop Radius : 20Paraxial Image Height : 11.17465Paraxial Magnification : 0Entrance Pupil Diameter : 40Entrance Pupil Position : 0Exit Pupil Diameter : 102.5804Exit Pupil Position : 820.7951Field Type : Angle in degrees Maximum Field : 2Primary Wave : 0.5875618Lens Units : MillimetersAngular Magnification : -0.3899379Fields : 3Field Type: Angle in degrees# X-Value Y-Value Weight1 0.000000 0.000000 1.0000002 0.000000 1.414000 1.0000003 0.000000 2.000000 1.000000Vignetting Factors# VDX VDY VCX VCY VAN1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.0000003 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000Wavelengths : 3Units: ｵm# Value Weight1 0.486133 1.0000002 0.587562 1.0000003 0.656273 1.000000EDGE THICKNESS DATA:Surf EdgeSTO 439.9418312 11.4721633 11.6235514 312.1845555 0.0000006 0.000000IMA 0.000000INDEX OF REFRACTION DATA:Surf Glass Temp Pres 0.486133 0.5875620.6562730 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.000000001 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.000000002 SSK4A 20.00 1.00 1.62546752 1.617649751.614266423 LAF9 20.00 1.00 1.81494560 1.795040281.786944504 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.000000005 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.000000006 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.000000007 20.00 1.00 1.00000000 1.000000001.00000000THERMAL COEFFICIENT OF EXPANSION DATA:Surf Glass TCE *10E-60 0.000000001 0.000000002 SSK4A 6.100000003 LAF9 7.200000004 0.000000005 0.000000006 0.000000007 0.00000000F/# DATA:F/# calculations consider vignetting factors and ignore surface apertures.Wavelength: 0.486133 0.5875620.656273# Field Tan Sag Tan Sag Tan Sag1 0.0000 deg: 8.0042 8.0042 8.0028 8.0028 8.0075 8.00752 1.4140 deg: 7.9964 8.0019 7.9936 8.0001 7.9978 8.00473 2.0000 deg: 7.9889 7.9997 7.9847 7.9974 7.9884 8.0018CARDINAL POINTS:Object space positions are measured with respect to surface 1.Image space positions are measured with respect to the image surface.The index in both the object space and image space is considered.Object Space Image SpaceW = 0.486133Focal Length : -319.976306 319.976306Focal Planes : 124.738587 