物理光学与应用光学上机实验(三)

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1、1 物理光学与应用光学上机实验（物理光学与应用光学上机实验（三三） 实验实验目的：目的：通过上机实验操作，熟悉多重组态设计的思路和使用方法，达到利用多重组态方式进行扫描系统和多重光路系统设计的基本能力。 实验实验要求：要求：根据下面实验指导，完成以下两个光学系统的设计： 系统一：光学扫描系统一：光学扫描镜镜系统系统设计设计 设计指标要求： （1） 设计一个光学扫描系统，反射镜的扫描幅度为 5； （2） 经过扫描后的平行光束被一材料为 N-BK7、 厚度 5mm、 焦距为 100mm的透镜聚焦成像 ； （3） 系统的 EPD（入瞳直径）为 20mm，波长为 0.55um 系统系统二二：Beam

2、Splitter 设计设计 设计指标要求：建立一个材料为 N-BK7、长宽高各为 20mm的 Beamsplitter,其系统的入光瞳径为 30mm，系统波长为 0.55um，如图所示。 50mm 50mm 10mm 20mm 20mm 2 实验指导实验指导 一、一、 多重多重组态设计简介组态设计简介 Zemax提供了一个非常普通的功能，用来定义、分析和优化在多重组态中使用的光学系统。 一个多重组态的设计通常会参照一个多于一种模式或结构进行分析的光学系统。对于多重组态结构的分析，最普遍的应用之一就是变焦镜头（Zoom lens） ，其可允许光学组件的位置以焦距或放大率为函数做改变。其它常用的系

3、统，包括消温差设计（Athermalized designs） 、多重光路系统（multi-path systems）和扫描系统（Scanning systems） 。 多重组态系统的设定与单组态系统设定非常类似。 多重组态编辑器是用来表示那些在不同组态间变化的设计参数。对于这种设计，通常将需要三种组态：第一个组态用于建构整个系统，以至于能在片门（Film gate）上决定均匀度；第二个组态用来优化相匹配的准直镜和聚光镜的光学组件 ；第三个组态将用来决定焦距和透镜数组的间隔。 下面，将通过扫描系统和分光器设计来学习定义多重结构的设计操作过程，并期望通过这两个典型实例， 使同学们能够掌握利用多重

4、组态进行光学设计的目的。 二、二、 实验操作指导实验操作指导 1. 光学扫描系统设计步骤光学扫描系统设计步骤： Step 1: 在序列追迹模式下新建一个 Zemax文件， 根据要求， 设置系统的 EPD（入瞳直径）和波长； Step 2：在新建的 Lens Data Editor 中插入三个光学面，并设置初步的光学参数； 3 Step 3：利用操作实验（二）中透镜的优化方法，对系统中的透镜进行初步优化； Step 4：面 2 添加折叠反射镜面，且使面 2 旋转-45 度； 4 Step 5：使面 3 绕 X 轴旋转-5 度；并注意观察 3D 图的变化； 5 Step 6：点击 Multi-Co

5、nfiguration（或利用 F7 快捷键） ，打开多重组态的编辑界面，并添加两个 Config； Step 7： 设置 Multi-Configuration的操作类型为 PRAM， 并设置相应的参数； 6 Step 8：输出包含有所有组态的 3D 图； Step 9：对系统进行重新优化，再次输出包含有所有组态的 3D 图及各独立组态的图像（各个组态间可通过快捷键 Ctrl+A 进行依次切换） ； Config 1 Config 2 Config 3 7 Step 10： 把光学面4、 7、 8及IMA面的Semi-Diameter解依次设置为 Maximum，再次输出各独立组态的 3D

6、图，并和 Step9 的进行对比； Step 11: 把 Multi-Configuration 改为包含有 5 个 Config 的光学系统， 并再次输出包含所有组态的 3D 图，思考多重组态光学系统设计的本质意义。 Config 1 Config 2 Config 3 8 2. Beam Splitter 设计步骤：设计步骤： Step 1：输入系统参数：EPD 为 40mm, Field 为（0，0） ，波长为 0.55um. Step 2: 分析系统所需光学面，并根据分析插入合适数量的光学面并修改它们的坐标参数； Step 3：利用 Tilt/Decenter Elements 工具把

7、面 3 绕 X 轴旋转 45 度； 9 Step 4：把光学面 2、4、6 的 Aperture 属性改为矩形，其半宽度（XY）分别为：10 10，10 102，10 10（思考为什么？） Step 5：把 3D Layout 图中边缘渐晕光线去掉； 10 Step 6：把光学面 2、6 的表面镀膜属性改为 AR（四分之一波长厚的氟化镁防反射涂层） ，把光学面 4 的表面镀膜属性改为 I.50（理想的半透半反膜层） ； Step 7：打开 polarization ray trace(Analysis Polarization Polarization Ray Trace)，指定下列设置，总的

8、光线透射强度将在窗口下部出现； Step 8：打开 Multi-Configuration Editor (Editors Multi-Configuration)并插入一个 Config； Step 9：在 Multi-Configuration Editor 中插入一个 PRAM 操作并设定坐标变换面 5（3 号面的）关于 X 轴的偏转参数； 11 Step 10：设定 Config2 的操作属性； Step 11：在 Mult-Configuration Editor 中插入一个 GLSS 操作，通过Multi-Config 操作把面 4 的表面属性由 N-BK7（configuration 1）改为镜面(configuration 2)。 Step 12：对面 5、6 插入 THIC 操作并对 Config2 用 Pick up 进行求解（Pick up 因子为-1） ； 12 Step 13：输出 3D 图，则所得图形就是我们所要设计的图形。