光学设计实验指导书

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时间:2018-07-30

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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

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