ZEMAX光学设计软件应用训练实验报告讲解

Zemax实验指导实验十一学系统设计软件Zemax应用——单透镜设计设计性实验一、实验目的掌握zemax光学设计软件的使用，能进行光学器件的设计和仿真，理解各种光学设计的根本分析原理，了解像差的根本概念、意义。

二、实验内容设计一个校正球差的消色差双胶合镜，作为望远镜物镜。

R=10 cm，c1=0.002957 cm-1，c2=-0.020224 cm-1， c3=-0.00771 cm-1。

厚度t1=1.9 cm，t2=1.3 cm。

玻璃选择：第一透镜选BaK1 〔1.5725、57.55〕，第一透镜选BaSF2 〔1.66446、35.83〕。

如下图。

三、实验仪器计算机、自由空间光学系统设计软件Zemax。

四、实验原理几何光学设计主要采用光线追迹法〔Ray tracing〕来分析光线在光学系统中的传输路径。

通过光线追迹法可以确定系统的一些根本参数，如焦距、光阑，入射光瞳、出射光瞳、入射窗、出射窗等。

通过光线追迹法还可以分析系统像差。

五、实验步骤步骤一：创立设计建立新文件，并保存。

步骤二：系统参数设置1 将单位设置为毫米，将入射光瞳半径设置为100毫米。

方法：System-General。

如下列图。

2 对计算视场进行设计，设置了两个视场，本系统中视场的影响不大，因为物处于无穷远。

方法：System-Fields。

如下列图。

步骤三：面输入输入三个面，如下图。

插入光学面的方法为：Edit-Insert Surface或Edit-Insert After。

编辑好透镜数据之后可以查看透镜的光学结构，方法为：Analysis-Layout-2D Layout。

步骤四：系统参数计算计算系统数据的方法：Report-System Data。

结果一般如下列图所示。

我们记录几个数据：EFL、BFL、入瞳直径、出瞳位置与直径。

计算光线追迹数据的方法：Analysis-Calculations-Ray trace。

我们只查看近轴光线数据，一般如下列图所示。

实用文档应用光学实验报告姓名：xxx班级：xxx学号：xx实验目的1.了解学习使用zemax软件，并用zemax完成透镜实验。

2.了解学习使用tfcalc软件，并用tfcalc完成光学薄膜设计和分析实验。

实验内容1.应用zemax设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，使用BK7玻璃。

生成光学特性曲线，光程差曲线，点列图，并进行简单优化。

2.应用tfcalc设计一个光学薄膜，并进行分析。

实验过程任务一1.根据教程学习了解zemax。

2.首先，运行ZEMAX。

为系统输入波长，在第一个“波长”行中输入486，在第二行的波长列中输入587，最后在第三行输入656。

3.设置权重为1.0。

4.定义孔径。

由于需要一个F/4镜头，所以需要一个25mm的孔径。

5.增加第四个表面。

物体所在面为第0面，然后才是第1（STO是光阑面），第2和第3面（标作IMA）。

6.选用玻璃BK7。

并输入镜片厚度是4mm。

7.确定曲率半径，前面和后面的半径分别是100和-100，并输入一个100的值，作为第2面的厚度。

8.应用光线特性曲线图进行判断。

9.优化设计。

10.应用点列图及OPD图衡量光学性能。

任务二1.根据教程学习了解tfcalc。

2.运行tfcalc。

3.设置光薄膜层数。

4.设置每层所用的物质（如TIO2，SIO2等）。

5.运行获得分析曲线图。

实验结果任务一图一光线特性曲线图图二光线特性曲线图（纠正离焦后）图三像差图图四OPD图图五多色光焦点漂移图图六点列图任务二图七（选用6层薄膜，材料如图所示）说明：采用六层薄膜，介质分别为SIO2,TIO2，SIO2,TIO2，SIO2,TIO2。

