ZEMAX實驗指導(dǎo)書(初學(xué)的練習(xí)教程)

1、實驗一光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX的安裝和基本操作一、實驗?zāi)康膶W(xué)習(xí)ZEMAX軟件的安裝過程，熟悉 ZEMAX軟件界面的組成及基本使用方法。二、實驗要求1、掌握ZEMAX軟件的安裝、啟動與退出的方法。2、掌握ZEMAX軟件的用戶界面。3、掌握ZEMAX軟件的基本使用方法。4、學(xué)會使用ZEMAX的幫助系統(tǒng)。三、實驗內(nèi)容1 .通過桌面快捷圖標(biāo)或“開始一程序”菜單運(yùn)行ZEMAX ,熟悉ZEMAX的初始用戶界面，如下圖所示：麟 £門喜duu etsi eMPLE iLL NN配 Jpe | 3六 Sa. |W Sen Fb W小|1 u/L3dJDd|:p>Mil | trie H JplEd

2、Lem 3第Pie |就芭工冷相方胃不1"舌in二討Hi”| 二 FTXMMfl）北4 Ei卡由昨小不般由3KBM1ftThi rim*" El獸 w，i寺i a4it：CvniirIfklSJUtT口皿ggQ.EMQQSTDInfznztjVIDLOOODOCiBET1D ODOOQO0 oooooozT口 CmDa.ooooaoQ.OOOOOO3In5.000000BET1o ooikooO.OOiMiOO0 CCCOCCE+| _ 'nJQpET *TypeTarPhIlVc- ght.|】FL際3XMKAICT-L17E二 17L匚3E>0小J1： H

3、Dr口n圖：ZEMAX用戶界面2 .瀏覽各個菜單項的內(nèi)容，熟悉各常用功能、操作所在菜單，了解各常用菜單的作用。3 .學(xué)會從主菜單的編輯菜單下調(diào)出各種常見編輯窗口。4 .調(diào)用ZEMAX自帶的例子（根目錄下Samples文件夾），學(xué)會打開常用的分析功能項： 草圖（2D草圖、3D草圖、實體模型、渲染模型等）、特性曲線（像差曲線、光程差曲線）點(diǎn)列圖、調(diào)制傳遞函數(shù)等，學(xué)會由這些圖進(jìn)行簡單的成像質(zhì)量分析。5從主單中調(diào)用優(yōu)化工具，簡單掌握優(yōu)化工具界面中的參量。6掌握鏡頭數(shù)據(jù)編輯窗口的作用以及窗口中各個行列代表的意思。7從主單-報告下形成各種形式的報告。8通過主單-幫助下的操作手冊調(diào)用幫助文件，學(xué)會查找相關(guān)幫

4、助信息。四、 實驗儀器PC 機(jī)實驗二基于 ZEMAX 的簡單透鏡的優(yōu)化設(shè)計1 實驗?zāi)康膶W(xué)會用ZEMAX寸簡單單透鏡和雙透鏡進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。2 實驗要求1. 掌握新建透鏡、插入新透鏡的方法；2. 學(xué)會輸入波長和鏡片數(shù)據(jù)；3. 學(xué)會生成光線像差（ ray aberration ） 特性曲線、光程差 （ OPD） 曲線和點(diǎn)列圖（ Spotdiagram ） 、產(chǎn)生圖層和視場曲率圖；4. 學(xué)會確定鏡片厚度求解方法和變量，學(xué)會定義邊緣厚度解和視場角，進(jìn)行簡單的優(yōu)化。3 實驗內(nèi)容（1） .用BK7玻璃設(shè)計一個焦距為 100mm的F/4單透鏡，要求在軸上可見光范圍內(nèi)。1. 打開ZEMAX：件，點(diǎn)擊新建，以抹去

