光學設(shè)計上機實驗指導書

1、光學設(shè)計上機實驗指導書西安工業(yè)大學光電工程學院目 錄實驗一 單透鏡設(shè)計3實驗二 雙透鏡10實驗三 牛頓望遠鏡16實驗四 帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)21實驗五 多重結(jié)構(gòu)配置的激光束擴大器29實驗六 折疊反射鏡面和坐標斷點33實驗七 雙交合透鏡設(shè)計37附 錄 常見光學設(shè)計專業(yè)詞匯表38實驗一 單透鏡設(shè)計 (A Singlet)一、實驗目的： 二、實驗環(huán)境：（1）、硬件環(huán)境：普通PC機（2）、軟件環(huán)境：ZEMAX軟件平臺三、實驗內(nèi)容：四、實驗步驟：首先，運行ZEMAX。ZEMAX主屏幕會顯示鏡片數(shù)據(jù)編輯(LDE)，可以對LDE窗口進行移動或重新調(diào)整尺寸，以適應你自己的喜好。LDE有多行和

2、多列組成，類似于電子表格，曲率半徑(radius)、厚度(thickness)、玻璃(class)和半徑口徑(Aperture)等列使用最多，其他的則在特定類型的光學系統(tǒng)中才會用到。LDE中的小格會以“反白”方式高亮顯示，即以與其它格子不同的背景顏色將字母顯示在屏幕上。這個反白條表示的是光標，可以用鼠標在格子上點擊來操作。然后，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。開始，輸入系統(tǒng)波長，這個不一定先完成，只不過現(xiàn)在我們選定了這一步。在主屏幕菜單條上，選擇“系統(tǒng)(system)”菜單下的“波長（Wavelength)”。屏幕中間會彈出一個“波長（Wavelength Data)”對話框。ZEMAX中有許多這樣的對話框，用

3、來輸入數(shù)據(jù)和提供選擇。用鼠標在第二和第三行的“使用（Use）”上單擊一下，將會增加兩個輸入波長使總數(shù)成為三?，F(xiàn)在，第一個“波長”行中輸入486，這是氫F譜線的波長，單位為微米。ZEMAX全部使用微米作為波長的單位?，F(xiàn)在，第二行波長列中輸入587，最后在第三行輸入656，這就是ZEMAX中所有有關(guān)輸入數(shù)據(jù)的操作。這個指示器指出了主要的波長（primary wavelength），當前為486微米。在主波長的第二行上單擊，指示器下移到587的位置。主波長用來計算近軸參數(shù), 主要是用來計算光學系統(tǒng)在近軸光學近似(paraxial optics，即first-order optics)下的幾個主要參數(shù)

4、，如focal length，magnification，pupil sizes等?！皺?quán)重（weight）”這一列用在優(yōu)化上，以及計算波長權(quán)重數(shù)據(jù)如RMS點尺寸。現(xiàn)在讓所有的權(quán)為1.0，單擊OK保存所做的改變，然后推出波長數(shù)據(jù)對話框?，F(xiàn)在我們定義鏡片的一個口徑。這可以使ZEMAX在處理其他的事情上，知道每個鏡片該被定義多大。我們設(shè)計一個F/4的透鏡，需要一個25mm的孔徑（100mm的焦距，相對孔徑F/4）。設(shè)置這個孔徑值，選擇“系統(tǒng)(system)”中的“通常（General）”菜單項，出現(xiàn)“通常數(shù)據(jù)（General Data）”對話框，單擊“孔徑值（Aper Value）”一格，輸入25，

5、孔徑類型選擇“入瞳直徑（Entrance Pupil Diameter）”，也可以選擇其它類型的孔徑設(shè)置。ZEMAX模型光學系統(tǒng)使用一系列的表面，每一個表面有一個曲率半徑和玻璃。在LDE中顯示有三個面。物平面，在左邊以O(shè)BJ表示；光闌面，以STO表示；像面，以IMA表示。對我們開說，但透鏡一共四個面：物平面、前鏡面（光闌面）、后表面和像面。要插入第四個表面，只需將光標移動像平面的“無限（Infinity）之上，按INSERT鍵。這將會在那一行插入一個新的面，并將像平面下移，新面被標為第2面。注意物體所在面為第0面，然后才是第1、第2、第3面?，F(xiàn)在輸入使用的玻璃。移動光標到第一個面的“玻璃（Gl

6、ass）”列，即在左邊標作STO的面。輸入“BK7”回車。ZEMAX有一個非常廣泛的玻璃目錄可用，我們所用的僅僅是BK7，ZEMAX回去查找所選定的玻璃并計算每一波長的色散系數(shù)等數(shù)據(jù)。由于透鏡的孔徑是25mm，合理的鏡片厚度是4mm。移動光標到第1個面的厚度列并輸入“4”，缺省單位是毫米?，F(xiàn)在，需要為鏡片輸入每一面的曲率半徑值，前面和后面的半徑分別是100和-100。在第1和2面中分別輸入這些值。在這里注意符號約定。在鏡片焦點處設(shè)置像平面的位置，所以要輸入一個100的值，作為第2面的厚度。如何判斷鏡片是否好呢？最有用的判斷工具是光學特性曲線圖。要產(chǎn)生一幅光學特性曲線圖，先選擇“分析（Analy