图八（设置“反射”所得）说明：波长在400—700nm之间薄膜适合透射，在700—1200nm之间适合反射。

图九（设置“透射”所得）说明：波长在400—700nm之间透射率在90%—100%之间，适合透射，波长在700—1200nm之间透射率下降，适合反射。

基于基本透镜组的照相物镜设计Zemax设计报告徐昕10272055设计目的通过对设计一个以基本透镜组为基础的照相物镜，学会Zemax软件的基本应用及操作。

设计要求设计一个照相物镜，系统焦距f’=9mm，相对孔径1:4设计过程1.系统建模1.1选取初始结构从《光学设计手册》（李士贤，郑乐年编，北京理工大学出版社，1990）中选取了一个三片式照相物镜作为初始结构，如表1-1表面序号半径/mm 厚度/mm 玻璃1 28.25 3.7 ZK52 -781.44 6.623 -42.885 1.48 F64 28.5 4.05 光阑 4.176 100.972 4.38 ZK117 -32.795表1-11.2系统特性参数输入在General系统通用数据对话框中设置孔径和玻璃库，如图1-1，图1-2。

打开视场设定对话框设置5个视场，如图1-3。

打开波长设定对话框点击“Select>>F,d,C(visible)”自动加入三个波长，如图1-4。

图1- 1图1- 2 图1- 3图1- 41.3初始结构输入对照表1-1，在Lens Data Editor中输入初始结构，如图1-5。

利用Zemax中的“solve”功能，求解透镜组最后一面的厚度。

选取需要设计的单元格，在“Solve”中选取“Thickness”，弹出“Thickness Solve on surface 7”求解对话框。

在对话框“Solve type”中选择“Marginal ray height”，将“Height”值输入为“0”，表示将像面设置在边缘光线聚焦的像方焦平面上，如图1-6，图1-7。

图1-5图1-6图1-71.4调整系统焦距打开“System Data”系统数据报告窗口，查看系统现有焦距，为65.65414mm，如图1-8，与设计要求不符，需要通过缩放功能进行调整。

选择“Tools>>Scale Lens”,缩放因子为9/65.65414=0.137082，在Scale By Factor缩放因子后填入0.137082，如图1-9。

光学设计软件ZEMAX实验讲义光学设计软件ZEMAX是一款广泛应用于光学设计和仿真的工具。

它通过建立光学系统模型、进行光学分析和优化，来实现光学元件的设计和性能评估。

本实验讲义将介绍使用ZEMAX进行光学系统设计的基本流程和方法，以帮助读者快速上手使用该软件进行实验。

实验目的：1.掌握ZEMAX软件的基本操作方法；2.学习使用ZEMAX进行光学系统的建模和分析；3.能够使用ZEMAX进行光学系统的优化和性能评估。

实验仪器和材料：1.计算机（安装有ZEMAX软件）；2.光学元件（例如透镜、棱镜等）；3.光源（例如激光器、光纤等）；4.探测器（例如光电二极管、CCD等）。

实验步骤：1.启动ZEMAX软件，并加载需要的光学元件模型。

可以通过导入现有的元件文件，也可以自己创建新的模型。

2.在光学系统中定义光源和探测器。

选择合适的光源类型，并设置光源的参数，例如波长、光强等。

同样，选择合适的探测器类型，并设置其参数。

3.在光学系统中添加光学元件。

选择需要的元件类型，例如透镜、棱镜等，并设置其参数，例如焦距、角度等。

4.运行光学分析。

可以选择进行光线追迹分析，用于确定光线在系统中的传播路径和光学性能。

还可以进行波前分析，用于评估系统的像差情况。

5.进行光学系统优化。

根据实际需求，调整光学系统中的参数，例如透镜的位置、曲率等，以优化系统的性能。

可以使用自动优化功能，也可以手动调整参数进行优化。

6.进行光学系统性能评估。

通过分析光线传播路径、像差情况等，评估光学系统的性能。

可以使用图像质量指标，例如MTF（传递函数）和PSF（点扩散函数），来评估系统的成像能力。

7.导出结果。

根据需要，将优化后的光学系统结果导出为文件。

可以导出光学系统的参数、光线路径图、波前图等。

实验注意事项：1.在进行光学系统设计前，需要确保熟悉光学基础知识，并了解所使用的光学元件的特性和性能。

2.在使用ZEMAX软件时，需要注意模型的准确性和合理性。

zemax课程设计实验报告一、教学目标本课程旨在通过学习Zemax课程设计实验报告，让学生掌握光学设计的基本原理和方法，培养学生运用Zemax软件进行光学系统设计和分析的能力。

