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基于ZEMAX的简单透镜的优化设计

实验二基于ZEMAX的简单透镜的优化设计

一．实验目的

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

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

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

zemax自聚焦透镜设计

目录摘要................................................................ I Abstract........................................................... II 绪论. (1) 1 自聚焦透镜简介 (2) 1.1自聚焦透镜 (2) 1.2 自聚焦透镜的特点 (2) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3) 2 自聚焦透镜的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8) 3.1 确定透镜模型 (8) 3.2 设置波长 (8) 3.3数值孔径设定 (9) 3.4 自聚焦透镜光路 (9) 4 优化参数 (10) 4.1光线相差分析 (10) 4.2聚焦光斑分析 (12) 4.3 3D模型 (12) 结束语 (13) 致谢 (14) 参考文献 (15)

摘要本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直

Abstract This article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation

zemax自聚焦透镜设计

目录摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... I I 绪论 . (1) 1 自聚焦透镜简介 (2) 1.1自聚焦透镜 (2) 1.2 自聚焦透镜的特点 (2) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3) 2 自聚焦透镜的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8) 3.1 确定透镜模型 (8) 3.2 设置波长 (8) 3.3数值孔径设定 (9) 3.4 自聚焦透镜光路 (9) 4 优化参数 (10) 4.1光线相差分析 (10) 4.2聚焦光斑分析 (12) 4.3 3D模型 (12) 结束语 (13) 致 (14) 参考文献 (15)

zemax自聚焦透镜设计学习资料

目录摘要Abstract............................................................ I 绪论. 0 1 自聚焦透镜简介 (1) 1.1自聚焦透镜 (1) 1.2 自聚焦透镜的特点 (1) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (2) 2 自聚焦透镜的应用 (3) 2.1 聚焦和准直 (3) 2.2 光耦合 (4) 2.3 单透镜成像 (5) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (5) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (7) 3.1 确定透镜模型 (7) 3.2 设置波长 (7) 3.3数值孔径设定 (8) 3.4 自聚焦透镜光路 (8) 4 优化参数 (9) 4.1光线相差分析 (9) 4.2聚焦光斑分析 (11) 4.3 3D模型 (11) 结束语 (12) 致谢 (13)

参考文献 (14)

镜头设计

光学镜头设计自聚焦透镜姓名：董杏杰学号：120514130 专业：12级光伏 2015年6月22日

光学系统的设计要求任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求，因此，在我们进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求，这些要求概况起来有以下几个方面：一、光学系统的基本特性光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；视场角或线视角；系统的放大率或焦距。此外还有这些基本特性相关的一些参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。二、系统的外形尺寸外形尺寸也就是系统的横向尺寸和纵向尺寸。在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。三、成像质量成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成像质量。四、仪器的使用条件在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上可实现的可能性。如生物显微镜的放大率m要满足500NA≤m≤1000NA条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。光学系统的设计过程所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为四个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。一、外形尺寸计算在各个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段成为外形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理，过高的要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计

光纤与激光基础知识_肖

1、光纤传输条件全反射条件为了使光波在传输过程中光能量损耗尽可能小，需使光束在光纤内部传输时发生的内反射满足全反射条件。谐振条件（相位条件）考虑两列向前（光束分波前）传播的相干光在某一时刻的相位差及叠加情况，它们产生沿垂直于光纤光轴分布的相位差。这两列波产生谐振，或者相互减弱，这就是并非所有满足全反射条件的光波都能在光纤内部形成稳定的传输。能够在光纤内稳定传输的光波，除了要满足全反射条件外，还要满足谐振条件－相长干涉条件，光波的入射角应满足： πδδθm nk i 2cos 2210=++ 才能在光纤内部形成稳定传输。对于给定光纤，能够在内部稳定传输的光波之入射角i θ仅仅取一些分立值。每个i θ值对应一个m 值，称为光纤内光场分布的一种模。 2、光纤的色散光纤色散是决定光纤传输带宽的重要参数，限制传输容量、决定最大中继距离。光纤色散是指输入光脉冲在光纤中传输时由于各波长的群速度不同而引起光脉冲展宽的现象，即传输延时。光纤色散的存在使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。色散对数字信号通信的影响：目前光纤通信都采用脉冲编码形式，由于不同波长光波在介质中传播速度不一致，从而使得不同波长光波到达光纤终端时产生延时差。由于各个波长成分到达的时间先后不一致，因而使叠加后的脉冲加长了，这叫脉冲展宽。传输距离越远脉冲展宽现象越严重，比特率越低。光纤不是用来传输单个脉冲的，而是用来传输一个脉冲序列，要把宽度几乎为零的脉冲序列传输到接收端，要在接收端把这个脉冲序列区分开来，则脉冲序列的重复频率—即为比特率。光纤色散可以分为三类：材料色散、波导色散、模间色散，光纤色散（延时差）是这几类色散（延时差）之和。