7、sis）”菜單，然后選擇“圖（Fan）”菜單，在選擇“光線像差（Ray Aberration）”將會看到光學特性曲線圖在一個小窗口顯示出來。其中ray aberration是以chief ray為參考點計算的?？v軸為EY的，即是在Y方個的aberration，稱作tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration稱為XZ plane或sagittal。光線特性圖如圖E1-1所示。圖形以光瞳坐標的函數(shù)形式表示了橫向的光線像差（指的是以主光線為基準）。左邊的圖形Y方向的像差，右圖為XZ面上的像差。此光學特性曲線表示出了一個明顯的設(shè)計錯誤，光學特性曲線通過原點的傾斜表示有離焦

8、現(xiàn)象存在。E1-1為了糾正離焦，在鏡片的后面的Solve來進行。為了將像面設(shè)置在近軸焦點上，在第2面的厚度上雙擊，彈出SOLVE對話框，它只簡單顯示“固定（Fixed）”。在下拉框上單擊，將SOLVE類型改變?yōu)椤斑吘壒饩€（Marginal Ray Height）”，然后單擊OK。用這樣的求解辦法將會調(diào)整厚度使像面上的邊緣光線高度為0，即是近軸焦點。注意第2面的厚度會自動調(diào)整到約為96mm?，F(xiàn)在，更新光學特性曲線圖看其變化，如圖E1-2所示，離焦已消失，主要的像差是球差?，F(xiàn)在是否最佳設(shè)計呢？E1-2下面要用優(yōu)化來完成本設(shè)計的工作。首先，設(shè)一些變量，然后設(shè)置設(shè)計要求（目標Targets）或操作數(shù)（

9、Operands）。有三個變量是鏡片的前、后曲率和第二面的厚度，這些變量可以用離焦補償球差。將光標移到第一面的半徑列，雙擊，得到一下拉的選擇列，其中包括變量狀態(tài)，注意：“V”表示一個可變的變量。再在第2面半徑及厚度上設(shè)置變化的標志。第2面的厚度變化時，它的值會覆蓋先前用求解定出的值。現(xiàn)在給鏡片定義以“評價函數(shù)（Merit Function）”。一個理想的鏡頭它的評價函數(shù)的值為0。從主菜單中選擇“編輯（Editors）”菜單下的“評價函數(shù)”，會出現(xiàn)一個表格。從這個新的窗口的菜單條上，選擇“工具（Tools）”菜單下的“ 缺省評價函數(shù)”。再在出現(xiàn)的對話框中，點擊Reset，然后OK，ZEMAX就會

10、建立一個合理的缺省評價函數(shù)。它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追跡光線組成，但這不夠，因為除了使彌散斑尺寸最小外，還需要是鏡頭的焦距為100mm。在第一行中的任何一處單擊鼠標，使光標移動到評價函數(shù)編輯的第一行，按下INSERT鍵插入新的一行。現(xiàn)在，在“TYPE”列下，輸入“EFFL”然后按回車。此操作數(shù)控制有效焦距。移動光標到“Target”列，輸入“100”然后按回車。其“權(quán)重（Weight）”輸入一個值：1。這就完成了評價函數(shù)的定義，可以在窗口的左上角雙擊，評價函數(shù)編輯器從屏幕中移走評價函數(shù)不會丟失，ZEMAX會自動將它保存?，F(xiàn)在主菜單條中選擇“工具”菜單下的“最佳優(yōu)化（Optimiz

11、ation）”，會顯示最優(yōu)化工具對話框。在復選框中選擇自動更新，然后單擊“自動（Automatic）”。ZEMAX會很快減少評價函數(shù)。單擊“退出”關(guān)閉最優(yōu)化對話框。最佳化的結(jié)果是使鏡片彎曲。結(jié)果所得出的鏡片曲率使焦距大致為100mm，并且使這個簡單的系統(tǒng)具有了一個盡可能小的RMS波前差。因為EFFL限制是一個被看做與其他的像差一樣的“權(quán)重”指標?，F(xiàn)在分析一下光學特性曲線圖研究計算結(jié)果，最佳化的設(shè)計結(jié)果的最大的像差為200微米，如圖E1-3所示。E1-3衡量光學性能的另一個方法是產(chǎn)生一個點列圖。選擇“分析”菜單下的“點列圖”選項，然后選其中的“標準（Standard）”,點列圖將會顯示在另一個窗

12、口中。此點列圖的彌散大小是400微米。作為比較，艾利衍射斑的大小粗略約為6微米。另一個有用的判斷工具光程差OPD圖。這是以光瞳坐標為函數(shù)的分布圖，選擇“分析”菜單下的“圖（Fan）”再選擇“光程（Optical Path）”。如圖E1-4所示。這個系統(tǒng)大約有20個波長波像差，大部分為焦面上的球差、色球差和軸上色差。E1-4從光線圖中，明顯看出，色差是其主要像差。ZEMAX為一階色差的大小提供了另一種簡便的工具：多色光焦點漂移圖。這種圖形把焦距作為一種波長的函數(shù)，它指出了近軸焦點的變化。選擇“分析”菜單中的“多方面（Miscella-neous）”，然后再選“多色光焦點漂移0圖（Chromati

