ZEMAX实验指导书(初学的练习教程)

实验一光学设计软件ZEMAX的安装和基本操作一、实验目的学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。二、实验要求1、掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。2、掌握ZEMAX软件的用户界面。3、掌握ZEMAX软件的基本使用方法。4、学会使用ZEMAX的帮助系统。三、实验内容1．通过桌面快捷图标或“开始—程序”菜单运行ZEMAX，熟悉ZEMAX的初始用户界面，如下图所示：图：ZEMAX用户界面2．浏览各个菜单项的内容，熟悉各常用功能、操作所在菜单，了解各常用菜单的作用。3．学会从主菜单的编辑菜单下调出各种常见编辑窗口。4．调用ZEMAX自带的例子（根目录下Samples文件夹），学会打开常用的分析功能项：草图（2D草图、3D草图、实体模型、渲染模型等）、特性曲线（像差曲线、光程差曲线）、点列图、调制传递函数等，学会由这些图进行简单的成像质量分析。5．从主菜单中调用优化工具，简单掌握优化工具界面中的参量。6．掌握镜头数据编辑窗口的作用以及窗口中各个行列代表的意思。7．从主菜单-报告下形成各种形式的报告。8．通过主菜单-帮助下的操作手册调用帮助文件，学会查找相关帮助信息。四、实验仪器PC机实验二基于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.掌握新建透镜、插入新透镜的方法；2.学会输入波长和镜片数据；3.学会生成光线像差（rayaberration）特性曲线、光程差（OPD）曲线和点列图（Spotdiagram）、产生图层和视场曲率图；4.学会确定镜片厚度求解方法和变量，学会定义边缘厚度解和视场角，进行简单的优化。三．实验内容（一）.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。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.在主菜单-系统-光波长弹出的对话框中输入3个覆盖可见光波段的波长，设定主波长。同样在系统-通用配置里设置入瞳直径值。3.在光阑面的Glass列里输入BK7作为指定单透镜的材料，并在像平面前插入一个新的面作为单透镜的出射面。4.输入相关各镜面的厚度和曲率半径。5.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。6.利用Solve功能来求解镜片厚度，更新后观察各分析图的相应变化。7.利用主菜单-工具-优化-优化来对设计进行优化，更新后观察各分析图的相应变化。8.调用并建构优化函数（MeritFunction），在优化后更新全部内容，然后观察各分析图的相应变化。9.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。10.将此设计起名保存，生成报告。（二）.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玻璃的透镜来构建双透镜系统，进一步优化成像质量。1.插入新的平面作为第二块透镜的出射面，输入相关镜面的厚度、曲率半径以及玻璃类型值（BK7、SF1）。2.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。3.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.利用利用Solve功能来求解镜片边缘厚度，更新后更新后观察各分析图的相应变化。5.定义视场（系统-视场）来测试此双透镜的离轴特性。6.将此设计起名保存，生成报告。四．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.学会使用圆锥常量来优化成像质量；3.学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。三．实验内容利用ZEMAX软件来设计一个1000mmF/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。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。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，并与艾利斑对比来进行像质的简单分析。6.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。7.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。8.更新后观察此时的各分析图，注意分析那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。9.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。10.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。11.更名存盘后生成报告。四．实验仪器PC机实验四基于ZEMAX的施密特-卡塞格林系统的优化设计一．实验目的学会使用ZEMAX软件对带有非球面矫正器的施密特-卡塞格林系统进行优化设计。二．实验要求1.掌握使用多项式的非球面的方法；2.掌握遮拦、孔径的相关知识；3.掌握OPD图和MTF分析像质的简单方法。三．实验内容设计一个带多项式非球面矫正器的施密特-卡塞格林系统，要求10英寸的孔径，10英寸的后焦距（从主镜的后面到焦点）。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.从主菜单-系统-通用配置里设置孔径值和单位（英寸），同样在系统-光波长里设置覆盖可见光波段的3个典型波长，设置主波长值。3.