利用ZEMAX進行單透鏡設計

2023年12月30日發(fā)(作者：經(jīng)營宗旨)

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綜合設計性實驗報告

項 目 名 稱： 利用ZEMAX設計單透鏡并優(yōu)化

所 屬 課 程： 工程光學

設 計 日 期： 2020.06.29---2020.07.05

班 級：

學 號：

姓 名：

成 績：

電氣與控制工程學院

一、實驗目的及要求

實驗目的

1、通過實驗使學生掌握光學系統(tǒng)的工作原理；

2、掌握光學系統(tǒng)設計的方法；

3、掌握光路計算和光線追跡的原理；

4、培養(yǎng)和提高學生光學設計和分析的能力；

5、通過該課程的學習擴大學生知識面，為今后的研究和技術工作。

設計要求

1、掌握成像物鏡的工作原理；

2、熟悉ZEMAX軟件設計界面，能夠熟練運用ZEMAX軟件進行設計優(yōu)化；

3、設計物鏡滿足要求：

單透鏡；

EPD：20mm；

F/#：10

FFOV：10 degree

Wavelength：0.587μm

Material：BK7

Best RMS Spot Radius

實驗原理

1、透鏡的成像原理：

透鏡分為凹透鏡和凸透鏡，主要都是玻璃或鉛玻璃制造（鉛波璃折射率大）利用光線斜射在透明物體表面,利用兩種透明物體的折射率的不同,使光線產(chǎn)生折射,從而能夠成不同的像。

2、光學設計實驗基本步驟：

1)輸入初始參數(shù)。

2)創(chuàng)建初始結構、生成視圖分析成像質量，在進行優(yōu)化。

3)優(yōu)化：

①優(yōu)化評價函數(shù)、

②調用點列圖、3D視圖及視場、場曲、畸變圖觀察成像 質量并優(yōu)化。

③觀察優(yōu)化結果，判斷是否達到優(yōu)化標準。

4)得出結論。

5)完成設計報告。

3、根據(jù)公式以及將曲率半徑設置為變量、厚度設置為邊緣光線高度求解類型進行自動計算。

4、優(yōu)化原理：

1)評價函數(shù)優(yōu)化：直接調用系統(tǒng)默認的評價函數(shù)加入限制條件設置變量。優(yōu)化結果中評價函數(shù)值越小越好。

2)對透鏡厚度進行優(yōu)化：在評價函數(shù)中將玻璃厚度邊界值進行設置最小為2mm，最大為10mm，邊緣為2mm，再進行優(yōu)化。

3)對光斑大小進行優(yōu)化：將第二面的厚度由邊緣光線高度求解類型設置為變量，改變了像面位置只能在近軸焦平面的限制。

4)對像散和場曲進行優(yōu)化：像散和場曲與視場有關，要減小像散和場曲，可以通過改變視場來改變外視場像差，由于視場角不能變，所以只能改變光闌面的位置。在原結構的基礎上插入一個面設置為光闌面，并將該面的厚度設置為變量。

5)優(yōu)化結束后還存在一定的畸變，但0.4%的畸變對人眼的觀察沒有影響，所以認為達到了優(yōu)化標準。

實驗環(huán)境（使用的軟件）

工具：計算機

軟件：ZEMAX

二、實驗內容

實驗方案設計：

1、實驗名稱：利用ZEMAX軟件設計單透鏡并優(yōu)化。

2、實驗目的：通過實驗掌握光學系統(tǒng)工作原理、設計方法。

3、實驗步驟：

1）根據(jù)實驗要求輸入初始參數(shù)。包括入瞳直徑、視場、波長。

2）構建透鏡初始結構。將光闌面的曲率半徑和厚度設置為變量，玻璃材料選為BK7。插入一個第二面，曲率半徑設置為F數(shù)，值為10，厚度設置為邊緣光線高度求解類型。

3）優(yōu)化。第一次優(yōu)化為設置評價函數(shù)，將默認的半波改設置為光斑半徑，優(yōu)化并查看結果。第二次優(yōu)化是優(yōu)化透鏡厚度，將評價函

數(shù)設置選為玻璃并設置數(shù)據(jù)。第三次優(yōu)化是對光斑大小進行優(yōu)化，將第二面的厚度由邊緣光線高度求解類型改為變量。第四次優(yōu)化是對成像光斑形狀進行優(yōu)化，插入一個面設置為光闌面，并將厚度設置為變量。每次優(yōu)化后記錄結果并分析。

4）總結，完成實驗報告。

實驗過程

1.輸入鏡頭參數(shù)