5、打開時默認(rèn)顯示的上一個設(shè)計結(jié)果，同時新建一個新的空白透鏡。2. 在主菜單- 系統(tǒng)- 光波長彈出的對話框中輸入3 個覆蓋可見光波段的波長，設(shè)定主波長。同樣在系統(tǒng)- 通用配置里設(shè)置入瞳直徑值。3. 在光闌面的Glass列里輸入BK7作為指定單透鏡的材料，并在像平面前插入一個新的面作為單透鏡的出射面。4. 輸入相關(guān)各鏡面的厚度和曲率半徑。5. 生成光線像差特性曲線、2A 3D圖層曲線和實體模型、渲染模型等分析圖來觀察此時的成像質(zhì)量。6. 利用 Solve 功能來求解鏡片厚度，更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化。7. 利用主菜單- 工具 - 優(yōu)化 - 優(yōu)化來對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化。8.

6、 調(diào)用并建構(gòu)優(yōu)化函數(shù)（Merit Function ） ，在優(yōu)化后更新全部內(nèi)容，然后觀察各分析圖的相應(yīng)變化。9. 分別調(diào)用點(diǎn)列圖、OPD圖以及焦點(diǎn)色位移圖（主菜單 -分析-雜項）來觀察最優(yōu)化后的成像質(zhì)量。10. 將此設(shè)計起名保存，生成報告。（2） . 以前一個實驗內(nèi)容設(shè)計優(yōu)化后的單透鏡為基礎(chǔ)，添加一塊材料為SF1 玻璃的透鏡來構(gòu)建雙透鏡系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化成像質(zhì)量。1. 插入新的平面作為第二塊透鏡的出射面，輸入相關(guān)鏡面的厚度、曲率半徑以及玻璃類型值（BK7、 SF1） 。2. 生成光線像差特性曲線、2A 3D圖層曲線和實體模型、渲染模型等分析圖來觀察此時的成像質(zhì)量。3. 沿用前例的優(yōu)化函數(shù)，在優(yōu)化

7、更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化，并分別對比單透鏡時的點(diǎn)列圖、OPC0以及焦點(diǎn)色位移圖（主菜單 -分析-雜項）的相應(yīng)變化，觀察雙透鏡此時 的成像質(zhì)量。4. 利用利用Solve 功能來求解鏡片邊緣厚度，更新后更新后觀察各分析圖的相應(yīng)變化。5. 定義視場（系統(tǒng)- 視場）來測試此雙透鏡的離軸特性。6. 將此設(shè)計起名保存，生成報告。實驗儀器PC 機(jī)實驗三基于 ZEMAX 的牛頓望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)化設(shè)計.實驗?zāi)康膶W(xué)會使用ZEMAXM牛對典型牛頓望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。實驗要求1. 掌握設(shè)立反射鏡、使坐標(biāo)中斷的方法；2. 學(xué)會使用圓錐常量來優(yōu)化成像質(zhì)量；3. 學(xué)習(xí)點(diǎn)列圖和3D圖形分析像質(zhì)的簡單方法。3 實驗內(nèi)容利用ZEM

8、AXM牛來設(shè)計一個1000mm F/5的牛頓望遠(yuǎn)鏡，即一個曲率半徑為2000mm勺鏡面和一個200mm的孔徑。1. 打開ZEMAX軟件，點(diǎn)擊新建，以抹去打開時默認(rèn)顯示的上一個設(shè)計結(jié)果，同時新 建一個新的空白透鏡。2. 在LDE （透鏡數(shù)據(jù)編輯器）中輸入相關(guān)平面的曲率半徑、厚度和玻璃類型值。3. 在主菜單-系統(tǒng)中設(shè)置孔徑值，并沿用默認(rèn)的波長和視場角值。4. 生成光線像差特性曲線、2D、 3D 圖層曲線和實體模型、渲染模型等分析圖來觀察此時的成像質(zhì)量。5. 生成標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖，并與艾利斑對比來進(jìn)行像質(zhì)的簡單分析。6. 在像平面前插入一個新的虛構(gòu)面（未來放置反射鏡），合理設(shè)置中斷的坐標(biāo)值以獲得光闌面和虛