0.170547Principal Planes : 444.714892 -319.805758Anti-Principal Planes : -195.237719 320.146853Nodal Planes : 444.714892 -319.805758Anti-Nodal Planes : -195.237719 320.146853W = 0.587562 (Primary)Focal Length : -320.000000 320.000000Focal Planes : 124.780118 0.151516Principal Planes : 444.780118 -319.848484Anti-Principal Planes : -195.219882 320.151516Nodal Planes : 444.780118 -319.848484Anti-Nodal Planes : -195.219882 320.151516W = 0.656273Focal Length : -320.220323 320.220323Focal Planes : 124.586499 0.352767Principal Planes : 444.806822 -319.867556Anti-Principal Planes : -195.633824 320.573090Nodal Planes : 444.806822 -319.867556Anti-Nodal Planes : -195.633824 320.5730902.像差指标数据：球差数据分析图:三、学习心得这次的光学设计要结束了，在这里我首先得思过一下，这次的课设可真的是糊里糊涂就过去了。
朱晓明200820401422--牛顿望远镜设计
牛顿望远镜设计作者姓名：朱晓明专业名称：核工程与核技术指导教师：焉泽林老师学号：************目录一、前言 (7)二、ZEMAX仿真 (9)三、设计优化 (17)四、数据比较和优化后参数 (21)五、设计心得体会 (24)六、参考文献 (25)评分表附表 (26)一前言光学是研究光的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。
光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。
光的本性也是光学研究的重要课题。
微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。
我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。
它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。
物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。
它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。
波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。
波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。
波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。
量子光学 1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。
光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。
所以光学是一个相当有用的学科。
本次设计采用ZEMAX光学设计软件。
ZEMAX实验(三)
yout，用3D看，调出layout后，按↑↓或page down or up看三维效果，在STO的前面插入一个surface，令这个surface的thickness为900，在Max Radius键入40，Update 3Dlayout，图4。旋转三维图观看立体效果，如图5所示。
6..更名存盘后生成报图6镜头数据
四、实验结果及分析
牛顿望远镜基本结构位抛物面主反射镜+与光轴成45度的平面反射镜构成，是一种全反射式的望远镜物镜；对于球面凹面镜成像，有F=R/2的关系；ZEMAX中关于在光路中新添加折叠反射镜仿真实现的步骤。
二、实验要求
1.掌握设立反射镜、使坐标中断的方法。
2.学会使用圆锥系数来优化成像质量。
3.学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。
三、实验内容
1.设计目标：
通过一个具有曲率为2000mm及孔径为200mm的镜面设计一个1000mm F/5的望远镜。
2.设计步骤
1.在STO上的radius项中键入-2000 mm，在thickness项中键入-1000，在Glass项中键入MIRROR，最后在System的General项中的aperture中键入200。