13、c Focal Shift）”。如圖E1-5所示，注意縱坐標表示波長范圍，覆蓋定義的波長段，焦距的最大變化范圍約為1540微米。對于但透鏡鏡片來說，其曲線的單調(diào)變化類型是很典型的。為了修正一階多色差，要求更換另一種玻璃材料。這就是實驗二要解決的問題。E1-5思考題：結(jié)合附錄的常見專業(yè)英文詞匯，認真熟悉ZEMAX軟件？實驗二 雙透鏡 (A Doublet)一、實驗目的： 二、實驗環(huán)境：（1）、硬件環(huán)境：普通PC機（2）、軟件環(huán)境：ZEMAX軟件平臺三、實驗內(nèi)容：四、實驗步驟：一個雙透鏡包括兩片玻璃，通常（但不一定）是膠合的，因此它們有一個共同的曲率，通過使用兩片具有不同色散特性的玻璃，一階色差可

14、以被矯正。也就是說，我們需要得到拋物線形的多色光焦點漂移圖，而不是直線的。這反過來會產(chǎn)生較好的像質(zhì)?，F(xiàn)在，我們保持先前100mm焦距和在軸上的設(shè)計要求，下面將會加入視場角。如何選擇這兩片玻璃需要一些技巧，參考Smith的現(xiàn)代光學工程學（Modem Optical Engineening）里有關(guān)的例子。由于此例的目的是教你如何使用ZEMAX，而不是設(shè)計鏡片，這里只建議選擇BK7和SF1這兩種玻璃。如果你完成了剛才的例子，且單透鏡片仍然被裝載著，不需要重新輸入設(shè)計的波長。否則，需按照前面的例子所述的方法輸入波長和孔徑?，F(xiàn)在必須插入新的面，知道你的LDE窗口看上去下面的表格。不是所有的列都被顯示出來

15、。如果需要移動光闌的位置以使第一面成為光瀾面，可以通過雙擊所要使之成為光瀾面的那一行的表面類型列，然后選擇“Make Surfase Stop”按鈕。因為在BK7和SF1這兩種介質(zhì)中沒有空隙，這是一個膠合透鏡。ZEMAX自己不會模擬膠合鏡片，它只能簡單地模擬使兩片不歐力相接觸。如果在先前的例子中，仍然保留了評價函數(shù)，那么，不需要重新創(chuàng)建評價函數(shù)。否則，需重新創(chuàng)建一個評價函數(shù)，包括EFFL操作數(shù)，如前一個例子所描述的?，F(xiàn)在，從主菜單下選擇“工具”-“最佳化”，單擊“自動”，評價函數(shù)會開始減小，等它停止后單擊“退出”。顯示多色光焦點漂移圖，看是否已有一些提高（如果你的屏幕上還沒有準備好，選擇“An

16、alysis”，“Miscellaneous（各種的）”，Chromatic Focal“）。與圖E2-2類似。圖E2-2現(xiàn)在以經(jīng)減小了色差的線性項，二階色差占了優(yōu)勢，因此如拋物線形狀所示。注意多色光焦點漂移量減少為74微米。（單透鏡為1540微米）。還有另外的玻璃選擇可以產(chǎn)生好的設(shè)計。要看ZEMAX玻璃目錄中的其他玻璃類型，選擇“tools”，“Glass Catalogs”。瀏覽完目錄后單擊“Exit”，現(xiàn)在，通過在光學特性曲線窗口中選擇“Update”更新光學特性曲線圖（如果光學特性曲線窗口沒有顯示出來，則在主菜單中選擇“Analysis”，“Fans”，“Ray Aberration”

17、）。如圖E2-1所示。最大的橫向光學像差已經(jīng)被減小到約20微米。這對于單透鏡在200微米處來說是一個質(zhì)的提高。注意光學特性曲率圖原點處的斜率對于每一個波長相對離焦也很小的，但是斜率不為0。這隱含了離焦被用來平衡球差的意思。有S形彎曲的光學特性曲線是典型的用離焦平衡球面鏡片的例子。E2-1現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計了一個具有較好的性能特征的鏡片，鏡片看上去怎么樣呢？選擇“Analysis”，“Layout”，“2D Layout”，一個簡單的鏡片的二維剖面圖如E2-3所示。圖中顯示了從第一面到像屏幕（缺省值，也可設(shè)成其他值）的鏡片，同時還有三條（缺省情況下）主波長光線從每個視場到像平面。這三條光線分別為入瞳本

18、例中也就是第一面的上邊緣、中心和底部的光線。很明顯，第1個鏡片有較尖的邊緣。根據(jù)圖形很難說出邊緣厚度是正的或負的。而且，如果鏡片尺寸稍微大一點會更好。這樣可使鏡片的實用清晰孔徑會比口徑要小，會給諸如拋光和裝配等提供邊緣空間?？梢酝ㄟ^考慮這些因素來提高設(shè)計。為了決定實際的邊緣厚度，可將光標移動到第一面的任意一列（例如，在LDE有“BK7”字樣處單擊）?，F(xiàn)在選擇“Reports”，“Surface Data”，將會出現(xiàn)一個窗口，顯示了改面的邊緣厚度，所給出的值是0.17，稍偏小。在修整偏小的邊緣厚度之前，先將鏡片放大。移動光標到第一面的半口徑“Semi-Diameter”列，鍵入“14”替代所顯示

