光学设计实例-双胶合透镜、非球面单透镜、激光扩束镜

光学设计zemax经典例题
1.单镜片
设计要求：设计一个F/4单镜片，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特(Schott) BK7或国产K9玻璃来作。

像差要求：波像差小于100中心波长。

2.双胶合透镜
设计要求：设计一个F/4双胶合透镜，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特BK7/ F2或国产K9/F4玻璃组合来实现。

像差要求：对C\D\F三种色光波像差均小于5个波长，焦点弥散斑小于10微米。

3.5X激光扩束镜
设计要求：分别设计两个用于He-Ne(632.8nm)和固体激光器（532nm）的激光扩束镜，扩束倍率5X，入瞳直径3mm，出瞳直径15mm，用同一牌号玻璃完成，镜片尽可能的少，系统总长度小于100mm，入射和出射均为准直平行光。

4.50mm标准镜头
可参照Cooke的三片结构，设计一个F/5焦距50mm的标准镜头，应用于可见光波段。

成像要求：在视场30°内的3种色光的波像差均小于2个波长，MFT大于0.3/30lp,畸变小于1%.
5.放大镜头
可参考双高斯结构（也可选用其他结构），设计一个用于光电检测的放大镜头，物像共扼距140mm，像面CCD尺寸（1024x1024，单个像素为12 m×12 m）,被检测物面为平面矩形（3mm×3mm），使用波长532nm。

成像要求：全视场内MFT大于0.5/40lp, 波像差小于2个波长，畸变小于0.5%.。

实验二：双胶合透镜系统
一．实验目的
掌握胶合透镜的设计方法、原理、过程及透镜系统的优化处理方法；
二．透镜系统的结构性能要求
1）相对孔径为1/4（F/#为4），焦距为100mm；
2）视场角为0︒；
3）玻璃材料分别为BK7，SF1；
4）相对波长为可见光波长；
5)厚度为3mm；
三．实验步骤
一个双透镜采用两片玻璃胶合，曲率半径大小相同。

通过使用两片具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被矫正。

这样会产生较好的像质。

1．系统参数的设置：F/#为4；
视场角为0︒；
工作波长可见光波长；
2．结构参数的设置：第一个面焦距为100mm，厚度为3mm，玻璃材料为BK7；
STO面焦距为-100mm，厚度为3mm，玻璃材料为SF1；
如下图所示：
四．透镜优化过程
1.将曲率半径设为变量，厚度也设为变量，权重为1，创建评价函数包括EFFL 操作数，如下图所示：
2.将厚度也设为变量，glass min为2，max,6，edge为1；air min为0.2，max 为100，edge为0.2；如下图所示：
3.单击菜单栏Tools一最佳化Optimization，如下图所示：
五．双胶合透镜系统分析
1.对于点列图，优化后的系统点列图的弥散斑明显减小了很多，如下图所示：
2.对于wavefront Map图，像差从65.46减小到0.3034。

所以双胶合透镜能够校正了像差，如下图所示：
3.对于多色光焦点漂移图，如下图所示现在已经减小了色差的线性项，，二阶色差占了优势，因此如抛物线形状所示请注意多色光焦点漂移量减少为74um单透镜为1540um），如下图所示：。

应用光学谭峭峰tanqf@清华大学精密仪器系光电工程研究所Zemax光学设计商用光学软件：Zemax, Oslo, Code V (成像)TracePro, ASAP, LightTools(照明)FRED, Virtual Lab等Zemax是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。

Zemax不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。

可仿真Sequential 和Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。

Zemax的界面设计得比较容易被使用，稍加练习就能很快地进行交互设计。

大部分Zemax的功能都用选择弹出或下拉式菜单来实现。

抛物面镜1抛物面镜2棱镜中阶梯光栅二维色散像面入射孔高分辨率中阶梯交叉色散光路Zemax不能教你如何去进行镜头或光学系统的设计。

Zemax程序在进行光学系统的设计和分析的时候，可以做许多事情，但是设计者仍然是你。

Zemax不能完全代替工程实践。

在一个设计完成之前，必须对软件所得的计算结果进行检查，以判断结果是否合理。

设计实例一：单透镜设计参数要求：F/#＝4，f′=100mm，可见光，材料：BK7确定单位确定口径确定波长确定视场镜头数据编辑初始界面初步设计，注意符号规则全面反映细光束和宽光束的成像质量。