1）設置入瞳直徑：

2）設置視場：

3）設置波長：

2、創(chuàng)建初始結構

光闌面設置曲率半徑和厚度設置為變量，玻璃材質為BK7。插入第二表面的厚度設置為邊緣光線高度求解類型，曲率半徑設置為F數(shù)值為10。

初始結構數(shù)據(jù)：

3、第一次優(yōu)化并查看結果

優(yōu)化評價函數(shù)：在優(yōu)化函數(shù)出選擇光斑半徑。

優(yōu)化前的評價函數(shù)參數(shù);

第一次優(yōu)化結果：

優(yōu)化參數(shù)：

三維布局圖：

點列圖：

四、第二次優(yōu)化并查看結果

根據(jù)對第一次優(yōu)化結果三位布局圖的分析，可以得出透鏡厚度過大，要對透鏡厚度進行優(yōu)化。選擇優(yōu)化評價函數(shù)，在厚度邊界值處，選擇玻璃，將最小值設為2，最大值設為10，邊緣值設為2。再進行優(yōu)化，查看結果進行分析。

優(yōu)化前的參數(shù)：

第二次優(yōu)化結果：

優(yōu)化參數(shù)：

第二次優(yōu)化三維布局圖：

點列圖：

視場場曲、畸變圖：

優(yōu)化結果分析：對比第一次優(yōu)化與第二次優(yōu)化的三維布局圖能明顯觀察到，透鏡厚度變薄，達到優(yōu)化標準，優(yōu)化完成。但是根據(jù)對兩次優(yōu)化的點列圖的數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)光斑的尺寸變大了，理想結果光斑的尺寸應該變小。

原因：在初始結構設置時，使用的是邊緣光線高度求解類型，這限制了像面位置只能在近軸焦平面，極大的限制了光斑的優(yōu)化。

5、第三次優(yōu)化并查看結果

將第二表面的的厚度由邊緣光線高度求解類型設置為變量，對成像位置進行優(yōu)化。

變量設置如圖：

第三次優(yōu)化結果：

優(yōu)化參數(shù)：

點列圖：

視場場曲、畸變圖：

優(yōu)化結果分析：對比第二次優(yōu)化與第三次優(yōu)化的點列圖數(shù)據(jù)，觀察到光斑的尺寸變小，達到優(yōu)化標準，優(yōu)化完成。但是同時發(fā)現(xiàn)點列圖光斑形狀變化很大。存在像散和場曲。

6、第四次優(yōu)化并查看優(yōu)化結果

形狀變化很大，存在像散和場曲，通過改變視場來改變外視場得像差，可以改變光闌得位置來改變不同視場得光線與透鏡得高度。對像差進行優(yōu)化，改變成像質量。再透鏡前插入一個光闌面，將這個表面的厚度設置為變量。

優(yōu)化參數(shù)設置：

優(yōu)化結果：

點列圖：

視場場曲、畸變圖：

優(yōu)化參數(shù)：

優(yōu)化結果分析：對比第三次與第四次優(yōu)化的點列圖與視場場曲、畸變圖，觀察得出光斑形狀優(yōu)化達到標準，優(yōu)化完成。

7、輸出最后結果：

三維布局圖：

優(yōu)化參數(shù)：

三、結論：

通過設置參數(shù)，構建初始結構,分析成像質量，對成像質量進行優(yōu)化。對評價函數(shù)優(yōu)化使得得到初始結構圖和優(yōu)化數(shù)據(jù)，設置評價函數(shù)對透鏡厚度進行優(yōu)化，使透鏡厚度結果達到優(yōu)化標準。通過設置變量進行優(yōu)化，使得光斑大小達到優(yōu)化標準。通過插入光闌面，對場曲和像散進行優(yōu)化，使得成像形狀達到優(yōu)化標準。輸出最后結果達到優(yōu)化目的和標準。

小結

通過一周對工程光學實驗設計的學習，并在老師上課視頻的教學下，快速對ZEMAX軟件熟悉使用，進行實驗操作，完成了實驗設計。了解了通過對不同變量和評價函數(shù)的設置進行對光斑大小，光斑形狀，像散、場曲、和畸變的優(yōu)化使得結果達到目的和優(yōu)化標準。實驗過程中也還存在對軟件部分功能的不了解和對部分實驗原理的不清晰。還要繼續(xù)學習，更好的完成相應的課程設計。

四、指導教師評語及成績

學生對實驗以下幾個方面綜合評定：

實驗目的及要求： 明確【 】 不明確【 】

實驗涉及基本原理： 完整【 】 不完整【 】

實驗方案：

總體思路： 嚴謹【 】 存在紕漏 【 】

方案內容： 條理清晰正確 【 】

條理一般，論述基本正確【 】

條理混論，存在抄襲 【 】

實驗操作： 熟練【 】 基本熟練【 】 不熟練【 】

正確【 】 基本正確【 】 不正確【 】

還存在其他問題：

成績： 指導教師簽字（蓋章）：

批閱日期：2020年 月 日