19、的12.5并顯示“14.000000U”?！癠”標志著這個孔徑是用戶自定義的。如果“U”沒有顯示，表示ZEMAX允許此孔徑可隨要求定義?？涉I入Ctrl-Z來取消“U”標志，或在半口徑上雙擊，并為求解類型選擇“Automatic”，作了這些改變后，選擇“System”，“Update”更新孔徑值。14這個值為半口徑，表示全口徑為28mm。同樣，在第二面和第三名中也輸入14。E2-3更新圖層?，F(xiàn)在孔徑已經(jīng)被放大了，但第一個邊緣厚度是負的，更新表面數(shù)據(jù)窗口查看新的邊緣厚度，它會變成一個負數(shù)。為了得到一個更為合理的邊緣厚度，可以增加中心厚度，但是，還有一個更有用的保持邊緣厚度為一個特定值的方法。假設(shè)需

20、要保持邊緣厚度在3mm，在第一面的厚度列中雙擊，會出現(xiàn)“Solve Control”屏幕，從顯示的求解列表中選擇“Edge thickness”，兩個值會被顯示，一個是“厚度（Thickness）”，一個是“半徑高（Radial Height）”。設(shè)厚度為3，半徑高為0（如果半徑高是0，ZEMAX使用所定義的半口徑），然后單擊“OK”。在LDE中，第一面的厚度已被調(diào)整過，字母“E”顯示在框中，表示此參量為一個活動的邊緣厚度解。再次更新表面數(shù)據(jù)窗口，邊緣厚度3會被列出。也可以選擇“System”，“Update All”一次性更新所有的窗口。這將會刷新圖層和光學特性曲線圖。通過調(diào)整厚度，已對鏡片

21、的焦距作了一點改變。然后，再進行最佳化（選擇“Tools”，“Optimization”，然后選“Automatic”）。最佳化后，單擊“Exit”，然后選擇“System”，“Update All”，再一次刷新圖形?，F(xiàn)在來測試雙透鏡的離軸特性。從主菜單選擇“System”,“Field”得到“Field Data”對話框，單擊第2和第3行的“Use”，選擇3個視場。在下面的y視場列的第2行，輸入7（即7度），在第3行輸入10.使對于軸上的第1行保持為0.使x視場的值也為0.因為一個旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)，其x視場的值也為0，因為一個旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)，其x視場的值很小。單擊OK關(guān)閉對話框?，F(xiàn)在選擇“Syst

22、em”，“Update All”（系統(tǒng)，更新），光學特性曲線（rayfan）圖顯示在圖E2-4中，你所得的也許會有點不同，這要看你在設(shè)置了求解（SOLVE）后是如何重新優(yōu)化的。E2-4就如這些圖中顯示的，鏡頭的軸外特性是很差的，原因是我們只對軸上特性進行了優(yōu)化。現(xiàn)在是什么像差限制了我們呢？可以來分析光學特性曲線圖，判別出場曲是主要像差，此像差可以通過場曲曲線圖圖來估計。選擇“Analysis”，“Miscellaneous”，“Field Curv/Dist”，場曲曲線如圖E2-5所示。注意左圖表示出了近焦點的漂移為一個關(guān)于視場角的函數(shù)，而右圖則表示了有以近軸光線為基準的實際光線的畸變。場曲曲

23、線圖上的所有信息都可從光學特性曲線圖中得到，場曲曲線與光學特性曲線圖中的斜率成比例。在校正視場彎曲時是由技巧的，實際上，球差和慧差也同樣如此。這些技巧在Smith的Modern Optical Engineering中也有提及。E2-5思考題：結(jié)合光學設(shè)計教材的相關(guān)內(nèi)容，分析實驗中的像差特性曲線情況？實驗三 牛頓望遠鏡 (A Newtonian Telescope)一、實驗目的：conic constants）coordinate breaks）three dimensional layouts）、遮擋（obscurations）mirrors）二、實驗環(huán)境：（1）、硬件環(huán)境：普通PC機（2）

24、、軟件環(huán)境：ZEMAX軟件平臺三、實驗內(nèi)容：四、實驗步驟：牛頓望遠鏡時最簡單的用來矯正軸上像差的望遠鏡，而且它對于闡明ZEMAX的一些基本操作非常有用。首先，牛頓望遠鏡時由一個簡單的拋物線形鏡面組成的，而且除此之外別無他物。拋物線很好第矯正了所有階是我球差，由于我們只將望遠鏡使用在軸上系統(tǒng)，所以根本就沒有其他的像差。為了重新開始，先關(guān)閉LDE外的所有窗口，選擇“File”，“New”。假設(shè)需要一個1000mmF/5的望遠鏡，這暗指需要一個曲率半徑為2000mm的鏡面，和一個200mm的孔徑。移動光標的第一面，即光瀾面的曲率半徑列，輸入-2000.0，負號表示為凹面，現(xiàn)在在同一個面上輸入厚度值-

25、1000，這個負號表示通過鏡面折射后，光線將往“后方”傳遞?，F(xiàn)在在同一面的“Glass”列輸入“MIRROR”，選擇“System”，“General”，然后在“通用數(shù)據(jù)對話框（General Data Dialog Box）”中輸入一個200的孔徑值，并單擊“OK”。ZEMAX使用的缺省值是波長550，視場角0，這對于我們的目標來說是可接受的?，F(xiàn)在打開一個圖層窗口，光線顯示了從第一面到像平面的軌跡，此時像平面在鏡面的左邊。如果你現(xiàn)在演示一個標準的點列圖（拉下“Anolysis”菜單，選擇“Spot Diagram”，再選“Standard”或鍵入“Ctrl-S”），將會看到一幅RMS為77.

