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基于ZEMAX的简单透镜的优化设计


实验二
一. 实验目的

基于 ZEMAX 的简单透镜的优化设计

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
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). 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 RADIUS<80,光线像差< ? 500 ,光程差< ? 20 waves 。 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 RADIUS<11, 光线像差< ? 50 ,光程差< ? 1waves 。 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. 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


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