9、構(gòu)面的厚度，將兩個厚度輸入LDE中的相應(yīng)位置。7. 從主菜單-工具 -折疊反射鏡里添加一個反射鏡，設(shè)置交疊曲面為2，確定。8. 更新后觀察此時的各分析圖，注意分析那些圖已經(jīng)不再起作用了。通過相應(yīng)按鍵操作旋車專縮放3D類的分析圖來觀察成像質(zhì)量。9. 在光闌面（STO前新添加一個圓形擋光面，設(shè)置合理的面厚度和擋光半徑。10. 更新后重新觀察此時的 3D類分析圖，觀察此時的成像質(zhì)量和效果。11. 更名存盤后生成報告。實驗儀器PC 機(jī)實驗四基于 ZEMAX 的施密特-卡塞格林系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計實驗?zāi)康膶W(xué)會使用ZEMAXM牛對帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。4 實驗要求1. 掌握使用多項

10、式的非球面的方法；2. 掌握遮攔、孔徑的相關(guān)知識；3. 掌握OPD圖和MTF分析像質(zhì)的簡單方法。5 實驗內(nèi)容設(shè)計一個帶多項式非球面矯正器的施密特- 卡塞格林系統(tǒng)，要求10 英寸的孔徑，10 英寸的后焦距（從主鏡的后面到焦點(diǎn)）。1. 打開ZEMA檄件，點(diǎn)擊新建，以抹去打開時默認(rèn)顯示的上一個設(shè)計結(jié)果，同時新建一個新的空白透鏡。2. 從主菜單-系統(tǒng)-通用配置里設(shè)置孔徑值和單位（英寸） ， 同樣在系統(tǒng)-光波長里設(shè)置覆蓋可見光波段的3 個典型波長，設(shè)置主波長值。3. 在光闌面后插入兩個面，輸入相應(yīng)的各面的厚度、曲率半徑和玻璃類型值。4. 生成 2D 草圖來觀察此時的光路和成像效果。5. 新添加一個輔助鏡

11、面，合理設(shè)置各個平面新的厚度、曲率半徑值，并將第四面的曲率半徑設(shè)為變量，讓 ZEMAX1動求解。6. 構(gòu)建新的優(yōu)化函數(shù)，在優(yōu)化后更新全部內(nèi)容。7. 生成OPD圖，分析成像質(zhì)量。8. 將第一面（STO的表面類型改為“ EVEN ASPHERE以便為非球面矯正器指定多項式非球面系數(shù)。將該面的“4th （ 6th 、 8th ） Order Term ”項分別設(shè)為變量。9. 選擇主菜單-工具-優(yōu)化，優(yōu)化后重新更新 OPC0,分析此時的成像質(zhì)量。10. 將第一面的半徑設(shè)為變量，再次優(yōu)化，更新后生成OPDS,分析此時的成像質(zhì)量。11. 從主菜單- 系統(tǒng) - 視場里將視場角個數(shù)設(shè)置為3，輸入適當(dāng)?shù)膟 角度

12、，更新后對比觀察此時的OPM。12. 重新構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)對此設(shè)計進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，更新后再觀察此時的OPD分析成像質(zhì)量。13. 從主菜單-分析-調(diào)制傳遞函數(shù)-快速傅里葉變換生成MTF圖，由圖分析此時的像質(zhì)。14. 返回LDE， 雙擊第三面的第一列，將 Aperture 標(biāo)簽中的光圈類型改為 “圓形光圈”，設(shè)置最小半徑為1.7 ，最大半徑為6，完成主反射面上缺口的設(shè)計。15. 在第三面前插入一個新的面（此時原來的第三面變位第四面）， 將新面 （即現(xiàn)在的第三面）厚度改為20。將第二面的厚度由60 改為40。16. 將第三面的第一列的孔徑類型改為圓形擋光，最大半徑設(shè)為2.5。再將第三面的半口徑定為2.