26、6微米的點列圖。評定像質(zhì)的一種較為簡便的方法是將艾利（Airy）衍射斑加到點列圖的頂部。進行此操作，可從點列圖的菜單條選擇“Setting”，在“Show Scale”選項中選擇“Airy Disk”，然后單擊“OK”，所得的點列圖如圖E3-1所示。所列的RMS點的尺寸是77.6微米，光線并沒有達到衍射極限(衍射極限是多少)的原因是沒有輸入圓錐常量。原先所輸入的2000這個曲率半徑只是定義了一個球形，需要一個錐形常量-1來定義拋物線。在第一面的“Conic”列輸入-1，敲回車，現(xiàn)在選“Systen”，“Update”菜單項刷新所有的窗口，在更新后的點列圖上，可以看到有一小簇的光線在六角環(huán)帶的中

27、心，RMS點尺寸是0. 這個高像質(zhì)的圖象所處的位置并不好。由于像處在入射光路的光程中，圖象無法接受。這通常在鏡面后安放一個轉(zhuǎn)折光線用的反射面來調(diào)整，反射鏡面以45度的角度傾斜，將像從光軸上往外轉(zhuǎn)出來，為了使用轉(zhuǎn)折面，首先必須定下它安放在那里。由于入射的光束為200mm寬，我們所需要的像平面至少要離開光軸100mm，選擇200mm，因此折疊鏡面必須距主反射有800mm。E3-1先從改變第一面的厚度著手，將之移動光標到像平面，按Insert在主面與像平面之間插入一個虛構(gòu)的面。新的面很快被轉(zhuǎn)換為折疊面。虛構(gòu)面的作用只是簡單地用來安放折疊鏡面。在新的虛構(gòu)面上輸入一個-200的厚度值，保持鏡面到像平面的

28、總距離為-1000.0。（如何定義）?，F(xiàn)在單擊“Tools”，“Add Fold Mirror”，然后設(shè)置“Fold Surface”為2，單擊“OK”，所得電子表格會被顯示出來，而且會與下表相似?，F(xiàn)在可以看看新的折疊式牛頓反射鏡系統(tǒng)。先前所使用的圖將不再起作用（它只對旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)有作用），取而代之的是3維圖形，可通過“Analysis”，“Layout”，“3D Layout”菜單來得到。一旦三維圖形顯示出來，即可用左、右、上、下、Page Up和Page Down鍵來控制圖形的旋轉(zhuǎn)。ZEMAX允許圖形的交互式旋轉(zhuǎn)。圖E3-2顯示了一種可能的投影。E3-2這個設(shè)計投影圖可用多種方法完善。首先

29、，光線從物體到鏡面可被顯示出來，還有，落在折疊鏡面后面的光線應該被攔去，且不允許它落在像平面上。這對于真正的系統(tǒng)來說，是非常重要的，因為光線在通常的光學系統(tǒng)中，不可能物理地穿過反射鏡。首先，將光標停在第一面，在光闌前加入一個虛構(gòu)的面?，F(xiàn)在使得虛構(gòu)面的厚度為900mm，雙擊第一面的“Standard”,在對話框中為孔徑類型選擇圖形遮攔（“Circular Obscuration”），在光束中安放一個“遮攔（Obscuration）”，這樣就考慮到了折疊反射鏡阻擋了一些光束。為“最大半徑（Max Radius）”輸入40，然后單擊OK，再更新3維圖。系統(tǒng)現(xiàn)在如圖E3-3所示，看上去更為實際。如果不

30、是所有的表面都是可見的，選擇“Setting”，然后將第一面和最后一面的選項分別改為1和6，或單擊“Reset”，然后按“OK”。此處描述的過程，就是所有使用折疊反射鏡所要注意的。坐標斷點除了反射鏡以外，也可用在TIP，傾斜和偏心光學部件上。完整的光學部件可以被移動，可參考ZEMAX所附帶的一些設(shè)計例子。E3-3思考題：復習應用光學與光學設(shè)計課程內(nèi)容，如何利用ZEMAX光學設(shè)計軟件實現(xiàn)以下兩幅圖的光學系統(tǒng)設(shè)計樣式？E3-4E3-5實驗四 帶有非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)(Schmidt-Cassegrain)一、實驗目的：polynomial aspheric surface）obscu

31、rations）apertures）solves）optimization）layouts）二、實驗環(huán)境：（1）、硬件環(huán)境：普通PC機（2）、軟件環(huán)境：ZEMAX軟件平臺三、實驗內(nèi)容：非球面矯正器的施密特-卡塞格林系統(tǒng)四、實驗步驟： 由于只有矯正板和主反射面，進行這個設(shè)計是比較簡單的，因此開始時先在光闌后放入兩個面。選擇“SYSTEM”，“GENERAL”。輸入10作為孔徑值。同一個屏幕上，將單位“米（Millimeters）”改為“英寸（Inches）”。 選擇“SYSTEM”，“WAVELENGTHS”，得到“波長數(shù)據(jù)”屏幕，設(shè)置3個波長：486、587和656。其中587為主波長。這些步

