ZEMAX光學設計軟件應用訓練實驗報告x
時間：2020-11-08 16:57:37 來源：勤學考試網 本文已影響 人 
東莞理工學院
ZEMAX光學設計軟件應用訓練實驗報告
學院：
年級專業 班級：
姓名：
學號：
指導老師
成績
實驗課程名稱
光學設計軟件應用訓練
實驗項目名稱
實驗一：鏡頭設計——雙鏡片的構造與測試部分
一、實驗目的：
熟悉 Zemax 的光學優化設計功能；
熟悉 Zemax 中關于光學性能分析的幾種像差參數；
二、實驗內容： 設計雙膠合鏡片鏡頭。
利用 Zemax 軟件優化并測試該鏡頭的光學性能。
三、實驗器材：
pc 機一臺
Zemax 軟件
Zemax Manual 一冊（英文版）
四、實驗步驟
1、運行 zemax。
2、輸入波長數據： 選擇“系統（ System）”菜單下的“波長（ Wavelengths）”。屏幕中間會彈出一個 “波長數據（ Wavelength Data ）”對話框。用鼠標在第二和第三行的“使用（ Use）”上單擊一下，將
會增加兩個波長使總數成為三。
在第一個 “波長” 行中輸入 0.486；在第二行的波長列中輸入 0.587； 在第三行輸入 0.656?！皺嘀兀?Weight ）”讓所有的權為 1.0，單擊 OK 。
3、輸入鏡片數據： 定義一個孔徑，選擇“系統”中的“通常（ General）”菜單項，出現“通常數據
（ General Data ）”對話框，單擊“孔徑值（ Aperture Value ）”一格，輸入一個值： 25。
插入面，只需移動光標到像平面（最后一個面）的“無窮（ Infinity ）”之上，按 INSERT 鍵（ Edit 菜單里面也有 insert 操作）。
移動光標到第一面的“玻璃（ Glass）”列，輸入“ BK7 ”并敲回車鍵，厚度列輸入 4，半徑是 100。
移動光標到第二面的“玻璃（ Glass）”列，輸入“ SF1”并敲回車鍵，厚度 3，半徑 -100。
移動光標到第三面厚度 100，半徑 -100。
注意缺省的單位是毫米。
4、光學性能分析： 選擇“分析( Analysis )”菜單，然后選擇“圖( Fan)”菜單，再選擇“光線像 差( Ray Aberration )”。得到光線特性曲線圖，光線特性曲線通過原點的傾斜表示有離焦現象存在。
5、優化離焦： 在第 2 面的厚度上雙擊，彈出 solve 對話框，顯示“固定”，在下拉框上單擊，將 solve 類型改變為“邊緣高度”， 點擊 OK。從光線特性曲線窗口菜單， 單擊“更新”。
離焦已消失， 主要的像差是球差。
6、優化像差 ：將光標移到第 1 面的半徑這一列，然后按 ctrl-z ，出現“ v”表示一個可變的參量。
再在第 2，3 面半徑以及第 3 面的厚度上設置變化的標志。
定義“評價函數”，選擇“編輯”菜單下的“評價函數”，出現一個表格。選擇“工具”菜單下的 “缺省評價函數”點擊 reset ，然后 OK。
第 1 行中的任何一處點擊鼠標，使光標移到評價函數編輯的第一行，按下 insert 插入新一行。在 “type ”列下輸入 EFFL然后按回車。
光標移到“ target ”列輸入 100 然后按回車。
“權重”輸入 1。
現在從主菜單條中選擇“工具”菜單下的“最佳化( Optimization )”，會顯示最佳化工具對話框。注 意“自動更新( Auto Update )”復選框。然后單擊“自動( Automatic )”， ZEMAX 會很快地減少評 價函數。單擊“退出( Exit )”關閉最佳化對話框。如下圖
離軸特性 ：選擇“系統”“ field ” 得到“ field data ”對話框，單擊第 2、3 行的“ use”選 擇 3 個視場， y 視場列的第 2 行輸入 7，第 3 行輸入 10 ，其他為 0。 選擇“系統”“更新”，
