工光实验报告 -(4)

工程光学应用光学设计性实验

实验三 光学系统模型的计算机仿真

实验者：39171104 张燕琴

39171105 彭陈陈 39171106 杨 柳

实验时间：2011年5月24日

一、实验目的

学习使用光学系统仿真设计软件——ZEMAX。利用该仿真设计软件进行单镜片、双镜片、牛顿望远镜等实验仿真，从而掌握光学系统设计、光线追迹、像质评价（像差计算）、系统的成型及性能仿真再现等基本应用的方法。

二、实验原理

ZEMAX概述 ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件这一软件集成包括光学系统定义、设计、优化、分析、公差等诸多功能，并通过简单的用户界面，为光学系统设计者提供了一个方便快捷的设计手段。ZEMAX包括三种光线追迹方式（Sequential 光线追迹、Hybrid Sequential /non—Sequential 光线追迹和non—Sequential 光线追迹），现有三个等级： ZEMAX—SE（标准版） ZEMAX—XE（完整版） ZEMAX—EE（专业版）

1、ZEMAX的主要功能 （1）光源及光学系统建模 （2）像质分析和评价 （3）优化设计 （4）公差分析 （5）结果数据、图形报表输出 （6）数据库管理 （7）顺序光线追迹和非顺序光线追迹

2.ZEMAX的主要特色：

界面友好容易上手；资料丰富，既可以直接选择，也可以自定义； 可建立反射、折射、衍射及散射等模型；

可直接偏振、镀膜和温度、气压等方面的分析； 具有强大的像质评价和分析功能；

丰富的资料库，有现成的镜头和玻璃、样板数据可供用户选择；

大部分窗口都提供在线帮助，方便随时获取相关功能的在线解释和帮助。

3.ZEMAX用户界面简介

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ZEMAX有不同类型的窗口，每类窗口完成不同的任务。这些类型主要有： (1)、 主窗口：这个窗口有很大的空白空间，顶端有标题栏，菜单栏和工具栏。菜单栏中的命令通常与当前的光学系统相联系，成为一个整体。 (2)、 编辑窗口：有六种不同的编辑：透镜数据编辑；绩效函数编辑；多重结构编辑；额外数据（ZEMAX-EE）；公差数据编辑；非顺序组件编辑（ZEMAX-EE）。 (3)、 图形窗口：这类窗口用作呈现图像数据，例如：系统图；光线扇形图（Ran fan）；光学传递函数（MTF）；曲线（Dot Spot）等等。 (4)、 文本窗口：用来列出文本数据，例如：指定数据、像差系数、计算数据等。 (5)、 对话窗口：对话框是弹出窗口，不能改变大小。对话窗口用来改变选项和数据，如：视场；波长；孔径光阑；表面类型等。在图像和文本窗口中，对话框也被广泛地用来改变选项，比如改变系统图中光线的数量。除了对话框，所有窗口都能通过使用标准鼠标这键盘按钮进行移动和改变大小。

三、实验内容

1、ZEMAX功能、界面及数据输入的演示 2、单镜片、双镜片、牛顿望远镜的设计实现

四、实验设备

安装有ZEMAX软件的计算机

五、实验步骤

1、单镜片

（1）设置光源参数

首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，在第一列键入0.486，以microns为单位。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.486的位置。

（2）透镜的参数设置

A.透镜的孔径 从system menu上选general data，在aperture value上键入25，aperture type被default为Entrance Pupil diameter，entrance pupil的大小即aperture的大小。 B.插入镜片

回到LED，在STO栏上，选取insert cifter，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，IMA为3。 C.透镜材质

在STO列中的glass栏上，打上BK7。 D.透镜厚度

第一面镜合理的thickness为4，直接键入4；第2面镜的thickness为100。 E.透镜半径

第1及第2面镜的曲率半径，分别选为100及-100。

（3）检验设计

选analysis中的fans，观察相差特性曲线

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（4）最佳化设计

A.fixed变成Marginal Ray height 在surface 2栏中的thickness项上双击，把solve type从fixed变成Marginal Ray height，然后OK。update ray Fan。 B.Merit function

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。

定义一个Merit function，先在editors中选Merit function，进入其中的Tools，再按Default Merit Function 键，再按ok，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，完毕后跳出来。 此时完成最佳化设计，重新检验ray Fan。 C.其他检验

其它检验optical performance还可以用Spot Diagrams及OPD等。

2、双镜片

（1）光学系统参数设置

A.光源设置

wavelength和aperture如同实验一所设 B.镜片参数设置

叫出实验一的LDE，在STO后再插入一个镜片，标示为2，在第一、第二面镜片上的Glass项目分别为BK7即SF1，把STO和第二面镜的thickness都fixed为3，仅第3面镜的thickness为100且设为variable。

（2）设置merit function

EFFL设在第三面镜上，其它的merit function设定如实验一。

（3）优化设计

A.执行optimization，初步优化

程序如实验一，在optimization结束后，叫出Chromatic Focal Shift。叫出Ray aberration，选择Analysis，Layout，2D Layout B.更改diameter,STO的thickness，再次优化 在STO的diameter上键入14来盖过12.5，在STO的thickness上按一下，选择Edge Thickness项目，设thickness为3及radial height为0。执行optimization。在第2及第3个列中的”Use”项中各按一下，在第2列的y field行中键入7，在第3列中键入10，第一列则让它为0。而设所有的x field皆为0，Update rayfan。选Analysis中，Miscellaneous的Field Curv/Dist。

3、牛顿望远镜

（1）透镜参数设置

A.在surface 1即STO上的curvature项中键入-2000 mm B.在thickness项中键入-1000 C.在Glass项中键入MIRROR，

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D.在System的General项中的aperture中键入200。

（2）光源设置

Wavelength选用0.550，field angel则为0。

（3）查看spot diagram

A.在spot diagram的顶端上再superimpose一个Airy -diffraction ring。从spot diagram的menu bar选择Setting，在Show Scale上选”Airy Disk”。 B.在STO的Conic项中键入-1，Update spot diagram。

（4）初步优化

A.在反射镜的后面再放一个折镜fold mirror。先把STO的thickness改为-800，然后imagine plane前插入一个dummy surface。在image plane前面插入一个surface，选Tools中的Add Fold Mirror，并在其”fold surface”处选”2”代表定义surface 2为fold mirror。 B.叫出3Dlayout，按↑↓ 或page down or up看三维效果。

（5）进一步优化

在STO的前面插入一个surface，令这个surface的thickness为900，在surface type中的Aperture Type还为”Circular Obscuration”，在Max Radius键入40，Update 3D layout。

六、实验结果

1、单镜片

①光学特性曲线

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②初步优化后的光学特性曲线

③最佳化设计后的光学特性曲线

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