1.掌握光学基本概念和原理，如透镜、镜片、光路等。

2.熟悉Zemax软件的操作界面和功能。

3.了解光学系统设计的基本步骤和方法。

4.能运用Zemax软件进行简单光学系统的设计和分析。

5.能根据设计要求，优化光学系统性能。

6.能撰写简单的Zemax课程设计实验报告。

情感态度价值观目标：1.培养学生对光学学科的兴趣和好奇心。

2.培养学生团队合作精神和自主学习能力。

3.培养学生关注实际问题，运用所学知识解决实际问题的意识。

二、教学内容本课程的教学内容主要包括光学基本概念、Zemax软件操作、光学系统设计方法和实验报告撰写。

1.光学基本概念：包括透镜、镜片、光路等基本知识。

2.Zemax软件操作：学习Zemax软件的操作界面、功能和基本操作。

3.光学系统设计方法：学习光学系统设计的基本步骤和方法，如系统需求分析、光学元件选型、光学设计等。

4.实验报告撰写：学习如何撰写Zemax课程设计实验报告，包括实验目的、原理、过程、结果和结论等。

三、教学方法本课程采用讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等多种教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性。

1.讲授法：用于讲解光学基本概念、原理和Zemax软件操作方法。

2.讨论法：用于探讨光学系统设计方法和实验报告撰写技巧。

3.案例分析法：分析实际案例，让学生了解光学系统设计的应用和实际意义。

4.实验法：让学生动手实践，培养实际操作能力和解决实际问题的能力。

四、教学资源本课程所需教学资源包括教材、参考书、多媒体资料和实验设备。

1.教材：选用《Zemax课程设计实验报告》教材，用于指导学生学习光学基本概念和Zemax软件操作。

2.参考书：提供相关光学设计和Zemax软件使用的参考书籍，丰富学生的知识储备。

ZEMAX实验报告一、引言ZEMAX是一款常用于光学系统设计和优化的软件工具。

本实验旨在通过使用ZEMAX软件，设计并验证一个简单的光学系统，以加深对光学器件的理解，并掌握ZEMAX软件的使用方法。

本实验采用的光学系统为凸透镜成像系统。

二、实验目的1. 了解并熟悉ZEMAX软件的界面和基础操作方法。

2. 设计一个简单的凸透镜成像系统。

3. 验证设计成像系统的成像质量，并进行优化。

三、实验步骤1. 打开ZEMAX软件，进入新建系统的界面。

2. 选择光源，设置波长、光强等参数。

4. 添加目标平面和接收面，调整其位置和大小。

5. 进行光线追迹和模拟，分析成像效果。

6. 优化系统，调整凸透镜参数，如位置、厚度，以改善成像质量。

7. 记录和分析实验结果。

四、实验结果根据实验步骤，设计并模拟了一个凸透镜成像系统。

经过优化调整后，系统的成像质量得到了明显的提高。

在最终模拟结果中，目标物体能够清晰地成像在接收面上，成像质量较高。

五、讨论分析本实验通过使用ZEMAX软件设计和优化了一个简单的凸透镜成像系统。

通过实验结果可以发现，ZEMAX软件具有较高的计算精度和可视化效果，能够有效地进行光学系统的设计和分析。

通过不断调整凸透镜参数，我们成功改善了系统的成像质量，证明了ZEMAX软件在光学系统优化中的实用性。

六、结论通过本次实验，我们了解并掌握了ZEMAX软件的基础操作方法，并成功设计和优化了一个凸透镜成像系统。

实验结果表明，ZEMAX软件能够较好地模拟和分析光学系统，为光学器件的设计和优化提供了有力的工具。

1. ZEMAX软件使用手册。

2. 光学设计与光子技术教材。

八、致谢感谢指导老师对本实验的支持和指导，也感谢实验室的同学们在实验过程中的合作和协助。

第1篇一、实验目的1. 理解光学系统设计的基本原理和方法。

2. 掌握光学设计软件的使用，如ZEMAX。

3. 学会光学系统参数的优化方法。

4. 通过实验，加深对光学系统设计理论和实践的理解。

二、实验器材1. ZEMAX软件2. 相关实验指导书3. 物镜镜头文件4. 目镜镜头文件5. 光学系统镜头文件三、实验原理光学系统设计是光学领域的一个重要分支，主要研究如何根据实际需求设计出满足特定要求的成像系统。

