光学系统设计实验指导书2014

实验〇光学设计软件ZEMAX的安装和基本操作

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。二．实验要求

a)掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。

b)掌握ZEMAX软件的用户界面。

c)掌握ZEMAX软件的基本使用方法。

d)学会使用ZEMAX的帮助系统。

e)学会使用ZEMAX初步仿真光路图。

三．实验内容

（一）界面及基本操作

1．通过桌面快捷图标或“开始—程序”菜单运行ZEMAX，熟悉ZEMAX的初始用户界面，如下图所示：

图1.1 ZEMAX用户界面

2．浏览各个菜单项的内容，熟悉各常用功能、操作所在菜单，了解各常用菜单的作用。

3. 熟悉使用各个常用的快捷按钮。

4．学会从主菜单的编辑菜单下调出各种常见编辑窗口（镜头数据编辑、优化函数、多重数据结构）。

5．调用ZEMAX 自带的例子（例如根目录下samples\tutorial\tutorial zoom2.zmx 文件），学会打开常用的分析功能项：草图（2D 草图、3D 草图、渲染模型等）、特性曲线（像差曲线、光程差曲线）、点列图、调制传递函数等，学会由这些图进行简单的成像质量分析。

6．从主菜单中调用优化工具，简单掌握优化工具界面中的参量。

7．掌握镜头数据编辑（LDE ）窗口的作用以及窗口中各个行列代表的意思。

8．从主菜单-报告下形成各种形式的报告。

9．通过主菜单-帮助下的操作手册调用帮助文件，学会查找相关帮助信息。

（二） 仿真光路图

根据已拟好的设计草图，在ZEMAX 中实现光路仿真，包括光路系统整体设置、创建光学元件、透镜（组），元件间大致间距等。

1.光路系统的整体设置，包括此光学系统所适用的波长、入瞳直径、视场等，在主菜单-系统里有相应的各个设置。

2.创建光学元件、透镜（组），就是将设计草图中的各种光学元件用ZEMAX 的方式去仿真实现。ZEMAX 仿真的基本元素是面，仿真创建各种元件基本都以具体设置每个面的参数来实现。

（1）面：面的基本参数包括面型（Surf:type ）、 曲率半径(Radius)、厚度(Thickness)、材料（玻璃）(Glass)，半口径(Semi-Diameter)等，每一个面对应于LDE 窗口里的一个行，每一个参数对应LDE 窗口里的一列，如下图：

ZEMAX 的默认面型是透明标准（Standard ）球面，曲率半径和半口径为无穷（Infinity ）。面的厚度和材料的定义都是以该面起向后算到下一个面之间（即面间，见下段）的这一段的厚度和材料。

（2）面间：指的是该面在光轴上的交点到下一个面在光轴上的交点之间。面间的基本参数有距离（面间距）、材料等。面间距向右为正，向左为负。常用于标识透镜厚度、元件与元件的间距等。

例如：一个透镜的厚度，可以用透镜的前表面的面厚度值Thickness 来完成仿真；前一个元件与后一个元件的间距，可以用前一个元件的后表面到后一个元件的前表面之间的面间距来完成仿真。

3.根据设计要求和设计草图，估算各个元件之间的大致间距，通过面间距的设置，实现整个光学系统的初步仿真。

4.仿真一个轴上点光源（m μλ587.0=）在物距为u=30mm 时，由焦距为20mm ，材料为BK7，口径为10mm 的单正透镜成像的光路（在没有专门给定参数时，初始仿真的透镜曲率半径以焦距值为初始值，但要注意正负；透镜厚度通常与口径值相关，依设计经验取适当厚度值）。

四．报告要求：

1. 打开安装目录下的samples\tutorial\tutorial zoom

2.zmx文件，生成其2D图、渲染

（转角）、像差特征曲线、OPD曲线、曲面数据报告（第7面）和图解报告4。截屏后打印出来。

2. 试在打印出来的2D图上标出各个面的位置以及相应面厚度值的具体指向（方向、

范围）；比较分析LDE窗口中两个“半径”（Radius和Semi-Diameter）具体指的是什么，并定性的在2D图中标出第5面和第7面分别的Radius和Semi-Diameter。

五．实验仪器

PC机

实验一基于ZEMAX的简单透镜的优化设计

一．实验目的

学会用ZEMAX对简单单透镜和双透镜、多重结构的激光束扩大器进行优化设计。二．实验要求

1.掌握使用ZEMAX实现光学优化设计的基本过程；

2.学会生成光线像差（ray aberration）特性曲线、光程差（OPD）曲线和点列图（Spot

diagram）、焦点色位移图和场曲图；

3.学会面厚度的求解方法，学会定义透镜的边缘厚度解和视场角，进行简单的优化；

4.掌握使用多重结构配置；

5. 初步掌握为实际生产和装配考虑的额外设计和优化。

三．实验原理

（一）基本设计过程

1．拟好设计草图（光路图）；2.软件仿真光路图；

3. 优化设计：像质分析评价—优化—再分析评价—再优化--……达到指标；

4. 输出结果。

（二）优化设计

仿真光路图完成以后，调用各种像质分析图进行像质分析评价，看设计是否达标，如还未达标，则恰当使用各种优化工具进行初步优化；然后再重新进行分析评价，看是否达标，如此反复，直到设计达标。

1.像质分析图。本实验中需学会调用光线像差（ray aberration）特性曲线、光程差

（OPD）曲线和点列图（Spot diagram）、焦点色位移图和场曲图来进行像质分析评

价，各图可从主菜单-分析中调出。

光线像差（ray aberration）特性曲线：关于光瞳坐标函数的光线像差特征曲线，见理论课内容。

光程差（OPD）曲线：见理论课内容。

点列图（Spot diagram）：见理论课内容。

焦点色位移图（Chromatic Focal Shift）：不同波长（颜色）的光线对于同一个正