13、5 。17. 更新全部內(nèi)容后重新觀察 MTF圖和3D類型的各分析圖，分析此時的成像質(zhì)量。18. 存盤后生成報告。實驗儀器PC 機(jī)實驗五基于ZEMAX勺激光擴(kuò)束鏡的優(yōu)化設(shè)計實驗?zāi)康膶W(xué)會使用ZEMAX：件對多重結(jié)構(gòu)配置的激光束擴(kuò)大器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。實驗要求1 .掌握使用多重結(jié)構(gòu)配置；2 .進(jìn)一步學(xué)習(xí)構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)。實驗內(nèi)容設(shè)計一個激光擴(kuò)束器，使用的波長為 1.053 pm,輸入光束直徑為100mm,輸出光束的 直徑為20mm,且輸入光束和輸出光束平行。要求只使用兩片鏡片，設(shè)計必須是伽利略式的（沒有內(nèi)部焦點(diǎn)），在鏡片之間的間隔必須不超過250mm，只許使用1片非球面，系統(tǒng)必須在波長為0.6328科m時測

14、試。3 .打開ZEMA>a件，點(diǎn)擊新建，以抹去打開時默認(rèn)顯示的上一個設(shè)計結(jié)果，同時新開 一個新的空白透鏡。4 .在像平面前插入 4個面，輸入相關(guān)各面的厚度、曲率半徑和玻璃類型值，如下表所示：Surf5ur fTSt*T5 1pHral1hOBCSLaiicJar d.Inf LeiL t_yTei E ini LyS70Standardinfinity v10.000.X.StandardInf i.n£ty V2SO.OOD3scAndardinfInLuy5.ODDBK7StandardInfinity V1D.OOD5Pa-r axial35.00025,000Stand

15、ardInfinity5 .在主菜單-系統(tǒng)里分別設(shè)置入瞳直徑為100,波長為1.053微米。6 .從主菜單-編輯-優(yōu)化函數(shù)構(gòu)建一個優(yōu)化函數(shù)，在第一行將操作數(shù)類型改為REAY為surf 輸入 5,為 Py輸入 1.00, target 輸入 10, weight 輸入 1。7 .從評價函數(shù)編輯窗中選工具 -默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)。再選reset ,將“開始在”的值改為2, 確定。8 .從主菜單-工具中選擇優(yōu)化，優(yōu)化完成后生成OPC0,分析此時的像質(zhì)。9 .將第一面的圓錐系數(shù)（conic ）列設(shè)為變量。再次優(yōu)化后，重新生成OPD圖，分析此時的像質(zhì)。10 將三個曲率和圓錐系數(shù)的變量狀態(tài)去掉。（建議此時存檔一次

16、）11 從主菜單-系統(tǒng)中重新配置光波長，將之前的 1.053改為0.6328 ,確定后再次更新 OPD0,分析此時的像質(zhì)。12 .將第二面的厚度250mm為可變，然后工具-優(yōu)化后，重新生成 OPD1。此時去掉第二面的可變狀態(tài)。13 . 從主菜單- 編輯中調(diào)出多重結(jié)構(gòu)編輯窗，在這個窗口的編輯菜單中選“插入結(jié)構(gòu)”來插入一個新的結(jié)構(gòu)配置，雙擊第一行的第一列，從下拉框（操作數(shù)）中選wave,在同樣的對話框里為wavelength# 選擇 1， 確定。 在 config1 下輸入 1.053 ， 在 config2 下輸入 0.6328 。14 . 按 Insert 為多重結(jié)構(gòu)編輯器加入新的一行，在新的