在实验中，我们将使用ZEMAX软件进行光学系统设计，包括物镜、目镜和光学系统的设计。

四、实验步骤1. 设计物镜（1）打开ZEMAX软件，创建一个新的光学设计项目。

（2）选择物镜类型，如球面镜、抛物面镜等。

（3）设置物镜的几何参数，如半径、厚度等。

（4）优化物镜参数，以满足成像要求。

2. 设计目镜（1）在ZEMAX软件中，创建一个新的光学设计项目。

（2）选择目镜类型，如球面镜、复合透镜等。

（3）设置目镜的几何参数，如半径、厚度等。

（4）优化目镜参数，以满足成像要求。

3. 设计光学系统（1）将物镜和目镜的镜头文件导入ZEMAX软件。

（2）设置光学系统的其他参数，如视场大小、放大率等。

（3）优化光学系统参数，以满足成像要求。

五、实验结果与分析1. 物镜设计结果通过优化，物镜的焦距为100mm，半视场角为10°，成像质量达到衍射极限。

2. 目镜设计结果通过优化，目镜的焦距为50mm，半视场角为10°，成像质量达到衍射极限。

3. 光学系统设计结果通过优化，光学系统的焦距为150mm，半视场角为20°，成像质量达到衍射极限。

六、实验总结1. 通过本次实验，我们掌握了光学系统设计的基本原理和方法。

2. 学会了使用ZEMAX软件进行光学系统设计。

3. 加深了对光学系统设计理论和实践的理解。

4. 提高了我们的动手能力和团队协作能力。

5. 为今后从事光学系统设计工作打下了基础。

注：本实验报告仅为示例，具体实验内容和结果可能因实际情况而有所不同。

基于基本透镜组的照相物镜设计Zemax设计报告徐昕10272055设计目的通过对设计一个以基本透镜组为基础的照相物镜，学会Zemax软件的基本应用及操作。

设计要求设计一个照相物镜，系统焦距f’=9mm，相对孔径1:4设计过程1.系统建模1.1选取初始结构从《光学设计手册》（李士贤，郑乐年编，北京理工大学出版社，1990）中选取了一个三片式照相物镜作为初始结构，如表1-1表面序号半径/mm 厚度/mm 玻璃1 28.25 3.7 ZK52 -781.44 6.623 -42.885 1.48 F64 28.5 4.05 光阑 4.176 100.972 4.38 ZK117 -32.795表1-11.2系统特性参数输入在General系统通用数据对话框中设置孔径和玻璃库，如图1-1，图1-2。

打开视场设定对话框设置5个视场，如图1-3。

打开波长设定对话框点击“Select>>F,d,C(visible)”自动加入三个波长，如图1-4。

图1- 1图1- 2 图1- 3图1- 41.3初始结构输入对照表1-1，在Lens Data Editor中输入初始结构，如图1-5。

利用Zemax中的“solve”功能，求解透镜组最后一面的厚度。

选取需要设计的单元格，在“Solve”中选取“Thickness”，弹出“Thickness Solve on surface 7”求解对话框。

在对话框“Solve type”中选择“Marginal ray height”，将“Height”值输入为“0”，表示将像面设置在边缘光线聚焦的像方焦平面上，如图1-6，图1-7。

图1-5图1-6图1-71.4调整系统焦距打开“System Data”系统数据报告窗口，查看系统现有焦距，为65.65414mm，如图1-8，与设计要求不符，需要通过缩放功能进行调整。

选择“Tools>>Scale Lens”,缩放因子为9/65.65414=0.137082，在Scale By Factor缩放因子后填入0.137082，如图1-9。

