2021年ZEMAX光学设计讲义.doc

试验一：单镜头设计(Singlet)
试验目标：
1、学习怎样启用Zemax
2、学习怎样输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data）
3、学习怎样察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams），
MTF等。
4、学习怎样定义thickness solve和变量（variables）
5、学习怎样进行优化设计（optimization）
试验仪器：微机、zemax光学设计软件
试验步骤：
1、设计一个孔径为F/4单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length） 为100mm，波长为可见光，
用BK7玻璃为材料。
2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它是你要工作场所，在LDE扩展页上，能够输入选择玻璃，镜片radius，thickness，大小，位置等。
3、然后输入波长，在主菜单system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，键入你要波长，，它是以microns为单位，此为氢原子F-line光谱。在第二、，然后在primary ，primary wavelength关键是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下多个关键参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。
4、确定透镜孔径大小。既然指定要F/4透镜，所谓F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成effective focal length F跟paraxial entrance pupil直径比值。所以现在我们需要aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue上键入25，然后点击ok。
5、回到LDE，能够看到3个不一样surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO即孔径光阑aperture stop意思，STO不一定就是光照过来所碰到第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们singlet，我们需要4个面 (surface)，于是点击IMA栏，选择insert，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。
6、输入镜片材质为BK7。在STO列中glass栏上，直接键入BK7即可。
7、孔径大小为25mm，则第一镜面合理thickness为4，在STO列中thickness栏上直接键入4。Zemax默认单位是mm
8、确定第1及第2镜面曲率半径，在此分别选为100及-100，通常圆心在镜面之右边为正值，反之为负值。再令第2面镜thickness为100。
9、现在数据已大致输入完成。怎样检验你设计是否达成要求呢？选analysis中fans，然后选择其中Ray Aberration，将会出现图1-1所表示TRANSVERSE RAY FAN PLOT。
图1-1
其中ray aberration是以chief ray为参考点计算。纵轴为EY，即是在Y方向aberration，称为tangential或YZ plane。同理X方向aberration称为XZ plane或sagittal。ray fan在原点处倾斜说明存在离焦defocus
10、Zemax关键目标，就是帮我们矫正defocus，用solves就能够处理这些问题。solves是部分函数，它输入变量为curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，和相关parameters等。parameters是用来描述或补足输入变量solves型式。如curvature型式有chief ray angle，pick up，Marginal ray normal，chief ray normal，Aplanatic，Element power，concentric with surface等。而描述chief ray angle solves