zemax基本操作和透鏡設計實驗

2023年12月30日發(作者：水風井)

Zemax基本操作和透鏡設計

一、 實驗目的

學習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。設計一個單透鏡和一個雙膠合透鏡。

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、 學會使用ZEMAX的幫助系統。

三、 實驗內容

○單透鏡設計

用BK7玻璃設計一個焦距為100mm的F/4單透鏡，要求在軸上可見光范圍內。

1. 打開ZEMAX軟件，點擊新建，以抹去打開時默認顯示的上一個設計結果，同時新建一個新的空白透鏡。

2. 在主菜單-系統-光波長彈出的對話框中輸入3個覆蓋可見光波段的波長，設定主波長。同樣在系統-通用配置里設置入瞳直徑值。

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. 輸入相關各鏡面的厚度和曲率半徑。

5. 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變化。

7. 利用主菜單-工具-優化-優化來對設計進行優化，更新后觀察各分析圖的相應變化。

8. 調用并建構優化函數（Merit Function），在優化后更新全部內容，然后觀察各分析圖的相應變化。

9. 分別調用點列圖、OPD圖以及焦點色位移圖（主菜單-分析-雜項）來觀察最優化后的成像質量。

10. 將此設計起名保存，生成報告。

優化前

優化后

○雙膠合透鏡設計

以前一個實驗內容設計優化后的單透鏡為基礎，添加一塊材料為SF1玻璃的透鏡來構建雙透鏡系統，進一步優化成像質量。

1. 插入新的平面作為第二塊透鏡的出射面，輸入相關鏡面的厚度、曲率半徑以及玻璃類型值（BK7、SF1）。

2. 生成光線像差特性曲線、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量。

3. 沿用前例的優化函數，在優化更新后觀察各分析圖的相應變化，并分別對比單透鏡時的點列圖、OPD圖以及焦點色位移圖（主菜單-分析-雜項）的相應變化，觀察雙透鏡此時的成像質量。

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變化。

5. 定義視場（系統-視場）來測試此雙透鏡的離軸特性。

6. 將此設計起名保存，生成報告。

優化前

優化后

四、驗結果及分析

無論是單透鏡還是雙膠和透鏡設計時優化前和優化后各種光學參數有明顯的差距，使得所設計的透鏡的球差，波相差，離焦等光學參數明顯減小，比較符合設計意圖，雖然一部分軟件原理并不是十分清楚（只是按照規定步驟進行的），但是還是在一定程度上了解和掌握了光學設計軟件Zemax的使用方法和主要功能，已基本達到的實驗目的。