ZEMAX实验报告一、实验目的本实验旨在通过使用ZEMAX光学设计软件，了解和掌握光学系统的设计与分析方法，并通过实际操作掌握ZEMAX软件的使用技巧。

二、实验原理三、实验内容1.安装和熟悉ZEMAX软件。

首先进行软件的安装和启动，并浏览和熟悉软件的界面和功能按钮。

2.构建简单光学系统。

根据实验要求，通过添加光学元件和定义其参数，构建一个简单的光学系统。

3.分析光学系统的性能。

使用ZEMAX软件对光学系统的像差、光斑大小等性能进行分析。

4.优化光学系统的设计。

根据分析结果，对光学系统进行调整和优化，以使其性能达到要求。

四、实验步骤1.打开ZEMAX软件，并新建一个光学系统文件。

2. 添加光学元件。

点击“Add Surface”按钮，在光学系统中添加透镜、曲面、衍射光栅等光学元件。

3.定义光学元件的参数。

根据实际需求，输入光学元件的曲率、厚度、折射率等参数。

4. 设置光学系统的光源。

点击“Source”按钮，并设置光源位置和光束发散角度等参数。

5. 进行光线追迹。

点击“Ray Trace”按钮，在光学系统中发射光线并追踪光线的传播路径。

6.分析光学系统性能。

根据光线追踪结果，使用ZEMAX软件对光学系统的像差、光斑大小等性能进行分析。

7.优化光学系统设计。

根据分析结果，适当调整光学系统中的光学元件参数，使光学系统性能达到要求。

8.导出分析结果。

最后可以将优化后的光学系统性能结果导出为报告或图表。

五、实验结果和分析通过使用ZEMAX软件进行光学系统设计和分析的实验，我们可以得到光学系统的像差、光斑大小等性能指标。

通过分析结果，可以发现光学系统的设计是否满足了要求，并根据需求对光学系统进行调整和优化。

在优化光学系统设计的过程中，我们可以通过改变曲率、厚度和折射率等参数来调整光学元件的性能。

通过不断迭代优化，可以使光学系统的准确度和性能得到改善。

六、实验总结通过本次实验，我们了解和掌握了ZEMAX光学设计软件的使用方法，并通过实际操作进行了光学系统的设计和分析。

ZEMAX光学设计报告一、引言ZEMAX是一种广泛应用于光学设计和仿真的软件工具，它提供了一系列功能强大的工具和算法，可以帮助光学工程师进行光学系统的设计、优化和分析。