32、驟可以用一個操作來完成：單擊波長對話框底部的“選擇（Select->）”按鈕。 現(xiàn)在，將使用缺省的視場角0度，在下表的表格中輸入數(shù)據(jù)。光闌被放在主面曲率半徑的中心，這是為了排除視場像差（如慧差），它是Schmidt設(shè)計的特點。 現(xiàn)在演示一下圖形以驗證一切是否就緒。標準2維圖形將會很好地工作，將會看到如E4-1所示的圖形。E4-1現(xiàn)在加入輔助鏡面，并安放像平面。以后將讓ZEMAX為輔助面計算恰當?shù)那拾霃?，現(xiàn)在修改表格，使之如下表所示的以表達一個新的面。注意我們已將反射面的距離減少到-18，這將使輔助鏡面的尺寸減小。像面的距離現(xiàn)在是28，實際上，使在主反射鏡面后10英寸。第四面的半徑已經(jīng)被

33、加入了一個表量標記識，將讓ZEMAX去找恰當?shù)那?。由于還沒有輸入任何的曲率，像并不清晰。更新圖層，檢查你的工作，它應該如圖E4-2所示。E4-2現(xiàn)在選擇“Editors”，“Merit Function”顯示評價函數(shù)編輯，從評價函數(shù)編輯窗口菜單中選“Tools”，“Default Merit Function”，單擊“Reset”，然后改變“Rings”選項為“5”，單擊OK，Rings選項決定光線的采樣密度，此設(shè)計要求大于缺省的3。選“Tools”，“Optimization”，選“Automatic”，評價函數(shù)很快將下降到約1.3.這是剩余的RMS波差。單擊“Exit”，然后選擇“SYS

34、TEM”，“Update All”，輔助鏡面的半徑已經(jīng)從“Infinity”被改為-41.83。現(xiàn)在選擇“ANALYSIS”，“FANS”，“OPTICAL PATH”演示OPD圖。OPD圖顯示離焦和球差，如圖E4-3所示。E4-3注意大約4個波長的像差仍然有待改變。現(xiàn)在單擊第一面（光闌面）的“STANDRD”表面類型，從所顯示的對話框選擇“EVENASPHERE”。這種面型允許為非球面校正器指定多項式非球面系數(shù)。單擊OK，在第一面向右移動光標直到“4th Order Term”列，鍵入Ctrl-l。這樣就給這個參數(shù)設(shè)置了一個變量標識，當前為0.也在“6th Order Term”和“8th

35、Order Term”上設(shè)置變量標識。現(xiàn)在選擇“Tools”，“Optimization”，再單擊“Automatic”。幾秒鐘后，評價函數(shù)下降，這是由于ZEMAX平衡了高階球差。單擊“Exit”。 現(xiàn)在再次更行OPD圖，顯示如圖E4-4所示。球差已經(jīng)大體上被減小。注意現(xiàn)在的約束像差為色差，每一個波長值有不同數(shù)量的球差，這個被稱為色球差，我們將很快校正它。這里要求有一點經(jīng)驗已完成所需要的設(shè)計，為了矯正色球差，需要用軸上顏色來平衡它。這就是一個常用的設(shè)計方法。即在同一種像差中，用低階像差來平衡高階像差。這里，色球差是一階軸上色差的高階分量。為了引入軸上色差，將改變第一面，即校正器的前面的曲率。E

36、4-4現(xiàn)在設(shè)置第一面的半徑為變量，再次優(yōu)化。評級函數(shù)將會再次下降?，F(xiàn)在單擊EXIT，更行OPD圖，如圖E4-5所示。E4-5這是所要求的解決方法，剩余的像差比1/20的波長還要小，現(xiàn)在可以打視場角，調(diào)整設(shè)計。從主菜單，選SYSTEM，F(xiàn)IELDS，并將視場角的個數(shù)設(shè)置為3，輸入0.0，0.3，0.5度。現(xiàn)在更新查看OPD圖，將會在全視場看到大約1/2波長的慧差，應為改變了視場，因此必須重新創(chuàng)建評價函數(shù)。在評價函數(shù)編輯時，“Tools”，“Default Merit Function”，然后改變“Rings”選項為“4”，單擊OK。現(xiàn)在選“Tools”，“Optimization”，選“Auto

37、matic”，當已聚焦后，單擊EXIT，再次更新OPD圖，如圖E4-6所示，已是一個很好地平衡了像差的設(shè)計。E4-6假設(shè)將要用這個望遠鏡來拍攝。可能會對調(diào)制傳遞函數(shù)MTF感興趣，它指明了像的對比是空間頻率的函數(shù)。要看MTF圖，可以從主菜單中選擇Analysis，Diffaction，Modulation Transfer Function。MTF圖如圖E4-7所示。MTF圖是一種非常有用的分析工具。圖中顯示所有已給定視場的切向和徑向的響應。但是途中顯示有些錯誤，所顯示的數(shù)據(jù)是一個圓形光瞳的自相關(guān)。真正的問題所在是還沒有說明系統(tǒng)中的這幾個通光孔徑和遮擋，并且，在主反射面上還有一個缺口。如果加入這

