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 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 RADIUS11，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、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 3.试分析实验内容四（一）.5中加黑