本报告将介绍使用ZEMAX进行的光学设计，并详细阐述设计的目的、方法和结果。

二、设计目的本次光学设计的目的是设计一种能够产生高质量成像的透镜系统。

通过使用ZEMAX软件进行光学设计和优化，我们希望能够在保持高分辨率和低畸变的同时，尽可能减小像差和光能损失，实现最佳成像效果。

三、设计方法1.初始设计：根据设计要求和限制条件，我们首先进行了初步的系统设计。

选取了适当的光学元件，如凸透镜、凹透镜、平面镜等，通过摆放和调整位置来搭建初始的光学系统。

2. Ray Tracing：使用ZEMAX的Ray Tracing功能，我们可以模拟光线在光学系统中的传播和反射。

通过调整折射率、半径和曲率等参数，我们可以对光线进行控制和优化，实现所需的成像效果。

3. Aberration Analysis：使用ZEMAX的Aberration Analysis功能，我们可以对系统的像差进行分析。

通过查看球差、色差、像散、畸变等参数，我们可以对光学系统进行调整和优化，以提高成像的质量和准确性。

4. Optimization：在初步设计和光线追迹分析的基础上，我们使用ZEMAX的优化功能来调整光学系统的各个参数，以达到最佳的成像效果。

通过设置目标函数和约束条件，优化算法可以在设计空间中最优解，帮助我们找到最佳的设计方案。

5. Iterative Refinements：根据优化结果，我们进行了反复的调整和优化，以进一步改善光学系统的成像效果。

通过多次迭代，我们逐渐接近最优解，达到了设计要求。

四、设计结果通过使用ZEMAX进行光学设计和优化，我们成功地设计出了一种可以产生高质量成像的透镜系统。

经过多次优化和迭代，我们达到了如下设计目标：1.高分辨率：经过系统优化，我们成功降低了球差和色差等像差，提高了光学系统的分辨率。

ZEMAX光学设计报告一、引言光学设计是光学工程师进行光学系统设计的重要工作。

在光学设计中使用的软件工具众多，其中一种常用的软件是ZEMAX。

本报告将介绍使用ZEMAX进行光学设计的方法，并通过一个实例来展示其应用。

二、ZEMAX光学设计1.建模在使用ZEMAX进行光学设计之前，首先需要进行系统的物理建模。

在ZEMAX中，通过定义光学元件（如透镜、镜面等）的物理属性和位置来建立光学系统模型。

可以通过输入几何参数、折射率、表面形态等信息来定义各个光学元件，并通过图形界面进行可视化设置。

2.优化光学系统的优化是光学设计的核心任务之一、在ZEMAX中，可以通过调整光学元件的位置、物理参数等来优化系统的性能。

可以设置优化目标，比如最小化像差、最大化能量聚焦等，然后通过ZEMAX的优化算法进行自动求解，得到最优解。

3.分析ZEMAX还提供了各种分析工具，可以对光学系统进行性能评估。

例如，可以通过光线追迹分析来研究几何光学传输过程，可以通过波前分析来评估系统的像差，可以通过MTF（调制传递函数）分析来评估系统的分辨力等。

这些分析工具有助于工程师对设计系统的性能进行评估和改进。

三、实例展示为了更好地展示ZEMAX的应用，我们以光学显微镜的设计为例进行介绍。

1.建模首先，在ZEMAX中建立光学系统模型。

我们可以通过输入光学元件的参数，比如透镜的曲率半径、厚度等来定义系统的物理属性。

然后，使用图形界面将这些光学元件拖拽到适当的位置，形成光学系统的结构。

2.优化接下来，我们可以通过优化光学系统的性能来改进设计。

比如，可以通过调整透镜的位置、厚度等参数来最小化系统的像差、最大化系统的分辨率等。

在ZEMAX中，可以设置优化目标并选择适当的优化算法，然后让软件自动进行求解。

在求解过程中，可以通过ZEMAX提供的分析工具对系统进行实时评估。

3.分析最后，我们可以使用ZEMAX提供的分析工具对设计好的系统进行性能评估。

比如，可以通过光线追迹分析来确定光学系统的传输特性，可以通过MTF分析来评估系统的分辨能力等。

课 程 设 计光学显微镜设计设计题目学 号专业班级指导教师学生姓名 测量显微镜根据学号得到自己设计内容的数据要求：1.目镜放大率10(即焦距25）2.目镜最后一面到物面距离1103.对准精度1.2微米按照实验步骤，先计算好外形尺寸。

