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1、注意：从实验二开始，以后的实验，预习报告都只需要抄到“实验内容”中的“设计项目”即可，“实验内容”中的1、2、3、4不用抄了实验二 基于ZEMAX的简单透镜的优化设计一 实验目的学会用ZEMAX对简单单透镜和双透镜进行设计优化。二 实验要求1. 掌握使用ZEMAX实现光学优化设计的基本过程；2. 学会生成光线像差（ray aberration）特性曲线、光程差（OPD）曲线和点列图（Spot diagram）、焦点色位移图和场曲图；3. 学会面厚度的求解方法，学会定义透镜的边缘厚度解和视场角，进行简单的优化； 4. 初步掌握为实际生产和装配考虑的额外设计和优化。三 实验原理（一） 基本设计过程
2、1 拟好设计草图（光路图）；2.软件仿真光路图；3. 优化设计：像质分析评价优化再分析评价再优化-达到指标；4. 输出结果。（二）优化设计仿真光路图完成以后，调用各种像质分析图进行像质分析评价，看设计是否达标，如还未达标，则恰当使用各种优化工具进行初步优化；然后再重新进行分析评价，看是否达标，如此反复，直到设计达标。1. 像质分析图。本实验中需学会调用光线像差（ray aberration）特性曲线、光程差（OPD）曲线和点列图（Spot diagram）、焦点色位移图和场曲图来进行像质分析评价，各图可从主菜单-分析中调出。光线像差（ray aberration）特性曲线：关于光瞳坐标函数的光
3、线像差特征曲线，见理论课内容。光程差（OPD）曲线：见理论课内容。点列图（Spot diagram）：焦点色位移图（Chromatic Focal Shift）：不同波长（颜色）的光线对于同一个正透镜的不同焦距的曲线，可直观看出色差的大小。视场、场曲图：见理论课内容。2. 调用优化工具进行优化。本实验中需掌握solves功能和评价函数(Merit Function)两种优化工具。(1)Solves功能：解（solves），能使一些函数可以自动地调整特定值，可在曲率、厚度、玻璃名称、半径、圆锥系数等参数上指定；(2)评价函数：评价函数也叫优化函数，可由直接调用系统自带默认评价函数或用户自创评价函
4、数来创建，函数中的变量由用户自己在镜头数据编辑框中设置，函数值会实时显示在评价函数编辑框的表头上，函数值越小，说明优化的结果越好。使用评价函数对所设计系统进行优化的步骤：（a）设置可供选择的变量； （b）创建评价函数，可根据设计具体需要，直接调用系统自带默认评价函数，或加入一些限制条件到默认评价函数中重新创建新的评价函数； （c）开始优化。 3. 为实际生产装配考虑的优化设计。为了使软件仿真设计出来光学系统在之后的实际生产加工装配使用时方便，需适当考虑在做软件设计时就考虑到一些额外的设计。如本次实验中为了实际装配需要，将各透镜半口径改得比系统优化后自动生成的半口径稍大。四 实验内容 （一）.
5、设计项目：用BK7玻璃设计一个焦距为100mm的F/4单透镜，要求在轴上可见光范围内最终成像的点列图的RMS RADIUS80，光线像差，光程差。 1. 草拟并仿真光路图。2. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。3. 利用Solve功能来求解第2面的厚度，以便适当的消除离焦现象，更新后观察各分析图的相应变化。4. 将第1、第2面的曲率半径以及第2面的厚度值设为变量，建构并调用默认优化函数（Merit Function）。5. 在调用默认优化函数后的优化函数编辑框中的第一行前按INS插入一个新行，在其oper#列处双击（或右键单击），在弹出的对话框中
6、将操作数选为EFFL，target设为100，weight设为1，确定。6. 调用优化工具进行优化，在优化后更新全部内容，然后观察各分析图的相应变化。7. 分别调用点列图、OPD图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）来观察最优化后的成像质量。8. 将此设计起名保存，生成报告。 （二）. 设计项目： 以前一个实验内容设计优化后的单透镜为基础，添加一块材料为SF1玻璃的透镜来构建胶合双透镜系统，进一步优化成像质量达到点列图的RMS RADIUS11，光线像差，光程差。1. 草拟并仿真光路图。2. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线、点列图、OPD图和渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。3
7、. 设置STO面、第2、第3面的曲率半径，以及第3面的厚度为变量，沿用前例的优化函数，在优化更新后观察各分析图的相应变化，并分别对比单透镜时的点列图、OPD图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）的相应变化，观察双透镜此时的成像质量。4. 为了实际装配需要，将各透镜半口径改得比系统优化后自动生成的半口径稍大（举例为14mm），更新后观察此时的3D图和各特性曲线的变化，从曲面数据报告中查看各面的边缘厚度值。5. 利用Solve功能来求解镜片边缘厚度（举例设计要求为3mm），更新后观察各分析图的相应变化。再一次调用优化函数进行优化后，重新观察各分析图变化。6. 定义视场（系统-视场，举例加入两个分
