利用ZEMAX进行单透镜设计

2023年12月30日发(作者：经营宗旨)

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综合设计性实验报告

项 目 名 称： 利用ZEMAX设计单透镜并优化

所 属 课 程： 工程光学

设 计 日 期： 2020.06.29---2020.07.05

班 级：

学 号：

姓 名：

成 绩：

电气与控制工程学院

一、实验目的及要求

实验目的

1、通过实验使学生掌握光学系统的工作原理；

2、掌握光学系统设计的方法；

3、掌握光路计算和光线追迹的原理；

4、培养和提高学生光学设计和分析的能力；

5、通过该课程的学习扩大学生知识面，为今后的研究和技术工作。

设计要求

1、掌握成像物镜的工作原理；

2、熟悉ZEMAX软件设计界面，能够熟练运用ZEMAX软件进行设计优化；

3、设计物镜满足要求：

单透镜；

EPD：20mm；

F/#：10

FFOV：10 degree

Wavelength：0.587μm

Material：BK7

Best RMS Spot Radius

实验原理

1、透镜的成像原理：

透镜分为凹透镜和凸透镜，主要都是玻璃或铅玻璃制造（铅波璃折射率大）利用光线斜射在透明物体表面,利用两种透明物体的折射率的不同,使光线产生折射,从而能够成不同的像。

2、光学设计实验基本步骤：

1)输入初始参数。

2)创建初始结构、生成视图分析成像质量，在进行优化。

3)优化：

①优化评价函数、

②调用点列图、3D视图及视场、场曲、畸变图观察成像 质量并优化。

③观察优化结果，判断是否达到优化标准。

4)得出结论。

5)完成设计报告。

3、根据公式以及将曲率半径设置为变量、厚度设置为边缘光线高度求解类型进行自动计算。

4、优化原理：

1)评价函数优化：直接调用系统默认的评价函数加入限制条件设置变量。优化结果中评价函数值越小越好。

2)对透镜厚度进行优化：在评价函数中将玻璃厚度边界值进行设置最小为2mm，最大为10mm，边缘为2mm，再进行优化。

3)对光斑大小进行优化：将第二面的厚度由边缘光线高度求解类型设置为变量，改变了像面位置只能在近轴焦平面的限制。

4)对像散和场曲进行优化：像散和场曲与视场有关，要减小像散和场曲，可以通过改变视场来改变外视场像差，由于视场角不能变，所以只能改变光阑面的位置。在原结构的基础上插入一个面设置为光阑面，并将该面的厚度设置为变量。

5)优化结束后还存在一定的畸变，但0.4%的畸变对人眼的观察没有影响，所以认为达到了优化标准。

实验环境（使用的软件）

工具：计算机

软件：ZEMAX

二、实验内容

实验方案设计：

1、实验名称：利用ZEMAX软件设计单透镜并优化。

2、实验目的：通过实验掌握光学系统工作原理、设计方法。

3、实验步骤：

1）根据实验要求输入初始参数。包括入瞳直径、视场、波长。

2）构建透镜初始结构。将光阑面的曲率半径和厚度设置为变量，玻璃材料选为BK7。插入一个第二面，曲率半径设置为F数，值为10，厚度设置为边缘光线高度求解类型。

3）优化。第一次优化为设置评价函数，将默认的半波改设置为光斑半径，优化并查看结果。第二次优化是优化透镜厚度，将评价函

数设置选为玻璃并设置数据。第三次优化是对光斑大小进行优化，将第二面的厚度由边缘光线高度求解类型改为变量。第四次优化是对成像光斑形状进行优化，插入一个面设置为光阑面，并将厚度设置为变量。每次优化后记录结果并分析。

4）总结，完成实验报告。

实验过程

1.输入镜头参数

1）设置入瞳直径：

2）设置视场：

3）设置波长：

2、创建初始结构

光阑面设置曲率半径和厚度设置为变量，玻璃材质为BK7。插入第二表面的厚度设置为边缘光线高度求解类型，曲率半径设置为F数值为10。

初始结构数据：

3、第一次优化并查看结果

优化评价函数：在优化函数出选择光斑半径。

优化前的评价函数参数;

第一次优化结果：

优化参数：

三维布局图：

点列图：

四、第二次优化并查看结果

根据对第一次优化结果三位布局图的分析，可以得出透镜厚度过大，要对透镜厚度进行优化。选择优化评价函数，在厚度边界值处，选择玻璃，将最小值设为2，最大值设为10，边缘值设为2。再进行优化，查看结果进行分析。

优化前的参数：

第二次优化结果：

优化参数：

第二次优化三维布局图：

点列图：

视场场曲、畸变图：

优化结果分析：对比第一次优化与第二次优化的三维布局图能明显观察到，透镜厚度变薄，达到优化标准，优化完成。但是根据对两次优化的点列图的数据的对比，发现光斑的尺寸变大了，理想结果光斑的尺寸应该变小。

原因：在初始结构设置时，使用的是边缘光线高度求解类型，这限制了像面位置只能在近轴焦平面，极大的限制了光斑的优化。

5、第三次优化并查看结果

将第二表面的的厚度由边缘光线高度求解类型设置为变量，对成像位置进行优化。

变量设置如图：

第三次优化结果：

优化参数：

点列图：

视场场曲、畸变图：

优化结果分析：对比第二次优化与第三次优化的点列图数据，观察到光斑的尺寸变小，达到优化标准，优化完成。但是同时发现点列图光斑形状变化很大。存在像散和场曲。

6、第四次优化并查看优化结果

形状变化很大，存在像散和场曲，通过改变视场来改变外视场得像差，可以改变光阑得位置来改变不同视场得光线与透镜得高度。对像差进行优化，改变成像质量。再透镜前插入一个光阑面，将这个表面的厚度设置为变量。

优化参数设置：

优化结果：

点列图：

视场场曲、畸变图：

优化参数：

优化结果分析：对比第三次与第四次优化的点列图与视场场曲、畸变图，观察得出光斑形状优化达到标准，优化完成。

7、输出最后结果：

三维布局图：

优化参数：

三、结论：

通过设置参数，构建初始结构,分析成像质量，对成像质量进行优化。对评价函数优化使得得到初始结构图和优化数据，设置评价函数对透镜厚度进行优化，使透镜厚度结果达到优化标准。通过设置变量进行优化，使得光斑大小达到优化标准。通过插入光阑面，对场曲和像散进行优化，使得成像形状达到优化标准。输出最后结果达到优化目的和标准。

小结

通过一周对工程光学实验设计的学习，并在老师上课视频的教学下，快速对ZEMAX软件熟悉使用，进行实验操作，完成了实验设计。了解了通过对不同变量和评价函数的设置进行对光斑大小，光斑形状，像散、场曲、和畸变的优化使得结果达到目的和优化标准。实验过程中也还存在对软件部分功能的不了解和对部分实验原理的不清晰。还要继续学习，更好的完成相应的课程设计。

四、指导教师评语及成绩

学生对实验以下几个方面综合评定：

实验目的及要求： 明确【 】 不明确【 】

实验涉及基本原理： 完整【 】 不完整【 】

实验方案：

总体思路： 严谨【 】 存在纰漏 【 】

方案内容： 条理清晰正确 【 】

条理一般，论述基本正确【 】

条理混论，存在抄袭 【 】

实验操作： 熟练【 】 基本熟练【 】 不熟练【 】

正确【 】 基本正确【 】 不正确【 】

还存在其他问题：

成绩： 指导教师签字（盖章）：

批阅日期：2020年 月 日