基于Zemax系列模式的單透鏡設計報告

2023年12月30日發(作者：黑豆粉的功效與作用)

（封面）

XXXXXXX學院

基于Zemax系列模式的單透鏡設計報告

題 目：

院（系）：

專業班級：

學生姓名：

指導老師：

時 間： 年 月 日

一、 實驗目的

在于像差概念的基礎上，了解ZEMAX在光學設計中的使用方法和技巧，通過使用ZEMAX軟件設計單透鏡來了解一般光學設計的知識和流程，幫助同學們學習建模方法，光束大小，視場，波長，變量，評價函數的設置方法，優化方法，像分析方法等。

二、 實驗內容

1.

設計目標：

設計規格參數：

EPD（入瞳直徑）：40mm；

F/#：10；

FFOV（全視場）：10度；

Wavelength（波長）：0.532um；

Material（材料）：BK7；

Best RMS Spot Radius

2. 設計步驟：

a)

b)

打開zemax軟件，調用LDE。

透鏡光學特性與初始結構參數輸入

A、 光學特征參數輸入

·用General對話框定義孔徑

EPD為40mm

·用field data對話框定義視場

視場的設置：FFOV（全視場）：10度。（即視場角為5度）

·用wavelength 對話框定義工作波長

B、 在LDE中輸入初始結構參數

·STO面的材料為BK7（直接輸入）

在STO面后加入第二面，設置F/#:10，又入瞳直徑為40，因此第二面的thickness設置為400，并將其solve

type設置為Marginal Ray Height。

至此參數輸入基本完畢。

C、 變量設定

·將第一面即STO的radius和thickness設置為variable。

D、 評價函數的設定

·默認評價函數設定

打開Editors菜單中的Merit Function，進入后打開Tools中的Default Merit Function，設置如下圖。

點擊OK，Merit Function Editor出現如下：

E、 優化

·打開主菜單中Tools，點擊Optimization，點擊Automatic，如下圖所示：

可看到初始MF為0.206，優化后MF為0.065。（MF為系統評價函數值）

·優化后單透鏡結構參數如下：

Layout如下：

點列圖及橫向像差（Spt及Ray）：

·優化結果：MF=0.065

存在問題：由結構圖可以看出，透鏡厚度太厚，不實用，因此需要增加厚底限制條件。

由LDE中可看出，單透鏡中的可變參數：兩個透鏡的曲率半徑Radius，兩個厚度Thickness及光闌位置。

而現在的可變參數：前曲率半徑及透鏡厚度。

因此，有如下改善方法：離焦、光闌位置改變等。

F、 進一步優化

·在LDE中，于STO面前加入另一面，并將該面設置為STO,而原STO變為第二面，原第二面變為第三面。并將新的STO面的Thickness設置為variable。如下圖：

·再次進入Merit Function并打開Default Merit Function，設置如下：

·再次進行優化（Optimization），并Update后，Merit Function Editor中各項如下：

而LDE中各參數改變如下：

Layout、Spt及Ray圖如下：

可以發現透鏡厚度大大減小，成像質量大大改善。

從Spt圖中也可看出單透鏡不能校正球差。

G、 是否還能進一步優化：

·在Merit Function Editor中第一行插入新的一行，在其Type欄輸入SPHA（球差），并在其Weight欄（權重）輸入1。在LDE中將第三面的Thickness改為variable。如下圖所示：

·再次優化Optimization，得到如下結果：

其Spt、Lay及Ray圖如下：

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

從中可再次得出單透鏡不能校正球差，且優化特定的像差結果并不理想。

三、 實驗結果及分析

單透鏡和透鏡設計時優化前和優化后各種光學參數有明顯的差距，使得所設計的透鏡的球差，波相差，離焦等光學參數明顯減小，比較符合設計意圖，雖然一部分軟件原理并不是十分清楚（只是按照規定步驟進行的），但是還是在一定程度上了解和掌握了光學設計軟件Zemax的使用方法和主要功能，已基本達到的實驗目的。

設計所得透鏡各參數如下：