《光学设计》上机实验指导书(3)

图E2-2

现在以经减小了色差的线性项，二阶色差占了优势，因此如抛物线形状所示。注意多色光焦点漂移量减少为74微米。（单透镜为1540微米）。

还有另外的玻璃选择可以产生好的设计。要看ZEMAX玻璃目录中的其他玻璃类型，选择“tools”，“Glass Catalogs”。浏览完目录后单击“Exit”，

现在，通过在光学特性曲线窗口中选择“Update”更新光学特性曲线图（如果光学特性曲线窗口没有显示出来，则在主菜单中选择“Analysis”，“Fans”，“Ray Aberration”）。如图E2-1所示。最大的横向光学像差已经被减小到约20微米。这对于单透镜在200微米处来说是一个质的提高。注意光学特性曲率图原点处的斜率对于每一个波长相对离焦也很小的，但是斜率不为0。这隐含了离焦被用来平衡球差的意思。有S形弯曲的光学特性曲线是典型的用离焦平衡球面镜片的例子。

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E2-1

现在已经设计了一个具有较好的性能特征的镜片，镜片看上去怎么样呢？选择“Analysis”，“Layout”，“2D Layout”，一个简单的镜片的二维剖面图如E2-3所示。图中显示了从第一面到像屏幕（缺省值，也可设成其他值）的镜片，同时还有三条（缺省情况下）主波长光线从每个视场到像平面。这三条光线分别为入瞳——本例中也就是第一面——的上边缘、中心和底部的光线。很明显，第1个镜片有较尖的边缘。根据图形很难说出边缘厚度是正的或负的。而且，如果镜片尺寸稍微大一点会更好。这样可使镜片的实用清晰孔径会比口径要小，会给诸如抛光和装配等提供边缘空间。

可以通过考虑这些因素来提高设计。为了决定实际的边缘厚度，可将光标移动到第一面的任意一列（例如，在LDE有“BK7”字样处单击）。现在选择“Reports”，“Surface Data”，将会出现一个窗口，显示了改面的边缘厚度，所给出的值是0.17，稍偏小。

在修整偏小的边缘厚度之前，先将镜片放大。移动光标到第一面的半口径“Semi-Diameter”列，键入“14”替代所显示的12.5并显示“14.000000U”。“U”标志着这个孔径是用户自定义的。如果“U”没有显示，表示ZEMAX允许此孔径可随要求定义。可键入Ctrl-Z来取消“U”标志，或在半口径上双击，并为求解类型选择“Automatic”，作了这些改变后，选择“System”，“Update”更新孔径值。14这个值为半口径，表示全口径为28mm。

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同样，在第二面和第三名中也输入14。

E2-3

更新图层。现在孔径已经被放大了，但第一个边缘厚度是负的，更新表面数据窗口查看新的边缘厚度，它会变成一个负数。为了得到一个更为合理的边缘厚度，可以增加中心厚度，但是，还有一个更有用的保持边缘厚度为一个特定值的方法。

假设需要保持边缘厚度在3mm，在第一面的厚度列中双击，会出现“Solve Control”屏幕，从显示的求解列表中选择“Edge thickness”，两个值会被显示，一个是“厚度（Thickness）”，一个是“半径高（Radial Height）”。设厚度为3，半径高为0（如果半径高是0，ZEMAX使用所定义的半口径），然后单击“OK”。在LDE中，第一面的厚度已被调整过，字母“E”显示在框中，表示此参量为一个活动的边缘厚度解。

再次更新表面数据窗口，边缘厚度3会被列出。也可以选择“System”，“Update All”一次性更新所有的窗口。这将会刷新图层和光学特性曲线图。通过调整厚度，已对镜片的焦距作了一点改变。然后，再进行最佳化（选择“Tools”，“Optimization”，然后选“Automatic”）。最佳化后，单击“Exit”，然后选择“System”，“Update All”，再一次刷新图形。

现在来测试双透镜的离轴特性。从主菜单选择“System”,“Field”得到“Field Data”对话框，单击第2和第3行的“Use”，选择3个视场。在下面的y视场列的第2行，输入7（即

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7度），在第3行输入10.使对于轴上的第1行保持为0.使x视场的值也为0.因为一个旋转对称系统，其x视场的值也为0，因为一个旋转对称系统，其x视场的值很小。单击OK关闭对话框。

现在选择“System”，“Update All”（系统，更新），光学特性曲线（rayfan）图显示在图E2-4中，你所得的也许会有点不同，这要看你在设置了求解（SOLVE）后是如何重新优化的。

E2-4

就如这些图中显示的，镜头的轴外特性是很差的，原因是我们只对轴上特性进行了优化。现在是什么像差限制了我们呢？可以来分析光学特性曲线图，判别出场曲是主要像差，此像差可以通过场曲曲线图图来估计。选择“Analysis”，“Miscellaneous”，“Field Curv/Dist”，场曲曲线如图E2-5所示。注意左图表示出了近焦点的漂移为一个关于视场角的函数，而右图则表示了有以近轴光线为基准的实际光线的畸变。场曲曲线图上的所有信息都可从光学特性曲线图中得到，场曲曲线与光学特性曲线图中的斜率成比例。

在校正视场弯曲时是由技巧的，实际上，球差和慧差也同样如此。这些技巧在Smith的《Modern Optical Engineering》中也有提及。

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E2-5

实验三 牛顿望远镜 (A Newtonian Telescope)

一、实验目的：

（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；

（2）将知道如何使用圆锥常量（conic constants）、坐标中断（coordinate breaks）、三维图形（three dimensional layouts）、遮挡（obscurations）等等。

（3） 熟悉反射镜（mirrors）的设计方法。

二、实验环境：

（1）、硬件环境：普通PC机 （2）、软件环境：ZEMAX软件平台

三、实验内容：

设计一个焦距为1000mm、相对孔径为F/5望远镜镜片，在光轴上可见光谱范围内使用。

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