得到光學特性曲 線圖，如下圖所示。
選擇“ analysis ”，“ miscellaneous ”，“ field curv/dist ”場曲線如圖所示。
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實驗項目名稱
實驗二：牛頓式反射望遠鏡
一、實驗目的
熟悉 Zemax中非球面鏡面的定義與輸入方法 熟悉 Zemax中三維圖形顯示； 熟悉 Zemax中牛頓式望遠鏡的設計。
二、實驗內容
設計一個 F/5 的牛頓式望遠鏡，焦距為 1000mm； 利用 Zemax構造一個轉折面；
利用 Zemax軟件觀察該望遠鏡三維圖形。
三、實驗器材 pc 機一臺 Zemax 軟件
Zemax Manual 一冊(英文版)
四、實驗步驟
牛頓式反射望遠鏡結構示意圖
1．輸入數據：第一面，光闌面的曲率半徑列輸入 -2000.0 ，負號表示為凹面， 厚度值-1000.0 ，“ Glass ” 列輸入“ MIRROR”。選擇“ System”，“ General ”，然后在“通用數據對話框( General Data Dialog Box)”中輸入一個 200 的孔徑值，并單擊“ OK”。ZEMAX使用的缺省值是波長 550，視場角 0。
現在打開一個圖層窗口，光線顯示了從第一面到像平面的軌跡，此時像平面在鏡面的左邊。
如下圖：
第一面的“ Conic ”列輸入 -1 ?，F在選“ System”，“ Update ”菜單項刷新所有的窗口，在更新后的 點列圖上，你可以看到有一小簇的光線在六角環帶的中心， RMS點尺寸是 0。如下圖：
2．構造轉折面： 第一面的厚度改為 -800mm。像平面，按 Insert 在主面與像平面之間插入一個虛構 的面。新的虛構面上輸入一個 -200.0 的厚度值。
單擊“ Tools ”，“Add Fold Mirror ”，然后設置 “Fold Surface ”為 2，單擊“ OK”。通過“ Analysis ”， “ Layout ”，“ 3D Layout ”菜單來得到。如下圖：
3．構造遮攔面： 第一面，厚度設為 900mm。雙擊第一面的“ Standard ”，在對話框中為孔徑類型選 擇圓形遮攔( “ Circular Obscuration ”) , “最大半徑( Max Radius )”輸入 40，然后單擊 OK，再
更新 3維圖.選擇“ Setting ”，然后將第一面和最后一面的選項分別改為 1和6，或單擊“ Reset ”，
然后按“ OK”。如下圖：
思考題與實踐題：
1、牛頓反射式望遠鏡屬于我們《應用光學》書本上所介紹的那種望遠鏡系統？ 答：是的。
2 、牛頓反射式望遠鏡較容易產生彗差， 我們如何在 Zemax 中利用不同的入射光線來體現出此彗差？ 該反射系統有色差嗎？ 答：牛頓反射式望遠鏡產生的彗差，造成影樣偏離軸心擴散的變形現象。這種擴散在光軸上為零， 隨著鏡子的視域呈線性的增加，也與焦距除以口徑的商(焦比)的平方反比來擴散。通常在焦比大
于 f/6 的系統，彗差已經可以忽略掉，不會影響目視或攝影的結果。
焦比小于 f/4 的系統，雖然 不能忽視彗差，但可以借由廣視野和低倍率成像來避免。同時，透鏡也可以用在修正牛頓主鏡的彗 差上，讓影像恢復原有的明銳。
實驗項目名稱 實驗三：施密特—卡塞格林望遠鏡系統 一、實驗目的
掌握 Zemax中非球面鏡面的定義與輸入方法
掌握 Zemax中利用非球面鏡的優化像差
熟悉 Zemax中 MTF的使用
二、實驗內容 設計一個帶多項式非球面矯正器施密特—卡塞格林系統 優化該系統的色球差
三、實驗器材
pc 機一臺
Zemax 軟件
Zemax Manual 一冊（英文版）
四、實驗步驟
