Zemax在《应用光学》中的应用研究

本科毕业论文

（2011届）

题 目 学 院 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期

Zemax在《应用光学》中的应用研究

电子信息学院 电子科学与技术

2011年3月

诚 信 承 诺

我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《Zemax在〈应用光学〉中的应用研究》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：

2011 年 3 月 11 日

杭州电子科技大学本科毕业论文

摘 要

本论文主要研究光学设计软件Zemax在《应用光学》课程中的应用。通过对Zemax软件的使用，更好地利用该软件应用于教学，达到《应用光学》课程教学更加简易、具体的目的。

利用Zemax计算光路的参数以及光路的仿真，使得复杂的计算简单化和抽象的光线传播具体化。本文通过单一光学元件的设计，如单透镜、牛顿式望远镜、消色差单透镜、变焦透镜等，来演示Zemax软件的基本操作。再利用Zemax软件来设计一个光学系统：望远物镜及调焦镜的设计，综合具体地了解掌握软件各功能的使用，同时了解光学系统设计的流程，以更好地应用于《应用光学》的教学。

关键词： Zemax软件；《应用光学》；光学设计

杭州电子科技大学本科毕业论文

ABSTRACT

This thesis mainly studies optical design software Zemax in the application of the course applied optics. By studying the software Zemax, we can make better use of it in practical teaching and make the course easier and more specific.

It makes complex calculation easy and abstract light transmission specific by using Zemax to calculate light path parameter and simulate light path. This article demonstrates the operation arrangements of Zemax software application cases, such as Single lens, Newton type telescope, Suppressing chromatism single lens and Zoom lens and so on. These concrete examples illustrates the basic operation of the Zemax software .Then design an optical system with Zemax software: the telephoto lens and focus lens, which could help us have a good knowledge of various functions of the software, and understand optical system design process and apply it in the teaching of applied optics.

Key words： Zemax software；《Applied Optics》；optical design

杭州电子科技大学本科毕业论文

目 录

杭州电子科技大学本科毕业论文

光学作为一门古典物理学科，在很早期时就有科学家致力去研究，但是由于科技的滞后，测量仪器的落后，发展受到了一定程度的限制。随着计算机科学技术的发展，应用光学得到了前所未有的进步。目前，在光学产业领域，传统的应用光学已形成一个巨大的产业群，望远镜、显微镜、照相机等光学产品的早已进入人们的生活工作中。随着数字影像的出现，在技术上不断的再突破，近年来，更是结合电子领域的发展，出现了光电产品，如数位相机、扫描仪、摄影机、液晶投影机、光缆??这些日常生活中对我们来说都是息息相关的物品，可以说是缺一不可的东西，所以光学产业是非常具有前瞻性的产业，值得去研发、投资的产业。

同时，随着应用光学的发展，新领域、新要求不断出现，对光学设计提出了新的更高的要求。为此，国内外涌现出各种功能强大的光学设计软件，为高质、高效的设计提供可能。发展至今，光学设计软件的用户界面已日趋完善，使用软件对用户的要求也越来越低。其中Zemax软件以其强大完善的功能，灵活方便的操作最为广泛使用。正确高效地使用光学设计软件大大加速了设计进程和提高了设计质量。

杨晓飞、张晓辉、韩昌元[1]利用Zemax实现了对大口径、长焦距、无中心遮拦离轴三反射镜光学系统的调试。通过Zemax软件的模拟得到了系统的波前像差，再以计算机辅助装调软件的计算分析证明其正确性。最后得到了在λ=632.8nm时，得到离轴三反射镜光学系统的全视场波像差为0.108λ。

唐勇、李玉瑶[2]根据Zemax中的近轴表面可以模拟理想薄透镜进行光学系统的外形尺寸的计算。通过十倍变焦距光学系统和激光光束整形系统的外尺寸计算，得到与设计结果相一致，证明了其可行性和正确性。而外形尺寸的计算作为光学系统设计的首要因素，正确的计算为整个系统的设计奠定了基础。

曹红曲、金宁[3]在二组元变焦系统凸轮曲线的设计中，用Zemax 软件编写了其设计程序。借助于Zemax软件的宏语言功能准确的计算出凸轮曲线的数据，可以大大提高设计效率，对变焦系统的前后期设计起到了积极的作用。