然后根据数据要求选取目镜与物镜。

我先做物镜。

因为这个镜片比较少。

按物镜放大率选好物镜后，将参数输入。

简单优化，得到比较接近自己要求的物镜。

然后做目镜，同样的做法，这个按照焦距选目镜，将参数输入。

将曲率半径设为可变量，调入默认的优化函数进行优化。

发现“优化不了”，所有参数均没有变化。

而且发现把光源放在“焦点”位置，目镜出射的不是平行光。

我百思不得其解。

开始认为镜头库的参数可能有问题。

最后我问老师，老师解释，那个所谓的“焦点”其实不是焦点，我错误的把“焦点”到目镜第一个面的距离当成了焦距。

这个目镜是有一定厚度的，不能简单等效成薄透镜。

焦点到节点的距离才是焦距。

经过老师指点后，我尝试调节光源到目镜第一面的距离，想得到出射平行光，从而找到焦点。

但这个寻找是很费力气的，事倍功半。

老师建议我把目镜的参数倒着顺序输入参数。

然后用平行光入射，然后可以轻松找到焦点。

但是，按照这个方法，倒着输入参数，把光源放在无限远的地方（平行光入射），发现光线是发散的。

不解。

还是按照原来的方法。

把光源放在目镜焦点上，尽量使之出射平行光。

然后把它与优化好的物镜拼接起来。

后来，加入理想透镜（会聚平行光线），加以优化。

还有一个问题，就是选物镜的时候，发现放大倍率符合了自己的需求，但工作距离与共轭距，不符合自己的要求。

这个问题在课堂上问过老师，后来经老师指点，通过总体缩放解决。

物镜参数及优化函数物镜（未缩放）物镜ray 物镜点列图物镜参数物镜各窗口目镜镜片参数目镜2D光路（未缩放）物镜各参数物镜加理想透镜优化物镜加理想透镜优化（ray）物镜加理想透镜优化（spt）显微镜显微镜光路及总体长度显微镜各参数显微镜加理想透镜，光线会聚（layout）显微镜加理想透镜（ray）显微镜加理想透镜（spt）显微镜加理想透镜（参数情况）总的来说这次实验，还是还是比较成功的。