以光线在理想像面的交点和主光线在理想像面上交点间的距离，可以看出理想像面上像的最大弥散范围。

像面到光线与光轴交点之间的距离，仅用于旋转对称系统。

由于像差很大，传函计算结果不可信。

优化设置变量设置评价函数设计实例二：双胶合透镜设计参数要求：F/#＝4，f′=100mm，可见光，材料：BK7和SF1优化策略建议在设计的初期，优化时不需要追迹所有的视场和波长以节省计算时间。

使用视场点平衡（选择合适的视场点数目，划分为等面积的圆环，小视场：0和1；中视场：0、0.7和1；大视场：0，0.577，0.816和1）。

华中科技大学《光学设计实验》实践报告院系光学与电子信息学院专业班级光电卓越工程师1101班学生姓名熊乔洲（U201114964）毛振宇（U201117800）实践成绩指导老师时间 2013/4/10一、激光扩束镜设计一、设计要求：设计一个激光扩束镜，扩束倍数为三倍，入射孔径为3mm，斜入射角1°，同时要求几何尺寸合适。

二、设计思路：１．确定第一面透镜由于激光能量较高，所以光线追迹时，尽量使光束不在镜筒中汇聚，如果采用两面透镜来完成设计，就要保证第一面透镜为凹凸镜，先将光线发散，第二面为凸透镜再将光线汇聚，平行光出射。

２.确定第二面透镜：在第一面透镜后放置凸透镜才能满足对无限远处对焦的要求。

３．几何参数的确定：由于要求几何尺寸合适，不妨将总尺寸设为160mm，由应用光学知识可以计算，则第一面透镜的焦距应该取-80mm，第二面透镜焦距取为240mm，筒长为160mm（也就是两透镜的几何距离）。

4.做到了平行光出射，并扩束三倍的要求后，下一步需要做的便是减少像差，这个里面可以调整的有透镜的材质，在几何尺寸允许的条件下还可以再对相对距离等参数做出微调，以求能调出像差较小的设计。

同时为增加可调自由度，还可以考虑再增加一面或者两面透镜，来达到消像差的目的。

三、设计过程（1）第一面透镜在设计第一面透镜时，先大致利用应用光学知识进行计算，估算透镜两个面的曲率半径，这里，大约可以取R1=-50mm，R2=200，材质使用BK7玻璃。

这时，可以先看看这一面透镜的相关参数，探究下像差与单面透镜的一些参数的关系，这里，发现，当透镜的曲率半径取得越大时，透镜显示的球差和慧差越大，所以，在实验和实际工程中，建议使用曲率合适的透镜。

同样，根据设计思路，这时需要解决的另一个问题便是确定第一面透镜的焦距，这里可以使用SYNOPSYS软件中的edit solves 功能来确定其焦距，最后，经过调试，选择的是R1=-55，R2=150，选用BK7玻璃。

ZEMAX 初学实例解析内容纲目:前言实例一：单镜片(Singlet)实例二：双镜片实例三：牛顿望远镜实例四：Schmidt-Cassegrain 和aspheric corrector实例五：multi-configuration laser beam expander实例六：fold mirrors 和coordinate breaks实例七：使用Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces实例一：单镜片(Singlet)你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lens data ，产生ray fan，OPD，spot diagrams，.. 定义thickness solve 以及variables，执行简单光学设计最佳化。

设想你要设计一个F/4 单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7 镜片来作。

首先叫出ZEMAX 的lens data editor(LDE) ，什么是LDE 呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness ，大小，位置……等。

然后选取你要的光，在主选单system 下，圈出wavelengths ，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。

现在在第一列键入0.486，以microns 为单位，此为氢原子的F-line 光谱。

在第二、三列键入0.587 及0.656，然后在primary wavelength 上点在0.486 的位置，primary wavelength 主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics) 下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes 等。

再来我们要决定透镜的孔径有多大。

ZEMAX单透镜设计例⼦详细（多图）ZEMAX单透镜设计例⼦，单透镜是最简单的透镜系统了，这个例⼦基本是很多ZEMAX教程开头都会讲的。

1-1 单透镜这个例⼦是学习如何在ZEMAX⾥键⼊资料，包括设罝系统孔径(System Aperture)、透镜单位(Lens Units)、以及波长范围(Wavelength Range)，并且进⾏优化。