手机拍照的功能被广泛应用后，其像素也得到也极大的关注。尤其以500万像素的手机照相需求量增长最快。宋东璠、任兆玉、白晋涛[4]在Zemax辅助下对像差经行校准，能够逐步消除基本像差和高级像差，使各个视场相对照度达到了0.65以上，达到了优化的效果。

李维善、张禹和刘宵婵[5]借助Zemax设计出短焦数字投影镜头，其焦距为12.6914mm，相对孔径为1/2.0981，视场角达到80°。该镜头结构由10片透镜组成，结构简单、生产成本低，十分适合市场的需求。

袁纵横、胡放荣[6]利用Zemax软件设计的半导体激光无源光纤耦合系统通过

- 1 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

人工优化克服有源藕合装置繁多、调整难度大以及耗时长的缺点，同时简化了耦合装置和耦合过程，提高了耦合效率。这使得较易实现大规模的自动化生产。

赵延仲、宋丰华、黎伟[7]等人建立共轴的简化“猫眼效应”反射模型，并结合Zemax软件的物理光学传播分析功能，分析出目标镜头的各个参数对“猫眼效应”激光反射特性的影响，并通过仿真分析得出其完全可以为激光主动探测所用。

对于光学设备而言，偏心和倾斜光学系统被广泛的应用。杨新军、傅汝廉、母国光[8]等人根据矢量像差理论，再通过Zemax的像差分析功能中的垂直像差曲线、场曲曲线和点列图比较，证明了矢量像差理论对具有较大倾斜元件的非共轴光学系统设计有指导意义。

在教学辅助上，Zemax软件同样有着重要的用途的。戴斌飞、武文远、任建锋[9]利用Zemax软件设计了迈克耳孙干涉仪实验光路。通过对实验光路的仿真，可以轻易的达到对实验现象的模拟以及各个参数对实验结果的影响。

对于高功率激光装置来说，应极力避免鬼像对光学元件的破环。曹华保、卢兴强、范滇元[10]用自编辅助程序处理Zemax执行结果，能够快速得得到鬼像分布图，对高功率激光装置的设计有着重要帮助。

陈得请、郭瑞雄、苏世荣[11]等人利用Zemax软件设计了携带式红外线目标产生器准直镜组。红外线目标产生器经行多次折光的准直系统，不但复杂，而且准直系统不一定能够形成真实的像。由Zemax经行设计和分析，并且辅助于Auto-CAD机械设计软件经行验证，得到准直镜组设计结果是正确的。

张驰、方君、丛杉珊[12]利用Zemax软件中的多重结构设计功能，克服了变倍周视瞄准镜设计的多路共同部分镜头的像差校正难的困难，有效地控制像差优化，使设计达到非常理想的效果。

王高、周韩昌、张记龙[13]提出基于发射光栅和线阵CMOS的对远场短脉冲波长的测量方法，并给出了激光功率、灵敏度、信噪比和分辨率分析的理论公式。在Zemax软件下仿真运行证明了其准确性，为元件选型提供了技术保障。

Florian Bauer, James Corbeil, Matthias Schmand, Debora Henesle[14]利用Zemax 软件仿真模拟了光输出为一系列几何结构，测量了光在硅酸镥晶体的传播以及光线追踪模拟。通过Zemax软件，他们得出了蚀刻过的硅酸镥晶体的光学参数以及VM2000反射膜，并越来越多的被用于建筑物探测器。

N. Y. Joshi, HKB Pandya, P. K. Atrey, Gaussian Optics Lens Antenna[15]设计了在托卡马克装置中高斯光学镜片天线系统，装配并测试了等离子体诊断程序，并以Zemax 光学软件模拟了性能设计和制造天线系统。

随着光学工程的发展，光学系统设计日益凸显其重要性。在LED照明灯的具体设计，光声成像仪器的设计，光缆的设计等等方面都越来越依靠于光学设计的发展。而Zemax设计软件以其强大完善的功能也越来越多地应用于光学设计中，

- 2 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

为光学产业的发展提供了强有力的促进作用。

- 3 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

2 Zemax软件介绍

Zemax是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。Zemax不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是Zemax的CAD转文件程序都是双向的，如IGES、STEP、SAT等格式都可转入及转出。而且Zemax可仿真序列和非序列的成像系统和非成像系统。

Zemax 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。 ZEMAX 的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。ZEMAX 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使用Zemax 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。