8、别为7和10的y视场），从分析-杂项-视场场曲调出场曲图来观察此双透镜的离轴特性。7. 将此设计起名保存，生成报告。五 报告要求：1.截屏打印：单透镜：LDE窗口，OPD图，图解报告4，点列图，焦点色位移图双透镜：LDE窗口，第1面的曲面数据报告，2D图，场曲图，焦点色位移图 3.试分析实验内容四（一）.5中加黑部分各项设置的意义； 4.试分析在第1面的曲面数据报告中的Thickess值和Edge Thickness分别指的是什么值，在2D图中标出相应的指向（方向、范围）。 5.上传以各自学号为文件名的*.zmx文件。六 实验仪器 PC机实验三 基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计一实验目的
9、学会使用ZEMAX软件对典型牛顿望远镜进行优化设计。二 实验要求1. 掌握设立反射镜、使坐标中断的方法；2. 学会使用圆锥系数来优化成像质量；3. 学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。三 实验原理1. 牛顿望远镜基本结构：见理论课课本图6-10，抛物面主反射镜+与光轴成45度的平面反射镜构成，是一种全反射式的望远镜物镜；2. 对于球面凹面镜成像，有F=R/2的关系；3. 圆锥系数（conic系数）：见于LDE窗口中每一行的第7列（Conic），这个系数是描述该行所代表的面的曲面函数中的非球面二次曲面系数，决定了该行代表的面的形状，典型值对应的面形状如下： Conic=0 球面； -1Con
10、ic0 主轴在光轴上的椭球面；Conic=-1 抛物面； Conic-1 双曲面。4. ZEMAX中关于在光路中新添加折叠反射镜仿真实现的步骤：（1） 定位置：在所需要放置反射镜的位置添加一个虚构面（空面），由反射镜要放置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；（2） 添加反射镜：从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置相关合适的参数。5. 鬼像与挡光板：（1） 鬼像：成像系统中一些非设计中的反射光线最终沿着非期望的路径达到像面后，会形成鬼像，影响成像质量。（2） 为了尽可能消除鬼像的影响，对于那些位于光路范围内的中间器件（尤其是口径小于主光路口径的），例如本例中的平面反射镜，一
11、般需要在其前面加一块挡光板，消除这些器件对光线不需要的反射。挡光板的口径通常要比被挡元件的口径稍大。（3） ZEMAX中挡光板的具体实现步骤：a. 定位置： 在所需要放置挡光板的位置添加一个虚构面（空面），由其要放置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；b. 设置参数：将面型surf：type双击后的Aperture中的光圈类型从none改为所需要的挡光类型（如圆形挡光），设置合理的挡光半径值，以略大于被挡元件半径为宜。四 实验内容 设计项目：利用ZEMAX软件来设计一个焦距为1000mm F/5的牛顿望远镜，即一个曲率半径为2000mm的镜面和一个200mm的孔径。图3.1典型牛顿反
12、射式望远镜1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新建一个新的空白透镜。2. 在LDE（透镜数据编辑器）中输入相关平面的曲率半径、厚度和玻璃类型值（反射镜玻璃类型为MIRROR）。3. 在主菜单-系统中设置孔径值，并沿用默认的波长和视场角值。4. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。5. 生成标准点列图，并与艾利斑对比（从点列图中选设置-查看比例-Airy Disk）来进行像质的简单分析（为什么此时还未到达最好的成像质量？）。6. 在主反射镜所在的面上设置圆锥系数，使主反射镜的面变为抛物面，此时再重新分
13、析成像质量。7. 在像平面前插入一个新的虚构面（未来放置反射镜），合理设置中断的坐标值以获得光阑面和虚构面的厚度，将两个厚度输入LDE中的相应位置。8. 从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置交叠曲面为2，确定。9. 更新后观察此时的各分析图，注意分析哪些图已经不再起作用了。通过相应按键操作旋转缩放3D类的分析图来观察成像质量。10. 在光阑面（STO）前新添加一个圆形挡光面，设置合理的面厚度和挡光半径。11. 更新后重新观察此时的3D类分析图，观察此时的成像质量和效果。12. 更名存盘后生成报告。五 报告要求：1.分析：（1）试解释添加折返面的对话框中的3个选项的意义及添加后多出来的两个虚构面的作用；（2）若要使本例的反射后的转角分别向上、（垂直于显示器平面）向里和（垂直于显示器平面）向外，那么分别应该做哪些具体改变？2.分别打印反射方向为向上向下向里向外的最终实体图及某一方向的LDE的截图。3.上传任一反射方向的存档，以学号为文件名。六 实验仪器PC机