38、些影響，性能會降低，特別是在中間的空降頻率方面。E4-7要改正這個分析時的缺點，返回到LDE，雙擊第三面的第一列，從口徑類型列中選圓形“Circular Aperture”，到MIN Radius中輸入1.7英寸，這就是主反射面的缺口“Hole”。將“Max Radius”改為6。輔助鏡面上的遮擋較為復雜，在光學上它需要被放置在輔助鏡面前面。由于ZEMAX是按順序追跡光線的，必須將它放置在主反射面前。當仍然在第三面時，按下INSERT鍵，在較正面和主反射面之間插入一個新的面，將新面的厚度改為20.往上移一行，將第二面的厚度改為40.對于主反射面來說，校正器與它的距離現(xiàn)在就是60，已經(jīng)簡單地加入

39、了一個中介面。在第3面的第1列上雙擊，將孔徑類型設(shè)為“Circular Obscuration”，并將“最大半徑（Max Radius）”設(shè)為2.5，然后單擊OK。再將第3面的半口徑定位2.5.更新圖形。如果正確地進行了這些步驟，將會看到如圖E4-8所示的圖形。在遮擋器和輔助鏡面之間的小縫隙純粹是很小的一點。這種方式更容易被看到。E4-8MTF現(xiàn)在已被主要是輔助鏡面產(chǎn)生的遮擋所改變。更新MTF窗口，看新的MTF E4-9。E4-9實驗五 多重結(jié)構(gòu)配置的激光束擴大器(A Multi-configuration laser beam wxpander)一、實驗目的：二、實驗環(huán)境：（1）、硬件環(huán)境：

40、普通PC機（2）、軟件環(huán)境：ZEMAX軟件平臺三、實驗內(nèi)容：假設(shè)需要設(shè)計一個激光光束擴展器，使用的波長為1.053，輸入光束直徑為100mm，輸出光束直徑為20mm，且輸入光束和輸出光束平行。如果全場沒有限制，設(shè)個設(shè)計是比較容易的，但是為了使之變得復雜一點，將加上幾條限制條件：1) 只使用兩片鏡片。2）設(shè)計必須是伽利略式的（沒有內(nèi)部焦點）。3）在鏡片之間的間隔必須不超過250mm。4）只允許使用1排尿非球面。5）系統(tǒng)必須在0.6328時測試。四、實驗步驟：設(shè)計任務(wù)涉及到的不僅僅是改善像差，還需要兩個不同的波長。但是，系統(tǒng)不是同時在兩個波長處使用的。因此，可以在測試時移動共軛面。設(shè)計前先運行ZE

41、MAX，插入幾個面，并給它們設(shè)好變量，鏡片數(shù)據(jù)編輯器看上去如下表所示。注意“Glass”列右邊的好幾列才是“Focal Lenth”列。表頭“Focal Lenth”只在將表面類型從“Standard”改變?yōu)椤癙araxial”后才會顯示。不是所有的列都會清楚地顯示出來。注意近軸鏡片的使用是為了有平行光能到焦點。將厚度和焦距都設(shè)為25.00，并把入瞳直徑設(shè)為100，波長（一個）設(shè)為1.053微米，不要輸入任何其他的波長。鏡片厚度是任意設(shè)定的，但要符合我們的目標。250mm是由第3條要求得來的?，F(xiàn)在選“Editors”，“Merit Function”，評價函數(shù)應該是空的，只顯示一個“BLNK”

42、（即Blank，意思是未被使用）操作數(shù)。在第一行，將操作數(shù)類型改為“REAY”，這個真實的Y約束將會被用來控制所要求的5：1的光束壓縮比。為“Srf#”輸入5（這是所要控制光高的面），為“Py”輸入1.00，在再輸入一個目標值10，這會給我們一個20mm直徑的平行輸出光束。在“Weight”中輸入一個1.0值，再選“tools”，“Update”。將會看到在Value列出現(xiàn)一個50的值。這只是入瞳的半徑，因為在這一點上只有平行平板?，F(xiàn)在從Editor菜單條中選Tools，Default Merit Function。再選Reset，然后將Start At域的值改為2，再單擊OK。這會使操作數(shù)從

43、電子表格的第2行開始添加，以便保護已輸入的REAY操作數(shù)不被遺失。現(xiàn)在從主菜單條選Tools，Optimization，然后單擊Automatic。當優(yōu)化完成后，單擊Exit，載從主菜單選Analysis，F(xiàn)ans，Optical Path，將會看到如圖E5-1所示的OPD圖。大約有7個波長的波差，性能較差。E5-1主要像差是球差 (ZEMAX已加入了離焦作為補償)，有一種非常有效的排除球形的方法。移動光標至第一面的圓錐系數(shù)列使之成為一個變量，返回到優(yōu)化工具單擊AUTOMATIC，評價函數(shù)會顯著下降?，F(xiàn)在單擊Exit，更新OPD圖，由于引入了圓錐系數(shù)很容易使系統(tǒng)性能達到衍射極限。在三個曲率和圓