Zemax目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。

Zemax有三种不同的版本：ZEMAX-SE（标准版）；ZEMAX-XE（扩展版）；ZEMAX-EE（工程版）。

软件特色：

1结合所有光学上的需求，用一简单的操作接口来执行； 2可使用序列与非序列模式运算；

3表栏式表面输入及完整的表面数据库，使编辑更加快速； 4 Solve 指令功能，帮助使用者设计； 5完整的镜头及材质数据库； 6多功能的分析图形；

7多种优化方式供使用者设计；

8对话窗式公差设定，方便使用者分析公差。

- 4 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

3 应用Zemax进行单一光学元件设计

本章主要通过应用Zemax进行单一光学元件设计，来演示Zemax软件的基本操作，熟悉各功能的使用。

3.1参数的计算及光路的仿真

Zeamx软件还有强大对光学系统参数计算的功能，而且操作简单。以一个简单的望远物镜为例，叙述其基点位置和焦距的计算方法。物镜由两块透镜胶合而成，结构参数如下：

表3-1 双胶合透镜结果参数 r1=62.5 r2=-43.65 r3=-124.35 d1=4 d2=2.5 n=1 S_NSL3M (n=1.5165) ZF2(n=1.6727) n=1 首先，运行Zemax，主屏幕会显示镜片数据编辑对话框（LDE）。LDE是一个类似于电子表格的窗口，由多行和多列组成。在各个列项中，半径、厚度、玻璃和半口径等列是最常使用的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。

开始，输入系统的波长。在主屏幕菜单条上，选择“System”菜单下的“Wavelengths”，会显示一个“Wavelength Data”对话框，再选择[F.d.c(Visble)]，选择OK即可。主波长主要用来计算近轴的参数，如焦距、放大率等等。

“Weight” 这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL率。现在设置所有的权为1.0，单击OK保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。

现在需要为镜片定义一个孔径。设置这个孔径值，选择“System”中的“General”选项，此时出现“General Data”对话框，单击“Aper Value”一格，输入一个值：25。注意孔径类型缺省时为“Entrance Pupil Diameter”，当然也可选择其他类型的孔径设置。除此之外，还要加入一些重要的表面数据。Zemax模型光学系统使用一系列的表面，每一个面有一个曲率半径、厚度（到下一个面的轴上距离）和玻璃类型。在LDE中显示的有三个面，分别是：物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO表示；还有像平面，以IMA表示。对于单透镜来说，我们共需要四个面：物平面，前镜面（同时也是光阑面），后镜面，和像平面。所以要插入一个面，只需移动光标到像平面的“Infinity”之上，按INSERT键。这会在那一行插入一个新的面，并将像平面往下移。新插入的面被标为第2面。注意物体所在面为第0面，然后才是第1（标上STO是因为它是光阑面），第2和第3面（标作IMA）。

- 5 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

现在输入所要使用的玻璃。移动光标到第一面的“Glass”列，即在左边被标作STO的面，输入“S_NSL3M” 即可。同样在第二面的“Glass”列中输入“ZF2”。Zemax有一个非常广泛的玻璃目录可供使用。

由于需要的孔径为25mm，所以合理的镜片厚度取4mm。移动光标到第1面的“Thickness”列并输入“4”，第二面的“Thickness”列选择“2.5”，此处注意缺省的单位是毫米。

接下来输入每一面的曲率半径值。设置前面和后面的半径分别是62.5和-43.65，在第1和2面中分别输入这些值。此处符号约定同《应用光学》课程，即：如果曲率中心在镜片的右边为正，在左边为负。最后IMA面的半径取“-124.35”，得到最后的数据图：

图3-1 原始数据图

这样就得到了一个双胶合物镜。在Zemax中，我们可以快速得到整个系统的各项参数，点击“Reports”菜单下的“System data”即可得到图表：

图3-2 参数输出图

从图中我们可以看出系统的像方焦距为99.63352，物方焦距也为99.63352，焦点位置为-4.17693等等一系列参数。此外，点击“Reports”菜单下的“Surface data”

