基于Zemax系列模式的单透镜设计报告

2023年12月30日发(作者：黑豆粉的功效与作用)

（封面）

XXXXXXX学院

基于Zemax系列模式的单透镜设计报告

题 目：

院（系）：

专业班级：

学生姓名：

指导老师：

时 间： 年 月 日

一、 实验目的

在于像差概念的基础上，了解ZEMAX在光学设计中的使用方法和技巧，通过使用ZEMAX软件设计单透镜来了解一般光学设计的知识和流程，帮助同学们学习建模方法，光束大小，视场，波长，变量，评价函数的设置方法，优化方法，像分析方法等。

二、 实验内容

1.

设计目标：

设计规格参数：

EPD（入瞳直径）：40mm；

F/#：10；

FFOV（全视场）：10度；

Wavelength（波长）：0.532um；

Material（材料）：BK7；

Best RMS Spot Radius

2. 设计步骤：

a)

b)

打开zemax软件，调用LDE。

透镜光学特性与初始结构参数输入

A、 光学特征参数输入

·用General对话框定义孔径

EPD为40mm

·用field data对话框定义视场

视场的设置：FFOV（全视场）：10度。（即视场角为5度）

·用wavelength 对话框定义工作波长

B、 在LDE中输入初始结构参数

·STO面的材料为BK7（直接输入）

在STO面后加入第二面，设置F/#:10，又入瞳直径为40，因此第二面的thickness设置为400，并将其solve

type设置为Marginal Ray Height。

至此参数输入基本完毕。

C、 变量设定

·将第一面即STO的radius和thickness设置为variable。

D、 评价函数的设定

·默认评价函数设定

打开Editors菜单中的Merit Function，进入后打开Tools中的Default Merit Function，设置如下图。

点击OK，Merit Function Editor出现如下：

E、 优化

·打开主菜单中Tools，点击Optimization，点击Automatic，如下图所示：

可看到初始MF为0.206，优化后MF为0.065。（MF为系统评价函数值）

·优化后单透镜结构参数如下：

Layout如下：

点列图及横向像差（Spt及Ray）：

·优化结果：MF=0.065

存在问题：由结构图可以看出，透镜厚度太厚，不实用，因此需要增加厚底限制条件。

由LDE中可看出，单透镜中的可变参数：两个透镜的曲率半径Radius，两个厚度Thickness及光阑位置。

而现在的可变参数：前曲率半径及透镜厚度。

因此，有如下改善方法：离焦、光阑位置改变等。

F、 进一步优化

·在LDE中，于STO面前加入另一面，并将该面设置为STO,而原STO变为第二面，原第二面变为第三面。并将新的STO面的Thickness设置为variable。如下图：

·再次进入Merit Function并打开Default Merit Function，设置如下：

·再次进行优化（Optimization），并Update后，Merit Function Editor中各项如下：

而LDE中各参数改变如下：

Layout、Spt及Ray图如下：

可以发现透镜厚度大大减小，成像质量大大改善。

从Spt图中也可看出单透镜不能校正球差。

G、 是否还能进一步优化：

·在Merit Function Editor中第一行插入新的一行，在其Type栏输入SPHA（球差），并在其Weight栏（权重）输入1。在LDE中将第三面的Thickness改为variable。如下图所示：

·再次优化Optimization，得到如下结果：

其Spt、Lay及Ray图如下：

其中，RMS radius由135.3→98.3。SPHA由2.1→1.1。

从中可再次得出单透镜不能校正球差，且优化特定的像差结果并不理想。

三、 实验结果及分析

单透镜和透镜设计时优化前和优化后各种光学参数有明显的差距，使得所设计的透镜的球差，波相差，离焦等光学参数明显减小，比较符合设计意图，虽然一部分软件原理并不是十分清楚（只是按照规定步骤进行的），但是还是在一定程度上了解和掌握了光学设计软件Zemax的使用方法和主要功能，已基本达到的实验目的。

设计所得透镜各参数如下：