光学系统设计实验指导书2014.doc

实验 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samplestutorialtutorial 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（）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samplestutorialtutorial zoom2.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。4. 多重结构：只用一套光学系统，利用其多重结构，只需要改变系统中各元器件之间的间距，而无需改变各元器件的形状，就能在多种不同条件下，如多种成像波长（本实验中情况）或多种成像物距等，都能较好的成像。例如调焦照相机系统，就是利用只改变透镜间距，完成对不同物距的物体的清晰成像。多重结构的设置步骤：（a） 仅针对某一个单一结构（即单一成像条件）先进行结构初步仿真；（b） 在多重结构编辑窗（若此窗体默认未出现，可从主菜单-编辑中调出）中构建多重结构，插入所需要的新结构，选择合适的能区别各个不同结构的操作数，并设置适当的操作数的参数值。5.近轴面（paraxial）：一种可理想成像的正薄（薄体现在其只是一个面，无普通透镜的厚度）透镜，可对平行光进行完全无像差的聚焦。可双击所需要设置的面的surf：type列，从type标签中把默认的standard改成paraxial，并在LDE窗口中设置适当参数值。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单正透镜，要求在轴上可见光范围内最终成像的点列图的RMS RADIUS80，光线像差，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，建构并载入默认优化函数（Merit Function）。5. 在载入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）来观察优化后的成像质量。8. 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。9. 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。10. 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。11. 将此设计起名保存，生成报告。 （二）. 设计项目（选做）： 以前一个实验内容设计优化后的单正透镜为基础，添加一块材料为SF1玻璃的负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 RADIUS15，光线像差，光程差。（三）. 设计项目：设计一个激光扩束镜，使用的波长为1.053m，输入光束直径为100mm，输出光束的直径为20mm，且输入光束和输出光束平行。要求只使用两片BK7镜片，设计必须是伽利略式的（没有内部焦点），在镜片之间的间隔必须不超过250mm，只许使用1片非球面，系统必须也能在波长为0.6328m时测试。图5.1 激光扩束器简单结构示意图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，同时新开一个新的空白透镜。2. 在主菜单-系统里分别设置入瞳直径为100，波长为1.053微米。3 在像平面前插入4个面，输入相关各面的厚度、曲率半径和玻璃类型值，如下表所举例数据：4. 设置两重结构，设置wave和第2面的THIC为区别两个不同结构的操作数，设置相应的参数值。5. 设置适当的变量，包括两个结构共有的变量和某一结构单独拥有的变量。再从主菜单-编辑-优化函数构建一个优化函数，在第一行。6. 从评价函数编辑窗中选工具-默认优化函数，再在默认评价函数中插入一个新的空白行来编写新的限制条件：将新行的操作数类型改为REAY，为surf输入5，为Py输入1.00，target输入10，weight输入1。7. 从主菜单-工具中选择优化，优化完成后生成OPD图，分析此时的像质。8. 将第1面的圆锥系数（conic）列设为变量。再次优化后，重新生成OPD图，分析此时的像质。9此时若双击多重结构的config1列头，更新OPD图，得到关于1.053波长的OPD图；若双击config2列头，则得到0.6328波长的OPD图，分析像质。快捷键ctrl+A可用来在这两个配置之间快速切换。10. 存盘后生成报告。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；（选做）双透镜：LDE窗口，第1面的曲面数据报告，2D图，场曲图，焦点色位移图；扩束镜：两个结构分别的最终LDE窗口、OPD图和实体图（转角）。 3.试分析实验内容四（一）.5中加黑部分各项设置的意义； 4.试分析在双透镜中第1面的曲面数据报告中的Thickess值和Edge Thickness分别指的是什么值，在2D图中标出相应的指向（方向、范围）。5.分析此实验近轴面（paraxial）的作用是什么？其焦距和面厚度的关系应为？6.分析实验内容四（三）.6加黑部分各项设置的意义； 7.试简要分析什么叫做多重结构，其主要作用是什么？ 8.上传以各自学号+单透镜（双透镜、扩束镜）为文件名的*.zmx文件。六 实验仪器 PC机实验二 基于ZEMAX的施密特-卡塞格林系统的优化设计一 实验目的学会使用ZEMAX软件对带有非球面矫正器的施密特-卡塞格林系统进行优化设计。二 实验要求 1. 掌握使用多项式的非球面的方法； 2. 学习挡光板的知识，通光孔的相关知识，并将两者进行比较； 3. 掌握OPD图和MTF分析像质的简单方法。三实验原理1.施密特-卡塞格林结构：结合施密特结构和卡塞格林结构的一种望远镜物镜结构，具体结构见实验内容中结构图或理论课课本相关内容。构建时以施密特结构为基础，嵌入卡塞格林结构。2.