- 6 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

可以得到关于表面的一些参数。

同时，Zemax也能对光路经行仿真。输入如图所示数据

图3-3 数据图

设置孔径为25，波长为0.486，0.567，0.656，点击[L3d]键，可以得到三维图

图3-4 三维光线传播图

从图我们可以清晰看到光线传播的轨迹，点击“Settings”可以在界面中设置光线传播的起始面、终止面以及光线数。

- 7 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

图3-5 界面设置

设置光路从第1面开始传播，到第6面，选择4条光线，然后我们再来看下此时的光路传播轨迹。

图3-6 设置后的三维图

可见此时光线的传播以及从第1面到第6面了。

3.2 单透镜的设计

透镜是构成绝大多数光学系统的基本元件，作为最简单的一个设计应用，单透镜的设计主要是来熟悉Zemax软件的设计过程。以下我们设计单透镜，其设计要求如下：镜片为F/4， 焦距f为100mm，光谱范围为可见光（C，d，F），玻璃

- 8 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

材料为BK7，厚度为4mm。

由于需要设计的是一个F/4镜头，所以系统孔径为25mm（100mm的焦距除以4）。根据上节的操作，输入半径、厚度、孔径等参数，得到LDE界面的数据如下图：

图3-7 原始数据图

光线特性曲线图是判断设计的镜片性能如何的最有用的工具。要产生一幅光线特性曲线图，首先选择“Analysis”菜单，然后选择“Fan”菜单，再点击“Ray Aberration”即可。此时你将会看到光线特性曲线图在一个小窗口显示出来，光线特性曲线图如图3-8所示。

图3-8 光线特性曲线图

此分析图表是以0.588 μm为主波长，其线型在原点附近斜率不为零，表示产生离焦现象(Defocus)。为了纠正离焦，可以用在镜片的后面的Solve来进行，Solve能够求解特定的镜片数据。为了将像平面设置在近轴焦点上，在第2面“Thickness”上双击，弹出Solve对话框，可以看到现在显示“Fixed”。在下拉框上单击，将Solve类型改变为“Marginal Ray Height”，然后单击“OK”。用这样的求解办法将会调整厚度使像面上的边缘光线高度为0 ，即是近轴焦点。现在，第2面的“Thickness”

- 9 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

会自动地调整到约96mm。然后，更新光线特性曲线图看其变化。从光线特性曲线窗口菜单，单击“Update”（在窗口任何地方双击也可更新），其光线特性曲线图如图3-9所示。可见，离焦已经消失，主要的像差是球差。

图3-9 光特性曲线图

同时，观察此时的二维图，点击[Lay]得到如图3-10。

、

图3-10 单透镜的二维图

由于球差的存在，接下去还得继续优化。首先要确定哪些参量在设计中可以

- 10 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

图3-17 光学特性图

从图中可以看出，镜头的轴外特性是很差的，原因是我们只对轴上特性进行了优化。通过分析光学特性曲线图，可以知道场曲是主要像差。此像差可以通过场曲曲线图来估计。选择“Analysis”下的“Miscellaneous”，然后点击“Field Curv/Dist”，得到场曲曲线如图3-18所示。

图3-18 场曲曲线

- 16 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

其中左图表示的是近轴焦点的漂移为一个关于视场角的函数，而右图表示的是有以近轴光线为基准的实际光线的畸变。不同颜色表示不同的色光，T和S分别表示子午和弧矢量，同色的T和S间的距离表示色散的大小，纵坐标为视场，左图的横坐标是场曲，右图的横坐标是畸变的百分比值。从图中可以看出系统的像散和曲线都在一倍焦深范围内，校正得较好；视场边缘畸变约为–0.13%，能满足要求。

得到双透镜最后的结构数据图：

图3-19 最终数据图

这样一个胶合的双透镜就设计完成了，并达到了优化的效果。

3.4牛顿式望远镜的设计

牛顿式望远镜是共点光学系统的例子。牛顿式望远镜是一个简易的抛物线型反射镜，是用来矫正轴上像差最简单的望远镜。光线是由无限远处物点所发出的，并在焦点处形成完美的几何像点。现在设计一个这样的望远镜，其设计要求如下：焦距：1000mm；曲率半径：2000mm；孔径直径：200mm；光谱范围：0.55μm。

开启新的一个LDE界面，由于镜面不会产生色差，所以它并不需设罝多波长。在第一面，即光阑面的曲率半径列，输入-2000.0，其中负号表示为凹面。现在在同一个面上输入厚度值-1000，这里的负号表示光线通过镜面折射后将往“后方”传递。然后在同一面的“Glass”列输入“MIRROR”，选择“System”选项下的“General”，然后在“General Data Dialog Box”中输入一个200的孔径值，并单击“OK”。