在光阑面后插入两个面，输入相应的各面的厚度、曲率半径和玻璃类型值。4.生成2D草图来观察此时的光路和成像效果。5.新添加一个辅助镜面，合理设置各个平面新的厚度、曲率半径值，并将第四面的曲率半径设为变量，让ZEMAX自动求解。6.构建新的优化函数，在优化后更新全部内容。7.生成OPD图，分析成像质量。8.将第一面（STO）的表面类型改为“EVENASPHERE”以便为非球面矫正器指定多项式非球面系数。将该面的“4th（6th、8th）OrderTerm”项分别设为变量。9.选择主菜单-工具-优化，优化后重新更新OPD图，分析此时的成像质量。10.将第一面的半径设为变量，再次优化，更新后生成OPD图，分析此时的成像质量。11.从主菜单-系统-视场里将视场角个数设置为3，输入适当的y角度，更新后对比观察此时的OPD图。12.重新构建优化函数对此设计进行进一步的优化，更新后再观察此时的OPD，分析成像质量。13.从主菜单-分析-调制传递函数-快速傅里叶变换生成MTF图，由图分析此时的像质。14.返回LDE，双击第三面的第一列，将Aperture标签中的光圈类型改为“圆形光圈”，设置最小半径为1.7，最大半径为6，完成主反射面上缺口的设计。15.在第三面前插入一个新的面（此时原来的第三面变位第四面），将新面（即现在的第三面）厚度改为20。将第二面的厚度由60改为40。16.将第三面的第一列的孔径类型改为圆形挡光，最大半径设为2.5。再将第三面的半口径定为2.5。17.更新全部内容后重新观察MTF图和3D类型的各分析图，分析此时的成像质量。18.存盘后生成报告。四．实验仪器PC机实验五基于ZEMAX的激光扩束镜的优化设计一．实验目的学会使用ZEMAX软件对多重结构配置的激光束扩大器进行优化设计。二．实验要求1.掌握使用多重结构配置；2.进一步学习构建优化函数。三．实验内容设计一个激光扩束器，使用的波长为1.053μm，输入光束直径为100mm，输出光束的直径为20mm，且输入光束和输出光束平行。要求只使用两片镜片，设计必须是伽利略式的（没有内部焦点），在镜片之间的间隔必须不超过250mm，只许使用1片非球面，系统必须在波长为0.6328μm时测试。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，同时新开一个新的空白透镜。2.在像平面前插入4个面，输入相关各面的厚度、曲率半径和玻璃类型值，如下表所示：3．在主菜单-系统里分别设置入瞳直径为100，波长为1.053微米。4.从主菜单-编辑-优化函数构建一个优化函数，在第一行将操作数类型改为REAY，为surf输入5，为Py输入1.00，target输入10，weight输入1。5.从评价函数编辑窗中选工具-默认优化函数。再选reset，将“开始在”的值改为2，确定。6.从主菜单-工具中选择优化，优化完成后生成OPD图，分析此时的像质。7.将第一面的圆锥系数（conic）列设为变量。再次优化后，重新生成OPD图，分析此时的像质。8.将三个曲率和圆锥系数的变量状态去掉。（建议此时存档一次）9.从主菜单-系统中重新配置光波长，将之前的1.053改为0.6328，确定后再次更新OPD图，分析此时的像质。10.将第二面的厚度250mm设为可变，然后工具-优化后，重新生成OPD图。此时去掉第二面的可变状态。11.从主菜单-编辑中调出多重结构编辑窗，在这个窗口的编辑菜单中选“插入结构”来插入一个新的结构配置，双击第一行的第一列，从下拉框（操作数）中选wave，在同样的对话框里为wavelength#选择1，确定。在config1下输入1.053，在config2下输入0.6328。12.按Insert为多重结构编辑器加入新的一行，在新的第“1”行的第一列双击，然后选THIC为操作数类型。从surface列选2，确定。在config1下输入250，在config2下输入250。将config2下的第二面的厚度设为变量。13.回到优化函数编辑器。选工具-默认优化函数，在显示的对话框中将“开始在”的值改为1，确定。14.在结构配置1的第一个OPDX行之前插入新的一行，将新加的这一行的操作数类型改为REAY，为surf输入5，Py输入1，target输入10.结构配置2中不需要更改。15.回到LDE，将第1、2和4面的曲率半径以及第1面的conic设为变量。重新工具-优化。16．此时若双击多重结构的config1列头，更新OPD图，得到关于1.053波长的OPD图；若双击config2列头，则得到0.6328波长的OPD图，分析像质。快捷键ctrl+A可用来在这两个配置之间快速切换。17.存盘后生成报告。四．实验仪器PC机实验六基于ZEMAX的折叠反射镜面和坐标断点设计一．实验目的更深入的学习理解坐标断点和反射镜面的应用。二．实验要求1．更深入的理解坐标断点；2.掌握倾斜和偏心系统设立的符号约定；3.更深入了解反射镜面的应用。三．实验内容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，同时新开一个新的空白透镜。2.在LDE的第一面即STO面的表面类型列上双击，从下拉菜单里选Paraxial，将STO面类型改为近轴镜片。STO的厚度设为100，这是近轴镜片的缺省焦距。3.在系统-通用配置中将入瞳直径设为20.4.生成3D草图，观察其光路和成像效果。5.在IMA面前插入3个新面，将第1面（STO面）的厚度改为30，在第3面的玻璃列输入MIRROR，第4面厚度改为-70.6.更新3D草图，对比观察其光路和成像效果。7.分别双击第2、4面的表面类型列，将这些面改为坐标断点（coordinatebreak）。双击第4面的Parameter3列（即TiltaboutX列），在下拉列表中选择Pickup作为求解类型，设FromSurface为2，ScalesFactor为1，确定。在第2面的Tiltaboutx列里输入45.8.更新全部内容后，重新生成3D草图，对比观察其光路和成像效果。9.在IMA面前再插入3个新面，将第4面的厚度从-70改为-30，第6面的玻璃改为M