2.Wavelength选用0.550，视场角为0. spot diagram，RMS为77.6microns的spot diagram，如图1所示。
3.在spot diagram的顶端上再加一个Airy diffraction ring.从spot diagram的menu bar选择Setting，在Show Scale上选“Airy Disk”，在STO的Conic项中键入-1，Update spot diagram，如图2所示。
基于zemax的实验报告
设计一个8倍开普勒望远镜，目镜焦距f 目' = 25mm ，出瞳直径D' = 4mm ，出瞳距l z ' >22mm ，目镜视场角2ω' = 25︒；1. 计算对于望远镜，其物镜与目镜焦距、物镜视场角与目镜视场角的关系式如下：tan tan =-f f ωω⎧⎪⎨⎪⎩Γ='Γ''物目目物由此知道需要设计的物镜的视场角为2=3.2=200f ω⎧⎪⎨⎪⎩'' 物物2.物镜的设计我们可以直接采用在设计1中设计的双胶合物镜双胶合物镜的初始系统图为：双胶合物镜的初始系统点列图为：双胶合物镜的初始系统光线扇形图为：系统的光学特性参数为：系统的光学特性参数txt .实际上此时系统已经达到基本的设计要求。
2. 目镜的设计（1）系统建模我们采用双高斯物镜。
其初始结构参数为：我们选取的结构的光学特性为：1=50,2=40,=2D f f ω'' 这与我们需要的焦距25mm 不符合。
我们采用缩放功能进行调整。
选择Tools →scale lens ，由于系统现有焦距为50，要变为25，缩放因子为25/50=0.5。
调整的方式为：此时的焦距就变为了25mm 。
接下来，我们把“Field data ”中输入三个角度值0,14和20。
系统的结构图为：（2）结构优化变量的确定：这里我们选用如图所示的18个变量作为变量。
评价函数：这里我选用了三项评价函数，有效焦距（EFFL），光学传递函数（MTFS，MTFT）以及透镜最小中心厚度（MNCG），其中前两项的权重为1，后一项的为0.1。
（实际中，由于开始时得到优化结果的MTF很不理想，所以最后选择了MTFS和MTFT作为优化的评价函数）执行优化后的数据如图：执行优化后的结构图以及散点图：优化后系统的MTF图为：此时的MTF反映系统的像质系统还比较差，在此基础上进行改进，对原系统选用的玻璃进行更换。
基于ZEMAX软件设计望远镜系统
特色与创新
特色与创新点：采用ZEMAX光学设计软件实现折射式
望远镜的成像；采用了整体分析到局部设计的方法，高效， 高质量的完成了此次项目；设计过程中也有许多创新点，如 采用我们自己编制的优化函数，使结果更为准确等。
总结与展望:
本次项目任务是应用光学设计软件ZEMAX设计出望远物 镜和望远目镜，对整个望远系统（开普勒式）进行有关的光 学特性与成像分析，加强对折射式望远镜光学原理的理解。 我们的设计成果满足指标，成像质量良好，达到了预期效果。
在日常生活中，望远镜主要指光学望远镜。一般地，普通望 远镜以构造来分类，可分为折射望远镜、反射望远镜及折反射 望远镜三大类。本次项目设计的是折射望远镜中的开普勒型望 远镜。除此之外，望远镜也可按照其探测对象的不同来分类， 可分为射电望远镜、空间望远镜、双子望远镜、红外望远镜、 太阳望远镜等等。
我们的研究思 想：
整体分析 局部设计
基于ZEMAX软件的望远镜 系统设计
光学知识及望远 镜工作原理学习
ZEMAX软件 使用方法学
习
设定望远镜系统 设计指标
望远镜物镜 的设计和优
化
望远镜目镜的 设计和优化
物镜和目镜的组合
设计目标
视放大率Г=10 物镜焦距f’物=250mm 物镜入瞳直径D=40mm 目镜焦距f’目=25mm 目镜视场角2ω’=40° 目镜出瞳直径D’=4mm 根据公式 1/F数=D’/f’目 可算出F数=6.25。 物镜系统的像差为：球差<0.1mm，轴向色差<0.1mm。 目镜系统的像差为：像散=0mm，垂轴色差=0mm，彗差 =0。
关于我们设计的这个系统，还有可以优化拓展的地方，例
如，开普勒式望远镜成的是倒像，我们可以通过加一个棱镜
毕业论文(设计)基于zemax的光学系统设计报告—内调焦望远物镜的设计
目录一、前言 (1)二、设计技术参数 (1)三、外形尺寸计算 (2)四、初始结构的选型和计算 (6)五、利用zemax优化及评价 (8)六、设计心得体会 (12)七、参考文献 (13)内调焦望远物镜的设计一、前言内调焦望远镜是一种具有多种用途、使用方便的光学检调仪器,它可以作为自准直仪和可调焦望远镜使用。
因此它广泛地应用于光学实验室、光学加工车间和光学装校车间作为检验和调校工具。
例如,作为内调焦望远镜使用时：可以用来检验导轨、平面或直尺的“直线性”,基面之间的“垂直性”,平面之间的“平行性”以及不同直径孔径之间的“同轴性”；作为自准直仪使用时：可检测平面间的角度,光学平行平板两表面的楔角以及观测星点等等。