现在开启弥散斑(Spot Diagram)，我们可将光斑尺寸与埃里斑(Airy Disk)在弥散斑上作比较。点击弥散斑中主选单中的“Setting”选项。在“Show Scale”的下拉菜单中选取“Airy Disk”，然后点击OK。其中RMS 光斑尺寸为77.6μm。埃里斑(Airy Disk)的直径文本输出部分的光斑尺寸下方，其值为6.7μm 。点列图如图3-20所示

- 17 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

图3-20 点列图

由图可知所列的RMS点的尺寸是77.6μm，光线并没有达到衍射极限。这其中的原因是所使用的是球面镜面，还没有输入圆锥常量。原先所输入的2000这个曲率半径只是定义了一个球形，我们需要一个锥形常量-1来定义抛物线。若要改变镜面的类型为抛物面，只需要在LDE中表面1的“Conic”这一栏内键入-1。

Conic为非球面二次曲面系数 Conic = 0 ——球面

－1

图3-21 定义抛物面

此时RMS 光斑尺寸为0.000，这样就定义出完美的几何成像点。一个衍射极限的系统，是指其整体系统性能趋近于边缘衍射效应，即系统的几何像差趋近于零。这样的系统应该使用PSF（点扩散函数）来分析。点击“Analysis”下的“PSF”，然后点击“FFT PSF Cross Section”得到PSF图。

- 18 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

图3-22 PSF图

对于一个理想的不存在像差的几何光学系统，一个点光源在所成的像还是一个几何点。由图可以看出衍射效应所产生的影像并非是一个完美的像点，还是有能量的模糊。

由于像处在入射光路的光程中，图像无法接收。这可以通过在主镜面后安放一个转折光线用的反射面来调整，反射镜面以45°倾斜，这样就将像从光轴上往外转出来。为了使用转折面，必须先确定它该安放在哪儿。由于入射的光束有200mm宽，所有像平面至少要离开光轴100mm。在此选择150mm，因此折叠镜面必须距主反射面有850mm。

先改变第一面的厚度，将原先的改为-850mm。现在移动光标到像平面，按Insert在主面与像平面之间插入一个虚构的面。这样新的面很快会被转换为折叠面。虚构面的作用只是简单地用来安放折叠镜面。在新的虚构面上输入一个-150的厚度值，保持镜面到像平面的总距离为-1000.0。

现在单击“Tools”选项下的“Add Fold Mirror”，然后设置“Fold Surface”为3，单击“OK”。 现在得到的就是折叠式牛顿反射镜系统。先前所使用的图将不再起到作用（它只对旋转对称系统有作用），取而代之的是3维图形，可通过点击“Analysis”，选择“Layout”下的“3D Layout”菜单来得到。三维图形显示出来以后，即可用左、右、上、下、Page Up和Page Down键来控制图形的旋转。Zemax允许图形的交互式旋转。图3-23显示的是3D设计图。

- 19 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

图3-23 3D图

此3D图只是其中一种投影可能，可以通过键盘的上、下、左、右键来调整。从这个设计投影图可以发现有光线落在折叠镜面后面，应该被挡去。因此，我们将使用一表面来用做遮蔽面。在表面1的“Surf:Type”栏上双击鼠标左键两下，开启表面1的属性对话框。选取“Aperture ”标签，选择孔径型态(Aperture Type)为“Circular Obscuration”并将其最大半径设为16.7，再来看挡板的效果，如图3-24所示。

图3-24设置挡板后的3D图

得到最后的结构数据图：

- 20 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

图3-25 最终数据图

3.5消色差单透镜的设计

一个反射镜面可以用来消色差，而且也可以设计一个用来矫正一阶色差的折射/衍射混合组件，只要使用一个一面蚀刻着衍射表面的折射单透镜。单透镜上两面的曲率产生大部分光焦度，而弱衍射组件为玻璃色散提供足够的色散补偿。

一个焦距为 f 的单透镜镜片的屈光度为?= f—1，光焦度在波长λF-λC范围内的变化由组成单透镜的玻璃的阿贝常数（Abbe数）V 为：

?Δ?? (3-1)

V其中色散对于大多数玻璃来说都是比较小，因此光焦度的变动一般为总光焦度的2%左右。

衍射光学采用在波前相位上直接操作，将光学光焦度加到光束上的方法。对于一个有着二次相位轮廓的衍射表面来说，相位值为：

ψ=Аr2 (3-2)