你也将使⽤到光线扇形图(Ray Fan Plots)、弥散斑(Spot Diagrams)以及其它的分析⼯具来评估系统性能。

这例⼦是⼀个焦距100 mm、F/4的单透镜镜头，材料为BK7，并且使⽤轴上(On-Axis)的可见光进⾏分析。

⾸先在运⾏系统中开启ZEMAX，默认的编辑视窗为透镜资料编辑器(Lens Data Editor, LDE)，在LDE可键⼊⼤多数的透镜参数，这些设罝的参数包括：表⾯类型(Surf：Type)如标准球⾯、⾮球⾯、衍射光栅…等曲率半径(Radius of Curvature)表⾯厚度(Thickness)：与下⼀个表⾯之间的距离材料类型(Glass)如玻璃、空⽓、塑胶…等：与下⼀个表⾯之间的材料表⾯半⾼(Semi-Diameter)：决定透镜表⾯的尺⼨⼤⼩上⾯⼏项是较常使⽤的参数，⽽在LDE后⾯的参数将搭配特殊的表⾯类型有不同的参数涵义。

1-2 设罝系统孔径⾸先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的「GEN」按钮⾥（System->General）。

点击「GEN」或透过菜单的System->General 来开启General的对话框。

点击孔径标签(Aperture Tab)（默认即为孔径页）。

因为我们要建⽴⼀个焦距100 mm、F/4的单透镜。

所以需要直径为25 mm 的⼊瞳(Entrance Pupil)，因此设罝：Aperture Type：Entrance Pupil DiameterAperture Value：25 mm点击单位标签(Units Tab)，并确认透镜单位为Millimeters。

光学系统双胶合透镜的替代设计法一、介绍光学系统中的透镜是一种非常重要的光学元件，其作用是将光线聚焦或分散。

在某些情况下，需要使用双胶合透镜来实现更高的光学性能。

然而，双胶合透镜的制造过程比较复杂，且成本较高。

因此，需要寻找替代设计法来降低成本并提高制造效率。

二、双胶合透镜的制造过程1. 制备两个单片透镜2. 在两个单片透镜表面涂上胶水3. 将两个单片透镜贴合在一起4. 将贴合好的双胶合透镜进行加热和压缩5. 最后进行打磨和抛光处理三、双胶合透镜的优点和缺点1. 优点：（1）具有更高的折射率差，可以实现更强的聚焦或分散效果；（2）具有更高的光学性能稳定性；（3）可以减少色差和畸变。

2. 缺点：（1）制造过程复杂，成本较高；（2）容易出现气泡等质量问题；（3）对于大尺寸的透镜，制造难度更大。

四、替代设计法1. 单片透镜替代单片透镜是一种更为简单的光学元件，其制造成本和难度都比双胶合透镜低。

如果在光学系统中使用多个单片透镜来代替双胶合透镜，可以实现类似的光学性能，并且降低成本和制造难度。

2. 多层薄膜替代多层薄膜是一种在透明基底上沉积多层不同材料的光学薄膜，可以实现类似于双胶合透镜的光学性能。

与双胶合透镜相比，多层薄膜具有更高的折射率差、更少的色差和畸变，并且可以用于制造大面积的光学元件。

3. 混合设计法混合设计法是将单片透镜和多层薄膜结合起来使用。

例如，在一个光学系统中，可以使用单片透镜作为主要聚焦或分散元件，并在其表面沉积多层薄膜来增强其光学性能。

五、总结双胶合透镜是一种重要的光学元件，但其制造过程复杂，成本较高。

通过使用单片透镜、多层薄膜或混合设计法等替代设计法，可以实现类似的光学性能，并且降低成本和制造难度。

在实际应用中，需要根据具体情况选择最适合的替代设计法。

各专业全套优秀毕业设计图纸《光电系统》课程设计报告姓名：唐晋川班级：0211102学号：2011210818一、设计题目——双胶合透镜优化设计双胶合透镜优化设计双胶合透镜是一种常用的望远物镜，它结构简单、光能损失小，合理选择玻璃和弯曲能校正球差，慧差、色差和像差，但不能消除象散、场曲与畸变。