内调焦是针对外调焦而言的，外调焦是指通过直接移动目镜或者物镜进行调焦，内调焦是指移动镜头组之间的一组镜片来调焦.内调焦广泛运用在某类结构的防水产品上，优点是密封性好一些，但是若设计不当视野会相对窄。
二、设计技术参数技术条件如下：相对孔径D/f’=1/6.58合成焦距f’=250mm物镜筒长L=165mm（薄透镜筒长）物方半视场角w=-2°三、外形尺寸计算根据上图进行光路计算2'(101)12012/'l f d d L f Q ϕϕϕϕϕϕ=-=+-=式中，L ，f ’已知，当假设d0后便可由上述三式求得φ1、φ2、和l2’。
相应地，φ1、φ2可按下述二式求得11/1'1/0/0'1/'21/2'(')/0(0)f d L d f f f f L d d L ϕϕ==-+==--计算结果如表所示 d0/mm 25 50 75 82.5 100 125 150 165 f1’/mm56.81892.595117.18123.13135.14148.81159.57165f2’/mm-41.17-67.65-79.41-80.10-76.47-58.82-26.47由上表知，当Q 给定后，f1’随d0的增加而增加，-f2’开始随d 的增加而增加，到L/2时随d0的增大而减小。
实验newtelescope设计
牛顿牛顿望远镜望远镜4.1 牛顿牛顿望远镜望远镜牛顿式望远镜是一个简易的抛物线型反射镜。
光线是由无限远处的物点所发出，并在焦点处形成完美(几何)像点。
抛物面可提供无球差，只有轴上的高阶像差的质量。
牛顿望远镜是最简单的用来矫正轴上像差的望远镜，而且它对于阐明ZEMAX 的一些基本操作非常有用。
首先，牛顿望远镜是由一个简单的抛物线形镜面组成的，而且除此之外别无它物。
抛物线很好地矫正了所有阶的球差，由于我们只将望远镜使用在轴上系统，所以根本就没有其他的像差。
我们将设计焦距1000 mm ，F/5的望远镜。
根据表面焦度(Power)的定义，可知曲率半径为2000 mm ，而孔径直径为200 mm 。
我们将使用轴上(On-Axis)视场角及默认的波长0.55 µm 。
镜面并不会产生色差，所以它并不需设罝多波长。
开启新的透镜资料编辑器(LDE)，点击File->New 。
4.2 孔径孔径、、单位单位、、视场角及波长孔径和透镜的单位可经由System->General 所弹出的对话视窗进行设罝。
就孔径来说，在Aperture Type 选取「Entrance Pupil Diameter 」，然后在Aperture Value 键入「200」，此时透镜的默认单位为mm 。
我们也将使用默认的视场角和波长。
4.3 键入透镜资料望远镜需要建构三个序列性描光的面：1、对象，定位在无限远的距离2、镜面表面，定位在Stop的位置3、成像面，定位在镜面的近轴焦点上镜面表面需在Glass这个栏键入「Mirror」。
在镜面表面反射后，需改变曲率半径的符号。
在Stop表面的曲率半径栏内键入-2000 mm，而厚度键入-1000 mm。
4.4 评估系统性能开启弥散斑(Spot Diagram)，我们可将光斑尺寸与埃里斑(Airy Disk)在弥散斑上作比较。
点击弥散斑中主选单上的Setting选项。
在「Show Scale」的下拉式选单中选取Airy Disk，然后点击OK。
基于Zemax的牛顿式望远镜设计
第12期2019年6月No.12June，2019对于光学系统设计，除了用透镜折射成像外，还有相当一部分系统则是反射镜成像。
1668年，牛顿设计制作了历史上第一架反射式望远镜[1]。
如图1所示，他用一块球面金属镜作为主镜，将接收的光线汇聚到一面45°斜置的平面副镜上，观察者可在镜筒一侧透过目镜进行观察。
由于其制作简单，价格低廉，很快就受到了众多望远镜制造者的喜爱。
虽然球面镜会产生一定像差，但用反射镜替代折射镜是一个巨大的突破。
至今绝大多数天文望远镜系统都是反射系统或者其变形，其基本结构都是牛顿式的。
本文基于Zemax OpticStudio 17软件，根据具体规格要求，设计了一个牛顿式望远镜。
图1 牛顿望远镜示意1 Zemax 设计及分析1.1 牛顿望远镜规格焦距：1 200 mm ；F 数（焦比）：6。
1.2 构建系统初始结构由F 数和焦距可求得系统的入瞳直径为200 mm ，波长选择F ，d ，C 光波长，设定像面大小为5 mm 。
在牛顿望远镜中，主镜起反射聚焦光线的作用，而平面副镜只起转折光路方向的作用。
牛顿因当时加工条件限制，主镜反射面采用的是球面，这会引起中心视场的球差，为避免球差，此处选择主镜反射面为抛物面，抛物面的圆锥系数Conic=﹣1[2]。
主镜反射面的曲率半径和焦距始终满足R =2f 的关系。
因为此处要求焦距为1 200 mm ，可知抛物面的曲率半径R =﹣2 400 mm ，厚度为﹣1 200 mm ，表示平行光被反射后传播1 200 mm 后汇聚于一点。
将基本参数输入Zemax 数据编辑器并设置主镜的材料（Material ）为MIRROR ，初始参数如图2所示。
1.3 添加反射镜为了从侧面观察到像，需要用平面反射镜即副镜将主镜聚焦的光线反射到侧面。