其中，A的单位是弧度每单位长度的平方，r为径向的坐标。用下式的相位轮廓可很容易地表示表面的光焦度：

???A (3-3) ?可以得知表面光焦度是随着波长线性地变化的。在衍射单透镜的屈光度2%变动的同一个波长范围内，衍射光学光焦度变动将近40%。而且，色散的符号可以通过改变常数A的符号来调整。我们只需要在折射元件中加入少量正光焦度就可以很容易地利用这个特性，再在衍射元件中加入一个小量的负光焦度来补偿。这样所加的总屈光度可选择使轴上色差平衡。

运行Zemax后选“File”，再“New”，然后在LDE中双击“Standard”，从表面类型的下拉列表中选择“Binary 2”，单击OK，将标准STO面重命名为Binary 2。下移光标到IMA行按Insert键，再加入一个面。将第1面（STO面）的厚度改为10，将新加入的面的厚度改为100。在第1面的玻璃类型中选择BK7，然后选“System”，再“General”，然后输入孔径值20，最后在Wavelengths的窗口选择[F.d.C(Visble)]，点击“OK”即可。

- 21 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

首先设计一个平凸透镜。键入Ctrl-Z，设置第1面的半径成为变量。然后选择“Editors”，再“Merit Function”。在MFE中选“Tools”，“Default Merit Function”，缺省的是可以的，所以单击“OK”即可。关闭MFE窗口。接下去选“Tools”下的“Optimization”，单击“Automatic”，它将被拉下。选择“Analysis”，然后点击“Fans”和“Spot diagrams”，可以看到如图3-26和3-27。注意轴上色差完全支配此设计的质量，此外还有相当大的球差和离焦。

图3.-26 扇形图

点列图：

图3-27 点列图

- 22 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

上面的结果对于一个简单的平凸透镜来说是最好的。为了改善设计，我们可以选“Editors”，再“Extra Data”，在LDE中的“ Max Term# ”输入1，“Norm Aper” 输入10。然后键入“Ctrl-Z” 使第三列中的“ Coeff on P^2”成之成为变量。现在从主菜单选“Tools”，“Optimization”，它将会显示2个变量，分别是第一个半径和衍射屈光度。单击“Automatic”，由于Zemax使用衍射光焦度矫正轴上色差，所以评价函数时很快地下降，单击“Exit”退出即可。

现在我们再次来观察下扇形图以及点列图。

图3-28 更新后的扇形图

图3-29 更新后的点列图

- 23 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

可以看出优化后的系统性能，球差有明显下降，色差将被良好的平衡。 得到最后的消色差单透镜最后的数据图：

图3-30 最终数据图

- 24 -

杭州电子科技大学本科毕业论文

4利用Zemax设计望远物镜及调焦镜

4.1方案提出

望远镜是一种用于远距离物体的目视光学仪器，能按照一定的倍率放大，是天文及地面观测不可缺少的工具。日常生活中，我们所使用的望远镜一般为光学望远镜，通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统。而内调焦望远镜具有多种用途，是一种使用方便的光学系统，可以用作自准直光管使用，也可以作为调焦望远镜使用。所以内调焦望远镜被广泛地被应用于光学实验室和光学车间，以用作检验和调整工具。

望远镜系统一般都由物镜、目镜和棱镜或透镜式转像系统构成。望远物镜是整个望远系统的组成部分，对它的光学特性要求是在对整个系统外形尺寸计算时所确定的。而调焦镜无疑在整个望远镜系统中起到调焦作用。

试设计一个放大率为24?的内调焦准距式望远系统的主物镜及调焦镜组合，其视场角2w? 1.6?，分辨率? ? 4?，根据望远系统的外形尺寸计算的结果，对主物镜及调焦镜的光学特性要求为：筒长170mm时，主物镜的焦距f1=147.11mm，通光直径D1=36mm，调焦镜的焦距f2=-89.20，通光直径为11.73mm，入射角为-2.56325。根据上述为了补偿目镜的像差，要求系统（包括主物镜和调焦镜）的像差为?L?= 0、SC? = 0及?L?FC = 0。

4.2设计总流程

利用Zeamx软件设计望远系统的主物镜和调焦镜总流程图如下：

建立光学系统模型像质评价像质是否满足要求？否优化是图表输出图4-1 设计流程图

在本设计中，主物镜及调焦镜都选择双胶合望远物镜。

4.3主物镜和调焦镜系统的设计

- 25 -

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3saf.html