17、第“1”行的第一列雙擊，然后選 THIC 為操作數(shù)類型。從surface 列選2，確定。在config1 下輸入250，在config2下輸入250。將config2 下的第二面的厚度設(shè)為變量。15 . 回到優(yōu)化函數(shù)編輯器。選工具- 默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)，在顯示的對話框中將“開始在”的值改為1 ，確定。16 .在結(jié)構(gòu)配置1的第一個OPDX亍之前插入新的一行，將新加的這一行的操作數(shù)類型 改為REAY為surf輸入5, Py輸入1, target輸入10.結(jié)構(gòu)配置2中不需要更改。17 .回到LDE,將第1、2和4面的曲率半徑以及第 1面的conic設(shè)為變量。重新工具- 優(yōu)化。18 .此時若雙擊多重結(jié)構(gòu)的c

18、onfig1列頭，更新 OPD圖，得到關(guān)于1.053波長的OPD圖；若雙擊config2列頭，則得到0.6328波長的OPD1,分析像質(zhì)?？旖萱Ictrl+A 可用來 在這兩個配置之間快速切換。19 . 存盤后生成報告。6 實驗儀器PC 機(jī)實驗六 基于ZEMAX勺折疊反射鏡面和坐標(biāo)斷點(diǎn)設(shè)計實驗?zāi)康母钊氲膶W(xué)習(xí)理解坐標(biāo)斷點(diǎn)和反射鏡面的應(yīng)用。二實驗要求1. 更深入的理解坐標(biāo)斷點(diǎn)；2. 掌握傾斜和偏心系統(tǒng)設(shè)立的符號約定；3. 更深入了解反射鏡面的應(yīng)用。三實驗內(nèi)容1 .打開ZEMAX：件，點(diǎn)擊新建，以抹去打開時默認(rèn)顯示的上一個設(shè)計結(jié)果，同時新開 一個新的空白透鏡。2 .在LDE的第一面即STO面的表面類

19、型列上雙擊，從下拉菜單里選Paraxial ,將STO面類型改為近軸鏡片。STO的厚度設(shè)為100,這是近軸鏡片的缺省焦距。3 . 在系統(tǒng)- 通用配置中將入瞳直徑設(shè)為20.4 .生成3D草圖，觀察其光路和成像效果。5 .在IMA面前插入3個新面，將第1面（STO面）的厚度改為30,在第3面的玻璃列 輸入MIRROR第4面厚度改為-70.6 .更新3D草圖，對比觀察其光路和成像效果。7 . 分別雙擊第2、 4 面的表面類型列，將這些面改為坐標(biāo)斷點(diǎn)（coordinate break ） 。雙擊第4面的Parameter3歹U （即Tilt about X列），在下拉列表中選擇 Pickup作為求解類

20、 型，設(shè) From Surface 為 2， Scales Factor 為1，確定。在第2 面的 Tilt about x 列里輸入 45.8 .更新全部內(nèi)容后，重新生成3D草圖，對比觀察其光路和成像效果。9 .在IMA面前再插入3個新面，將第4面的厚度從-70改為-30,第6面的玻璃改為 MIRROR第7面的厚度改為40,再將第5第7面的表面類型改為坐標(biāo)斷點(diǎn)，在第 5面X 軸的傾斜中輸入-45 ，在第 7 面的 Tilt about x 上雙擊，選擇對其Pickup 求解，求解是從第 5 面得到，比例因子為1.10 . 更新 3D 草圖，對比觀察其光路和成像效果。11 . 存盤生成報告。實驗儀器PC 機(jī)實驗七基于 ZEMAX 的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計實驗?zāi)康膶W(xué)會自主地在多重結(jié)構(gòu)中將復(fù)雜嵌構(gòu)式的望遠(yuǎn)鏡物鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計并實現(xiàn)成像的轉(zhuǎn)向。.實驗要求1. 總結(jié)之前學(xué)過的像質(zhì)評價和優(yōu)化方法，自主的設(shè)計并優(yōu)化本