基于ZEMAX的简单透镜的优化设计

实验二基于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进行设计优化。

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. 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）：

焦点色位移图（Chromatic Focal Shift）：不同波长（颜色）的光线对于同一个正透镜的不同焦距的曲线，可直观看出色差的大小。

视场、场曲图：见理论课内容。

2.调用优化工具进行优化。本实验中需掌握solves功能和评价函数(Merit Function)

两种优化工具。

(1)Solves功能：解（solves），能使一些函数可以自动地调整特定值，可在曲率、

厚度、玻璃名称、半径、圆锥系数等参数上指定；

(2)评价函数：评价函数也叫优化函数，可由直接调用系统自带默认评价函数或用

户自创评价函数来创建，函数中的变量由用户自己在镜头数据编辑框中设置，函数

值会实时显示在评价函数编辑框的表头上，函数值越小，说明优化的结果越好。

使用评价函数对所设计系统进行优化的步骤：

（a）设置可供选择的变量；

（b）创建评价函数，可根据设计具体需要，直接调用系统自带默认评价

函数，或加入一些限制条件到默认评价函数中重新创建新的评价函数；

（c ）开始优化。

3. 为实际生产装配考虑的优化设计。为了使软件仿真设计出来光学系统在之后的实际

生产加工装配使用时方便，需适当考虑在做软件设计时就考虑到一些额外的设计。如本次实验中为了实际装配需要，将各透镜半口径改得比系统优化后自动生成的半口径稍大。

四． 实验内容

（一）. 设计项目：用BK7玻璃设计一个焦距为100mm 的F/4单透镜，要求在轴上可见光范围内最终成像的点列图的RMS RADIUS<80，光线像差<500±，光程差

1. 草拟并仿真光路图。

2. 生成光线像差特性曲线、2D 、3D 图层曲线和渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。

3. 利用Solve 功能来求解第2面的厚度，以便适当的消除离焦现象，更新后观察各分析图的相应变化。

4. 将第1、第2面的曲率半径以及第2面的厚度值设为变量，建构并调用默认优化函数（Merit Function ）。

5. 在调用默认优化函数后的优化函数编辑框中的第一行前按INS 插入一个新行，在其oper#列处双击（或右键单击），在弹出的对话框中将操作数选为EFFL ，target 设为100，weight 设为1，确定。

6. 调用优化工具进行优化，在优化后更新全部内容，然后观察各分析图的相应变化。

7. 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。

8. 将此设计起名保存，生成报告。

（二）. 设计项目： 以前一个实验内容设计优化后的单透镜为基础，添加一块材料为SF1玻璃的透镜来构建胶合双透镜系统，进一步优化成像质量达到点列图的RMS RADIUS<11，光线像差<50±，光程差

1. 草拟并仿真光路图。

2. 生成光线像差特性曲线、2D 、3D 图层曲线、点列图、OPD 图和渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。

3. 设置STO 面、第2、第3面的曲率半径，以及第3面的厚度为变量，沿用前例的优化函数，在优化更新后观察各分析图的相应变化，并分别对比单透镜时的点列图、OPD 图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）的相应变化，观察双透镜此时的成像质量。

4. 为了实际装配需要，将各透镜半口径改得比系统优化后自动生成的半口径稍大（举例为14mm ），更新后观察此时的3D 图和各特性曲线的变化，从曲面数据报告中查看各面的边缘厚度值。

5. 利用Solve 功能来求解镜片边缘厚度（举例设计要求为3mm ），更新后观察各分析图的相应变化。再一次调用优化函数进行优化后，重新观察各分析图变化。

6. 定义视场（系统-视场，举例加入两个分别为7°和10°的y 视场），从分析-杂项-视场场曲调出场曲图来观察此双透镜的离轴特性。

7. 将此设计起名保存，生成报告。

五． 报告要求：

1.截屏打印：

单透镜：LDE 窗口，OPD 图，图解报告4，点列图，焦点色位移图