光学设计实验报告

1 / 9 光学设计实验报告 实验报告单 专业 应用物理学 班级 11 应用物理学本科 院 b) c) d) e) 掌握 ZEMAX 软件的安装、启动与退出的方法。 掌握 ZEMAX 软件的用户界面。 掌握 ZEMAX 软件的基本使用方法。 学会使用 ZEMAX 的帮助系统。 学会使用 ZEMAX 初步仿真光路图。三 实验内容界面及基本操作 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 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。-1-2 / 9 4学会从主菜单的编辑菜单下调出各种常见编辑窗口 。 5调用 ZEMAX 自带的例子 ， 学会打开常用的分析功能项：草图 、特性曲线 、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。 仿真光路图根据已拟好的设计草图， ZEMAX 中实现光路仿真， 在 包括光路系统整体设置、 创建光学元件、 透镜 ，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 ，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和面间距，仿真创建各种元件基本都以具体设置每个面 和面间距的参数来实现。 面的基本参数包括面型 面： 曲率半径、 、 厚度、 材料，半口径等，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 球面， 曲率半径和半口径为无穷 。 面的厚度和材料的定义都是以指定面起向后算到下一个面之间的这一段的厚度和材料。 面间距：指的是该面在光轴上的交点到下一个面在光轴上的3 / 9 交点之间的距离，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 。 四 报 告 要 求 ： 1. 打 开 安 装 目 录 下 的 samplestutorialtutorial 文件，生成其 2D 图、渲染 、像差特征曲线、 OPD 曲线、曲面数据报告和图解报告 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 ；比较分析 LDE 窗口中两个“半径”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。 3. 试从帮助手册中查找点列图左下角关于 GEO RADIUS 和 RMS RADIUS 的定义和区别。 4. 完成三 .4 的仿真，以自己的学号为文件名存档，上传存档文件，打印其 3D 图 ，并在图上标出球差的范围。 5.试总结本例中是如何实现新建透镜和插入新透镜的。五 实验仪器 PC 机实验二基于 ZEMAX 的简单透镜的优化设计一 实验目的4 / 9 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 特性曲线、 光程差 曲线和点列图 、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 基本设计过程 1 拟好设计草图 ；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。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特性曲线、光程差 曲线和点列图 、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 差曲线：见理论课内容。 点列图 ： 焦点色位移图 ：不同波长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。 -3-5 / 9 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 两种优化工具。 Solves 功能：解 ，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； 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： 设置可供选择的变量； 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； 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 . 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 光线像差 镜要 放置的位置决定添加虚构面后相应各面 的厚度值的改变； -5-6 / 9 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： 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。 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 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。 ZEMAX 中挡光板的具体实现步骤： a. 定位置： 在所需要放置挡光板的位置添加一个虚构面 ，由其要放 置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变； b. 设置参数：将面型 surf： type 双击后的 Aperture 中的光圈类型从 none 改为所需要的挡光类型 ，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，即一个曲率半径 为 2000mm 的镜面和一个 200mm 的孔径。图 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 中输入相关平面的曲率半径、厚度和玻璃类型值 。 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7 / 9 成 标准点列图，并与艾利斑对比来 进行像质的简单分析 。 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 ，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。-6-8 / 9 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. 在光阑面前新添加一 个圆形挡光面，设置合理的面厚度和挡光半径。