光学设计实验指导书

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1、《现代光学CAD技术》实验指导书指导老师：汪胜辉湖南文理物电学院1单透镜的设计(ASinglet)一、实验目的：（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；（2）将知道如何键入光学系统的波长（wavelength)、镜头数据(LensData)、光线像差(RayAberration)、fan，光程差（OPD)，点列图（spotdiagrams)等等。（3）确定厚度求解方法（thicknesssolve)和变量（variables)，执行简单光学设计优化。二、实验环境：（1）、硬件环境：普通PC机（

2、2）、软件环境：ZEMAX软件平台三、实验内容：设计一个相对孔径F/4单镜片，在光轴上可见光谱范围内使用，其焦距（focallength）为100mm，全视场2ω为8º用冕牌BK7来作镜片。四、实验步骤：首先，运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑(LDE)，可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸，以适应你自己的喜好。LDE有多行和多列组成，类似于电子表格，曲率半径(radius)、厚度(thickness)、玻璃(class)和半径口径(Aperture)等列使用最多，其他的则在特

3、定类型的光学系统中才会用到。LDE中的小格会以“反白”方式高亮显示，即以与其它格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。这个反白条表示的是光标，可以用鼠标在格子上点击来操作。然后，系统参数设置。开始，输入系统波长，这个不一定先完成，只不过现在我们选定了这一步。在主屏幕菜单条上，选择“系统(system)”菜单下的“波长（Wavelength)”。屏幕中间会弹出一个“波长（WavelengthData)”对话框。ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供选择。用鼠标在第二和第三行的“使用（Us

4、e）”上单击一下，将会增加两个输入波长使总数成为三。现在，第一个“波长”行中输入486，这是氢F谱线的波长，单位为微米。ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。现在，第二行波长列中输入0.587，最后在第三行输入0.656，这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作。这个指示器指出了主要的波长（primarywavelength），当前为0.-40-486微米。在主波长的第二行上单击，指示器下移到0.587的位置。主波长用来计算近轴参数,主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxialopti

5、cs，即first-orderoptics)下的几个主要参数，如focallength，magnification，pupilsizes等。“权重（weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸。现在让所有的权为1.0，单击OK保存所做的改变，然后推出波长数据对话框。现在我们定义镜片的一个口径。这可以使ZEMAX在处理其他的事情上，知道每个镜片该被定义多大。我们设计一个F/4的透镜，需要一个25mm的孔径（100mm的焦距，相对孔径F/4）。设置这个孔径值，选择“系统(sy

6、stem)”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（GeneralData）”对话框，单击“孔径值（AperValue）”一格，输入25，孔径类型选择“入瞳直径（EntrancePupilDiameter）”，也可以选择其它类型的孔径设置。ZEMAX模型光学系统使用一系列的表面，每一个表面有一个曲率半径和玻璃。在LDE中显示有三个面。物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO表示；像面，以IMA表示。对我们来说，单透镜一共四个面：物平面、前镜面（光阑面）、后表面和像面。要插入第四

7、个表面，只需将光标移动像平面的“无限（Infinity）之上，按INSERT键。这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面下移，新面被标为第2面。注意物体所在面为第0面，然后才是第1、第2、第3面。现在输入使用的玻璃。移动光标到第一个面的“玻璃（Glass）”列，即在左边标作STO的面。输入“BK7”回车。ZEMAX有一个非常广泛的玻璃目录可用，我们所用的仅仅是BK7，ZEMAX会去查找所选定的玻璃并计算每一波长的色散系数等数据。由于透镜的孔径是25mm，合理的镜片厚度是4mm。移动光标到第1个面

8、的厚度列，并输入“4”，缺省单位是毫米。现在，需要为镜片输入每一面的曲率半径值，前面和后面的半径分别是100和-100。在第1和2面中分别输入这些值。在这里注意符号约定。在镜片焦点处设置像平面的位置，所以要输入一个100的值，作为第2面的厚度。如何判断镜片是否好呢？最有用的判断工具是光学特性曲线图。要产生一幅光学特性曲线图，先选择“分析（Analysis）”菜单，然后选择“图（Fan）”菜单，在选择“光线像差（RayAberration）”将会看到光学特性曲线图在一个小窗口显示出来。其中raya