根据上述原理使用OSLO软件进行双胶合透镜的设计并对其中一种特性进行优化设计，使得双胶合透镜的参数比较理想。

二、设计原理双胶合透镜优化设计：双胶合透镜是一种常用的望远物镜，它结构简单、光能损失小，合理选择玻璃和弯曲能校正球差，慧差、色差和像差，但不能消除象散、场曲与畸变。

优化是光学系统设计过程中最重要的一步，一般来说初始结构的像质并不是很理想的，只有经过优化才能使光学系统的性能达到我们需要的状态。

通过初始设计的双胶合透镜像差不符合要求，所以要对其进行优化。

优化之前要进行两个必要的步骤：要确定优化变量和选用评价函数。

理论上讲，透镜组的全部结构参数都可以作为优化变量参与优化，光学系统中影响像质的因素是曲率半径r，折射率n和厚度d。

三、实验日志：1、使用oslo软件对双胶合透镜进行设计。

2、使用oslo软件对双胶合透镜进行优化设计。

四、实验步骤双胶合透镜设计并优化（1）双胶合透镜设计○1新建镜头文件○2输入透镜光学特性参数○3输入镜面数据○4保存透镜数据（2）双胶合透镜优化○1打开透镜文件并另存○2设置优化变量○3设置误差函数○4进行优化五、实验结果与分析双胶合透镜优化设计我对双胶合透镜所进行的优化是从透镜的像差着手进行的，从后面的数据中我们可以看出通过改变透镜的曲率半径、光圈大小和透镜的厚度都可以明显改善透镜的像差，从而提高透镜的成像质量。

综合考虑，我进行了三次优化，分别通过优化曲率半径、优化光圈大小和优化透镜的厚度来达到设计的目的。

双胶合透镜的原始最小RMS值为4.252773，像差值为-0.031841。

经过优化曲率半径后的最小RMS值为2.506337，像差值为-0.018681，经过优化透镜的厚度的最小RMS 值为1.8，像差值为-0.17142，最后经过优化光圈大小得出了经过三次优化的透镜的最小RMS值为1.639445，像差值为-0.014059，显然我们得出了很好的效果使得仿真比较成功。

激光扩束镜原理范文激光扩束镜是一种光学元件，用于控制激光束的大小和形状。

它可以将激光束从一个小的焦点扩展到一个更大的区域，或将激光束从一个不均匀的形状转换成一个更均匀的形状。

激光扩束镜在激光加工、激光切割、激光打印和激光显示等领域有着广泛的应用。

激光扩束镜的工作原理依赖于几何光学的基本原理。

其基本结构由一个厚度较薄的透镜和一个大口径的平透镜组成。

激光束首先经过透镜，透镜根据其曲率和折射率的不同将不同波长的光聚焦到焦点上。

然后，激光束通过平透镜，在平透镜的帮助下，将激光束从一个小的焦点扩展成一个更大的区域。

为了解释激光扩束镜的原理，我们可以通过以下实例来说明。

假设我们有一个具有小直径和高能量密度的激光束，我们希望将其转换成一个具有大直径和低能量密度的激光束。

我们可以使用激光扩束镜来完成这个任务。

首先，我们通过透镜将小直径的激光束聚焦到一个小焦点上。

然后，我们将聚焦后的激光束传递到平透镜的面上。

由于平透镜的特性，它将同样的能量均匀地分布到一个更大的区域上，形成一个大直径的激光束。

通过调整透镜和平透镜之间的距离，我们可以改变扩束效果，得到不同直径和形状的激光束。

此外，激光扩束镜也可以通过改变透镜和平透镜的曲率来实现不同的扩束效果。

通过选择合适的曲率，可以获得更均匀、更平坦的激光束形状。

扩束镜还可以通过使用多个透镜和平透镜的组合来实现更复杂的扩束效果，例如椭圆形或矩形形状的激光束。

总结起来，激光扩束镜利用几何光学的原理，通过聚焦和扩大激光束来控制激光束的大小和形状。

通过调整透镜和平透镜的参数和距离，可以实现不同直径和形状的激光束。

激光扩束镜在现代激光技术中有着广泛的应用，对于激光加工和激光显示等领域的发展具有重要的意义。