副镜的位置与大小与多种因素有关，现设置副镜距离像面178 mm ，因此，副镜距离主镜1 022 mm ，且副镜直径可由公式估算为48 mm [3-4]。
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实验四 基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计
一．实验目的
学会使用ZEMAX软件对典型牛顿望远镜进行优化设计。
二．实验要求
1.掌握设立反射镜、使坐标中断的方法；
2.学会使用圆锥系数来优化成像质量；
3.学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。
三．实验原理
1.牛顿望远镜基本结构：抛物面主反射镜+与光轴成45度的平面反射镜构成，是一种
全反射式的望远镜物镜；
2.对于球面凹面镜成像，有F=R/2的关系；
3.圆锥系数（conic系数）：见于LDE窗口中每一行的第7列（Conic），这个系数是描
述该行所代表的面的曲面函数中的非球面二次曲面系数，决定了该行代表的面的形状，典型值对应的面形状如下：
Conic=0 球面；
-1<Conic<0 主轴在光轴上的椭球面；
Conic=-1 抛物面；
Conic<-1 双曲面。
4.ZEMAX中关于在光路中新添加折叠反射镜仿真实现的步骤：
定位置：：在所需要放置反射镜的位置添加一个虚构面（空面），由反射镜要（1） 定位置
放置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；
（2） 添加反射镜：从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置相关合适的参数。
5.鬼像与挡光板：
（1） 鬼像：成像系统中一些非设计中的反射光线最终沿着非期望的路径达到像面后，会形成鬼像，影响成像质量。
（2） 为了尽可能消除鬼像的影响，对于那些位于光路范围内的中间器件（尤其是口径小于主光路口径的），例如本例中的平面反射镜，一般需要在其前面
加一块挡光板，消除这些器件对光线不需要的反射。
挡光板的口径通常要
比被挡元件的口径稍大。
（3） ZEMAX中挡光板的具体实现步骤：
定位置：：在所需要放置挡光板的位置添加一个虚构面（空面），由其要放
a.定位置
置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；
设置参数：：将面型surf：type双击后的Aperture中的光圈类型从none
b.设置参数
改为所需要的挡光类型（如圆形挡光），设置合理的挡光半径值，以略大
于被挡元件半径为宜。
四．实验内容
设计项目：：利用ZEMAX软件来设计一个焦距为1000mm ，F/5的牛顿望远镜，即一个曲设计项目
率半径为2000mm的镜面和一个200mm的孔径。
图3.1典型牛顿反射式望远镜
1.打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新
建一个新的空白透镜。
2.在LDE（透镜数据编辑器）中输入相关平面的曲率半径、厚度和玻璃类型值（反射
镜玻璃类型为M I RR O R）。
3.在主菜单-系统中设置孔径值，并沿用默认的波长和视场角值。
4.生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察
此时的成像质量。
5.生成标准点列图，并与艾利斑对比（从点列图中选设置-查看比例-Airy Dis k）来
进行像质的简单分析（为什么此时还未到达最好的成像质量？）。
6.在主反射镜所在的面上设置圆锥系数，使主反射镜的面变为抛物面，此时再重新
分析成像质量。
7.在像平面前插入一个新的虚构面（未来放置反射镜），合理设置中断的坐标值以获
得光阑面和虚构面的厚度，将两个厚度输入LDE中的相应位置。
8.从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置交叠曲面为2，确定。
9.更新后观察此时的各分析图，注意分析哪些图已经不再起作用了。
通过相应按键
操作旋转缩放3D类的分析图来观察成像质量。
10.在光阑面（STO）前新添加一个圆形挡光面，设置合理的面厚度和挡光半径。
11.更新后重新观察此时的3D类分析图，观察此时的成像质量和效果。
12.更名存盘后生成报告。
五．报告要求：
1.试解释添加折返面的对话框中的3个选项的意义及添加后多出来的两个虚构面的作用。
2.分别打印反射方向为向上向下向里向外的最终实体图及某一方向的LDE的截图。
3.上传任一反射方向的存档，以学号为文件名。
4、实验结果截图：
（1）、反射镜为球面时的LDE（2）、反射镜为球面时的3D视图（3）、反射镜为球面时的像差（4）、反射镜为球面时的点列图（5）、反射镜为抛物面时的像差（6）、反射镜为抛物面时的点列图（7）、添加fold mirror 后的IDE
六．实验仪器PC机。