1．輸入數據： 選擇“ SYSTEM”，“ GENERA”L，輸入 10 作為孔徑值。在同一個屏幕上，將單位“毫米 （Millimeters ）”改為“英寸（ Inches ）”。選擇“ SYSTEM”，“ WAVELENGT”H，S得到“波長數據”屏 幕，設置 3個波長： 486， 587，和 656，其中 587 為主波長。如下圖：
選擇 2D Layout 演示一下圖形以驗證一切是否就緒?，F在我們將加入輔助鏡面，并安放像平面。我 們以后將讓 ZEMAX為輔助面計算恰當的曲率。
現在修改表格， 使之如下表所示的以表達一個新的面。
如下圖：
注意我們已將主反射面的距離減小到 -18 ，第四面的半徑已經被加入了一個變量標記。新 2D Layout
圖層，檢查一切是否正常。如下圖：
2. 優化及光學性能分析： 選擇“ Editors ”，“ Merit Function ” 顯示評價函數編輯從評價函數編 輯窗口菜單中選“ Tools ”，“ Default Merit Function ”，單擊“ Reset ”，然后改變“ Rings ”選項
為“ 5”，單擊 OK。
選“ Tools ”，“ Optimization ”，選“ Automatic ”，評價函數很快將下降到約 1.3 。選擇“ SYSTEM”， “UPDATEA LL”，然后選擇“ ANALYSIS”，“FANS”，“ OPTICAL PATH”演示 OPD圖， OPD圖顯示離焦和
球差。如下圖：
注意大約有 4 個波長的像差仍然有待改正?，F在單擊第一面（光闌面）的“ STANDAR”D 表面類型，
從所顯示的對話框選擇“ EVEN ASPHER”E，單擊 OK。
向右移動光標直到“ 4th Order Term ”列，鍵入 Ctrl-Z ，當前為 0。這樣就給這個參數設置了一個 變量標記。也在“ 6th Order Term ”和“ 8th Order Term ”上設置變量標記。
現在選擇“ Tools ”，“ Optimization ”，再單擊“ Automatic ”，單擊“ Exit ”。
再次更新 OPD圖，如下圖：
設置第一面的半徑為變量，再次優化( Tools ， Optimization ， Automatic )。評價函數將會再次下
降?，F在單擊 EXIT，更新 OPD圖。如下圖：
從主菜單，選 SYSTEM，FIELDS，并將視場角的個數設置為 3，輸入 y-角0.0 ，0.3 和 0.5 度。
在評價函數編輯時，選 Tools ， Default Merit Function ，并將 RINGS改為 4，單擊 OK。如下圖：
如下圖
，然后單擊 Automatic ，當已聚集后，單擊 EXIT，再次更新 OPD圖。
現在選 Tools ， Optimization
3. 使用 MTF功能： 要看 MTF圖，可從主菜單中選擇 Analysis->MTF->FFT MTF 。如下圖：
返回到 LDE，雙擊第三面的第一列， 從孔徑類型列中選圓形 “ Circular Aperture ”，在“ Min Radius ” 中輸入 1.7 ，在“ Max Radius ”中輸入 6 。
仍然在第三面時，按下 Insert 鍵，將新面（即第 3面）的厚度從 0 改為 20，在第 1列上雙擊，將 孔徑類型設為“ Circular Obscuration ”，并將“最大半徑（ Max Radius ）”（不是最?。┰O為 2.5 ， 同時，將半口徑定為 2.5 。將第 2 面的厚度由 60 改為 40。然后單擊 OK。更新圖形，如下圖：
在遮擋器和輔助鏡面之間的小縫隙純粹是很小的一點。這里是為了更容易讓大家看到。
MTF現在已被主要是輔助鏡面產生的遮擋所改變。更新 MTF窗口，看一下新的 MTF，如下圖：