44、錐系數(shù)的每一格中鍵入Ctrl-Z以消除變化。在深入研究之前，現(xiàn)選File，Save As保存文件，鍵入鏡片名字：MC1.ZMX，單擊OK。在接下來的步驟中，可以隨時調(diào)出來查看。選System，Wavelengths，得到渡長數(shù)據(jù)對話框，將波長從1053改為0632 8，單擊OK再次要新OPD圖。由于玻璃的色散，性能非常差，所顯示的像差明顯離焦?，F(xiàn)在可以調(diào)整鏡片間隔來改正它。使第2面的厚度250mm為可變，然后選Tools，Optimization，將會看到只有一個變量列表。選Automatic，評價函數(shù)應該會降低。單擊Exit，然后要新OPD圖，系統(tǒng)在新的波長和共軛處有大約一個波長的像差。再次

45、鍵入CtrlZ去掉第2面厚度變量?，F(xiàn)在將用多重結(jié)構(gòu)配置功能。從主菜單選Editors，Multiconfiguration，選Edit，Insert Config插入一個新的結(jié)構(gòu)配量，雙擊第一行的第一列，從所顯示的下拉框選WAVE，在同樣的對話框里，為“Wavelength#”選擇1，單擊OK。這使得可以為每一個配置定義不同的渡長。在“Config 1”下輸入1.053，在“Config 2"下輸入0.6328?，F(xiàn)在按Insert為Multi Configuration Editor加入新的一行，在新的第“1” 行的雙擊第一列，然后選THIC作為操作數(shù)類型。 THIC操作數(shù)可為每一個

46、配置定義不同的厚度。從Surface列選2，單擊OK。在Config 1下輸入250。在Config 2下輸入250。其中的2指的是第二面。因此己將第二面的厚度作為多重結(jié)構(gòu)配置值定義了。鍵入CtrlZ，使結(jié)構(gòu)配置2下的第二面的厚度成為變量。現(xiàn)在返回到評價函數(shù)編輯器。選Tools，Default Merit Function，在顯示的對話框中。將Start At的值改為1，這會使得缺省的評價函數(shù)從第一行開始。現(xiàn)在單擊OK，將為多重結(jié)構(gòu)配置實例重建評價函數(shù)。現(xiàn)在需要將原先輸入的REAY約束加入新的多配置評價函數(shù)中。在評價函數(shù)編輯器第一行，注意在“CFG#”列有一個寫著1的CONF操作數(shù)，此操作數(shù)將

47、當前活動的結(jié)構(gòu)配置改變?yōu)?。在這一行的下面，有3個OPDX操作數(shù)。在CONF和第一個OPDX間，插入新的一行。將該行的操作數(shù)類型改為REAY。為“Srf#”輸入5(這是用來控制光線高度的一面)，為Py輸入1.OO。輸入目標值10，將會得到直徑為2Omm的平行輸出束。任何在CONF1下的操作數(shù)都將被限制在此配置中。在CONF2下，不需要任何的操作數(shù)。因為在兩個波長處都己有了5：1的光束壓縮比。 現(xiàn)在回到鏡片數(shù)據(jù)編輯器，使第1、2和4面的曲率為變量，就象本節(jié)開始時所述的。再將第一面的圓錐系數(shù)也設(shè)為變量。選Tools Optimization到優(yōu)化屏幕，注意共有5個變量被激活（3個曲率，1個錐形一個

48、多重結(jié)構(gòu)配置厚度)現(xiàn)在單Automatic，結(jié)束后單擊Exit。 現(xiàn)在雙擊多配置編輯器 Cofig 1列頭。更新OPD圖。注意其特性在波長1.053非常好。雙擊Config 2列頭，在更新OPD圖(這一次為0.6328處)，同樣也被很好地修正了。注意多重結(jié)配置縞輯器顯示的為兩個波長設(shè)置的兩個厚度。鍵盤快捷鍵Ctrl-A可用來在這兩個配置之間快速切換。 多配置可能有復雜得多的應用，但步驟是一樣的。 實驗六 折疊反射鏡面和坐標斷點 (Fold mirrors and coordinate breads)一、實驗目的：二、實驗環(huán)境：（1）、硬件環(huán)境：普通PC機（2）、軟件環(huán)境：ZEMAX軟件平臺三、

49、實驗內(nèi)容：設(shè)計一個牛頓望遠鏡，練習在會聚光束中手動加入折疊反射鏡面。四、實驗步驟：先前的課程中講述了如何設(shè)計一個牛頓望遠鏡，那一課中介紹丁反射鏡面和坐標斷點概念。該課的重點為：1)厚度在經(jīng)過一個鏡面后總是會改變符號。經(jīng)過奇數(shù)面的鏡面后，總厚度應該是負的。此符號的約定與鏡面的數(shù)量或坐標斷點的存在無關(guān)。2)坐標斷點通常成對出現(xiàn)，并夾在反射面中間。本課將會告訴你如何在會聚光束中手動加入折疊反射鏡面。先從File菜單選New清除當前所有的鏡片數(shù)據(jù)。New功能會將視場的數(shù)量設(shè)為1，波長數(shù)量也為1。以符合我們的目標。在鏡片數(shù)據(jù)編輯囂(LDE)窗口，顯示三個面：OBJ，STO，和IMA，也即第O、1和2面。在表面類型列上雙擊，然后用從下拉列表中選Paraxial的方法將STO面的類型改為近軸鏡片，將STO面的厚度設(shè)為100，這是近軸鏡片的缺省焦距。然后，選System，Gen