实验一：单镜头设计(Singlet)实验目的：1、学习如何启用 Zemax2、 学习如何输入波长(wavelength)、镜头数据(lens data)3、 学习如何察看系统性能(optical performance),如 ray fan, OPD，点列图(spot diagrams), MTF 等4、 学习如何定义thickness solve以及变量(variables)5、 学习如何进行优化设计(optimization)实验仪器：微机、 zemax 光学设计软件实验步骤：1、 设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距(focal length)为100mm,波长为可见光，用 BK7 玻璃为材料2、 首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)什么是LDE呢？它是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius, thickness，大小， 位置等3、 然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。
在第 二、三行键入 0.587 及 0.656，然后在 primary wavelength 上点在 0.587 的位置，primary wavelength 主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数， 如 focal length， magnification， pupil sizes 等4、 确定透镜的孔径大小既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？ F/#就是光由无限远入射所形成的 effective focal length F 跟 paraxial entrance pupil 的直径的比值所以现在我们需要的 aperture 就是 100/4=25(mm)于是从 system menu 上选 general data， aperture type 里选择 entrance pupil， 在 apervalue 上键入 25，然后点击 ok5、 回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ, STO及IMAOBJ就是发光物，即光源， STO即孔径光阑aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一 组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一 栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。
而IMA就是imagine plane，即成像平面回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是点击IMA栏，选取insert， 就在STO后面再插入一个镜片，编号为2,通常OBJ为0，STO为1,而IMA为36、 输入镜片的材质为BK7在STO列中的glass栏上，直接键入BK7即可7、 孔径的大小为25mm,则第一镜面合理的thickness为4,在STO列中的thickness栏上直接键入4Zemax 的默认单位是 mm8、 确定第1及第2镜面的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负值再令第 2 面镜的 thickness 为 1009、现在数据已大致输入完毕如何检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，然后选择其 中的 Ray Aberration，将会出现如图 1-1 所示的 TRANSVERSE RAY FAN PLOT图1-1其中ray aberration是以chief ray为参考点计算的纵轴为EY的，即是在Y方向的aberration， 称为 tangential 或者 YZ plane同理 X 方向的 aberration 称为 XZ plane 或 sagittal。
ray fan 在原点 处的倾斜说明存在离焦defocus10、 Zemax主要的目的，就是帮我们矫正defocus，用solves就可以解决这些问题solves是一些函数， 它的输入变量为 curvatures， thickness， glasses， semi-diameters， conics， 以及相关的 parameters 等parameters是用来描述或补足输入变量solves的型式如curvature的型式有chief ray angle， pick up， Marginal ray normal， chief ray normal， Aplanatic， Element power， concentric with surface 等而描述 chief ray angle solves 的 parameter 即为 angle，而补足 pick up solves 的 parameters 为 surface， scale factor两项，所以parameters本身不是solves，要调整的变量才是solves的对象在surface 2栏中的thickness项上点两下，出现solve对话框，把solve type从fixed变成Marginal Ray height，然后OK。
这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0,即paraxial focus 此时surface 2的厚度自动调整为96mm再次update ray fan,将出现图1-2， defocus不见了11、 但这是最佳化设计吗？再次调整surface 1的radius项从fixed变成variable，依次把surface 2的 radius 从 fixed 变成 variable， 及 surface 2 中 thickness 的 Marginal Ray height 也变成 variableo12、 我们再来定义一个Merit function，什么是Merit function呢？ Merit function就是把你理想的光学 要求规格定为一个标准（如此例中focal length为100mm）,然后Zemax会连续调整你输入solves 中的各种variable,把计算得的值与你订的标准相减就是Merit function值，所以Merit function值 愈小愈好，挑出最小值时即完成variable设定，理想的Merit function值为0如何设Merit function， Zemax已经default 一个内建的merit function，它的功能是把RMS wavefront error减至最低，所以先在editors中选Merit function，进入其中的Tools，再按Default Merit Function键，再按ok，即我们选用default Merit function ，这还不够，我们还要规定给meritfunction 一个焦距focal length为100的限制，因为若不给此限制则Zemax会发现focal length为 infinit时，wavefront aberration的效果会最好，当然就违反我们的设计要求。
所以在Merit function editor第行中往后插入一行，即显示出第 2行，代表surface 2，在此列中的type项上键入 EFFL(effective focal length)，并回车，同列中的target项键入100，并回车，weight项中定为1， 并回车跳出 Merit function editor，在 Tools 中选 optimization 项，按 Automatic 键，完毕后跳出 来，此时你已完成设计最佳化重新检验ray fan,将出现图1-3，这时maximum aberration已降 至 200 microns o图1-2图1-313、其它检验 optical performance 还可以用 Spot Diagrams 及 OPD 等从 Analysis 中选 spot diagram 中的standard,则该spot大约为400 microns上下左右父错，与Airy diffraction disk比较而言，后者 大约为6 microns交错而 OPD 为 optical path difference（跟 chief ray 作比较）,从 Analysis 中选泽 Fans,然后选泽 Optical Path，将出现图 1-4,其中的 aberration 大约为 20 waves，大都 focus, spherical, spherochromatism 及 axial color oZemax 提供一个确定 first order chromatic abberation 的工具，即 the chromatic focal shift plot, 这是把各种光波的focal length跟用primary wavelength计算出first order的focal length之间的差 异对输出光波的wavelength作图，图中可指出各光波在paraxial focus上的variation。
从Analysis 中 Miscellaneous 项的 Chromatic Focal Shift 即可得出图 1-5□ PTTI-RI PRTH nT=FFPFFir：FLENS HFS 40 TI-LE.thu nrn iaMAXIMUM SCALE: ± 20n0QO l.-H'-'ES .O. Me6 0.560 0.65Ei C i \ZEm：：0..SHHPLES--LENS . 2MXCCHF匚匚1」电l=fTH 口网 1 DF 1图1-4EL Hat-1国.63930.62220.t0E20・0.57J20・ GGH2EI.537Z0.52020.E：031-2900.ODOO. ODOFDCflL SHIFT IN MICRONS20130 .I33EIEHBOPATIC FDD=IL ^HIFTLENS HRS Nil TITLE. —THU FirF. 1 □MAXIMUM FOCAL 3-IIFT 口口 b4DE ： M29L MICRONSOIFFRRCTZEDN LIMITED RANGE i 36 . Fb爭 MICR□忖吕 PUF'IL ZONE : D.0ODG Ci XZEMAXXSANPLESXLEIIS ・CONFTGURATH口H 1 OF I实验二：双胶合镜头（doublet）实验目的:1、 学习如何画出 layouts 和 field curvature plots2、 学习如何定义 edge thickness solves, field angles 等实验仪器：微机、zemax光学设计软件实验原理：一个双胶合镜头doublet是由两片玻璃组成，通常粘在一起，所以他们有相同的曲率curvature。
利用不同玻璃的色散性质dispersion,色差the chromatic aberration可以矫正到first order，所以剩下的 chromatic aberration 主要的贡献为 second order，于是我们可以期待在看 chromatic focal shift plot 图时， 应该呈现。