非球面：ZEMAX默认的面类型（surf：type）为标准（standard），是标准的圆球面，对应的曲面方程为标准球面方程，通常来说校正像差的能力有限，使用各种不同的具体类型的非球面，可以获得更好的校正像差的效果，但一般来说，非球面的实际制造比较困难，优化设计时应少用慎用，尤其不宜用过于复杂的太高阶的非球面。本次实验中用到的是一种较常见的非球面：偶次非球面(EVEN ASPHERE)，即这种非球面的曲面方程中只含有偶次项，如平方项、4次方项、6次方项偶次非球面的设置方法：双击所要设置面对应在LDE窗口中的行的surf：type列，在弹出的面型属性设置对话框中的tpye标签中，把面型从默认的standard，改为EVEN ASPHERE，确定即可。此时，该行的后几列中将相应出现“4th（6th、8th） Order Term”等项，可供作为优化函数的变量设置。3. 鬼像与挡光板：（1） 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。（2） 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（尤其是口径小于主光路口径的），例如本例中的曲面反射镜，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。（3） 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（空面），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（如圆形挡光），设置合理的挡光半径值，以略大于被挡元件半径为宜。4.通光孔：ZEMAX中每个面默认的都是完全透光的，也就是说即使把面的Glass设置为反射镜MIRROR，若不人为的改变其反射后光线的到达的下一面的厚度值，光线也会穿透MIRROR继续前进。如果想要的设计结果也正好是需要光线穿过反射镜继续前进的（本例中的卡塞格林结构的主反射镜即为此种情况），ZEMAX中本无需更改即可完成这种仿真设计，然而实际中，光线是不可能直接穿透反射镜继续前进的，所以为了考虑到实际制造时的需要，在ZEMAX仿真中，需要多加一个通光孔的设计，以便实际制造出来的反射镜能在需要的部分透射出光。通光孔的设置步骤：a. 定位置：确定所需要放置通光孔的面；b. 设置参数：将面型surf：type双击后的Aperture中的光圈类型从none改为所需要的光圈类型（如圆形光圈），设置合理的最大及最小半径（Min Radius、Max Radius），最小半径一般略大于所需要通光光束的半径值，最大半径一般默认为这个通光孔所在元器件本身的尺寸，也可以改为略大于此元器件本身的半径。5.MTF曲线图：即调至传递函数曲线图，反映物体经光学系统成像后对比度的变化情况，中频段一般代表传递物体的层次的能力，对于摄影物镜来说，一般希望中频段能比较平坦，以便获得较为一致的对比度。衡量一个摄影物镜系统好坏的MTF评价标准通常为：MTF值越高越好，中频段越平坦越好，子午和弧矢MTF曲线重合度越高越好。四实验内容设计项目：球面反射镜（主镜）设计一个带多项式非球面矫正器的施密特-卡塞格林系统，要求10英寸的孔径，10英寸的后焦距（从主镜的后面到焦点）。施密特校正板图2.1 典型的带有施密特校正板的折反射式物镜 图2.2 典型的卡塞格林反射式物镜图2.3 内嵌卡塞格林结构的施密特系统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. 从主菜单-系统-通用配置里设置孔径值和单位（英寸），同样在系统-光波长里设置覆盖可见光波段的3个典型波长，设置主波长值。（至此完成系统参数的设置）3. 在光阑面后插入两个面，输入相应的各面的厚度、曲率半径和玻璃类型值（其中施密特校正板用BK7，厚度举例为1英寸）。4. 生成2D草图来观察此时的光路和成像效果。（至此完成施密特结构的创建）5. 新添加一个辅助镜面（即图2.2中的双曲面），合理设置各个平面新的厚度、曲率半径值，并将第四面的曲率半径设为变量，未来让ZEMAX自动求解。6. 构建新的优化函数，在优化后更新全部内容。7. 生成OPD图，分析成像质量。8. 将第一面（STO）的表面类型改为“EVEN ASPHERE”以便为非球面矫正器指定多项式非球面系数。将该面的“4th（6th、8th） Order Term”项分别设为变量。9. 选择主菜单-工具-优化，优化后重新更新OPD图，分析此时的成像质量。10. 将第一面的半径设为变量，再次优化，更新后生成OPD图，分析此时的成像质量。11. 从主菜单-系统-视场里将视场角个数设置为3，输入适当的y角度（举例分别为0，0.3，0.5），更新后对比观察此时的OPD图。12. 重新构建优化函数对此设计进行进一步的优化，更新后再观察此时的OPD，分析成像质量。13. 从主菜单-分析-调制传递函数-快速傅里叶变换生成MTF图，由图分析此时的像质。（至此完成卡塞格林结构的创建和优化）14. 返回LDE，双击第三面的第一列，将Aperture标签中的光圈类型改为“圆形光圈”，设置最小半径为1.7，最大半径为6，完成主反射面上缺口的设计。15. 在第三面前插入一个新的面（此时原来的第三面变位第四面），将新面（即现在的第三面）厚度改为20。将第二面的厚度由60改为40。16. 将第三面的第一列的孔径类型改为圆形挡光，最大半径设为2.5。再将第三面的半口径定为2.5。（至此完成挡光板和通光孔的设置）17. 更新全部内容后重新观察MTF图和3D类型的各分析图，分析此时的成像质量。18. 存盘后生成报告。五 报告要求：1. 试分析实验内容14、15、16中各个参量的设置理由；2. 试分析在添加了挡光板和通光孔后MTF曲线有了什么样的变化，对于成像质量而言有什么影响；3. 打印最终的LDE图、实体模型图、MTF图、OPD图（含3个视场角）。4.上传最后的存档文件。六 实验仪器PC机实验三 基于ZEMAX的复杂光学系统优化设计一 实验目的学会自主地在多重结构中将复杂嵌构式的望远镜物镜进行优化设计