光学设计软件ZEMAX实验讲义实验目的：1.学会使用ZEMAX进行基本光学系统的设计。

2.学会使用ZEMAX进行光学系统的分析和优化。

3.了解ZEMAX的基本操作和功能。

实验步骤：1.安装和启动ZEMAX软件。

将光学系统转化为数字形式，并进行光束追迹。

2.创建一个新的光学系统。

通过添加透镜和光源，在系统中创建起始点光源。

3.定义光束追踪模式。

选择要模拟的光束类型，如平行光束、点光源或散射光束。

4.设置透镜的参数。

选择所需的透镜类型，如凸透镜、凹透镜或棱镜，并设置其曲率半径和折射率。

5.添加其他光学元件。

根据系统设计的需要，添加其他光学元件，如滤光片、反射镜或光栅。

6.进行光束追踪和射线分析。

使用ZEMAX的射线追踪功能，可以模拟光线在系统中的传播和聚焦情况，并对系统的性能进行分析。

7.优化光学系统。

根据设计需求，使用ZEMAX的优化功能对光学系统进行优化，以改善其性能。

8.分析光学系统性能。

使用ZEMAX的分析工具，可以评估系统的像差、聚焦性能和光学质量等指标。

9.输出结果。

将光学系统的结果输出为图形、表格或文件，以便进一步分析和应用。

注意事项：1.在进行光学设计时，应尽可能符合光学系统的物理和几何规则。

2.在使用ZEMAX进行分析和优化时，应注意各个参数的相互影响，并合理选择优化策略。

3.在进行结果分析时，应根据具体的实际问题和设计目标，选择合适的指标和评估方法。

结论：通过本实验，我们学习了如何使用ZEMAX进行光学设计和分析。

ZEMAX提供了强大的功能和工具，可以帮助光学工程师有效地设计和优化光学系统。

光学设计软件的使用将大大提高光学工程师的工作效率和设计质量。

光学设计ZEMAX_实验讲义光学设计是一门涉及光的传播和光学元件设计的学科。

利用光的特性和光学元件的特性，可以设计出各种光学系统，实现不同的光学功能。

ZEMAX是一款强大的光学设计软件，它可以帮助工程师进行光学设计、性能仿真和优化等工作。

本实验讲义将介绍几个常见的光学设计实验，以帮助读者了解光学设计的基本原理和技术。

在进行这些实验之前，我们需要了解一些光学设计的基本概念和知识。

首先，光线是一个波动现象，可以用射线来近似描述。

光线在光学系统中的传播遵循光的几何光学原理。

其次，光学元件是一种能够对光线进行控制和操纵的物体，如透镜、棱镜和反射镜等。

光学系统是由多个光学元件组成的，可以实现不同的光学功能，如成像、聚焦和色散等。

首先我们将介绍透镜设计实验。

透镜是一种常见的光学元件，可以将光线汇聚或发散。

透镜的成像性能与其形状和折射率有关。

在透镜设计实验中，我们将使用ZEMAX软件，选择适当的透镜形状和折射率，设计一个能够将平行光线聚焦到一点的透镜系统。

通过调整透镜的形状和位置，我们可以改变光线的聚焦性能。

接下来是棱镜实验。

棱镜是一种能够使光线发生偏折和色散的光学元件。

在棱镜实验中，我们将使用ZEMAX软件，选择适当的棱镜材料和形状，设计一个能够对光线进行偏折和色散的棱镜系统。

通过调整棱镜的角度和位置，我们可以改变光线的偏折角和色散程度。

最后是反射镜实验。

反射镜是一种能够通过反射来改变光线传播方向的光学元件。

在反射镜实验中，我们将使用ZEMAX软件，选择适当的反射镜形状和材料，设计一个能够将光线反射到预定方向的反射镜系统。

通过调整反射镜的曲率和位置，我们可以改变光线的反射角度和聚焦性能。

在实验过程中，我们需要注意一些光学设计的基本原则和技巧。

首先，要保证光学系统的成像质量和性能。

成像质量可以通过调整光学元件的参数和位置进行优化。

其次，要考虑光学系统的光线传播路径和光束直径。

光线传播路径应该尽量简洁和对称，光束直径应该符合系统的要求。

1. 了解光学系统设计的基本原理和方法。

2. 熟悉光学设计软件（如ZEMAX）的操作，掌握基本的光学设计流程。

3. 学会应用光学设计软件进行光学系统设计，并优化系统性能。

4. 分析实验结果，总结光学系统设计经验。

二、实验器材1. 光学设计软件（如ZEMAX）2. 实验指导书3. 相关光学元件（如透镜、棱镜、分划板等）三、实验内容1. 设计一个显微镜光学系统，包括物镜、目镜和光学系统镜头文件。

2. 根据实验要求，设置以下参数：（1）目镜放大率：10倍（2）目镜最后一面到物面沿光轴的几何距离：280毫米（3）对工件实边缘的对准精度：2.2微米（4）视场大小：自定，尽可能大，一般达到商用仪器的一半（5）是否加棱镜：可加棱镜，折转角大小自定，棱镜可按等效玻璃板处理（6）是否加CCD：可加CCD3. 设计系统结构框图，并绘制系统结构图。

4. 设计物镜系统，采用物方远心光路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上。

5. 设计目镜系统，根据目镜放大率和物镜成像位置，确定目镜的焦距和成像位置。

6. 对物镜和目镜进行整体优化或独立优化。

7. 分析实验结果，总结光学系统设计经验。

1. 打开光学设计软件（如ZEMAX），创建新的光学系统项目。

2. 添加光学元件，包括物镜、目镜和光学系统镜头文件。

3. 设置光学元件的参数，如焦距、半径、折射率等。

4. 设计系统结构，根据实验要求，调整光学元件的位置和距离。

5. 运行优化算法，对光学系统进行优化。

6. 分析实验结果，如成像质量、视场大小、对准精度等。

7. 根据实验结果，调整光学元件参数和系统结构，进一步优化光学系统。

8. 完成实验报告，总结实验结果和经验。

五、实验结果与分析1. 成像质量：通过优化算法，使成像质量达到最佳状态，如对比度、分辨率等。

2. 视场大小：根据实验要求，设置视场大小，确保观察范围足够。

3. 对准精度：通过优化光学系统，提高对准精度，满足实验要求。

4. 优化经验：在实验过程中，总结以下优化经验：（1）合理设置光学元件参数，如焦距、半径、折射率等。

ZEMAX实验——双胶合镜头（a doublet）摘要一个双胶合镜头是由两片玻璃组成，通常粘在一起，所以他们有相同的曲率。

利用不同玻璃的色散性质，一阶色差可以被矫正。

也就是说，需要得到抛物线形的多色光焦点漂移图，而不是直线的，这反过来会产生较好的像质。

在保持100mm焦距和在轴上的设计要下，将会加入视场角。

同时定义边缘厚度解，使产生图层和视场曲率图，并分析双胶合镜头的出光效果。

关键词：ZEMAX光学设计；双胶合镜头；成像分析目录1 引言 (II)2 实验目的.................................. 错误！未定义书签。

3 实验原理分析 (2)4 实验步骤 (3)5 实验结果.................................. 错误！未定义书签。

1 引言ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是一套可以运算sequential及Non-Sequential的软件。

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，与其它软件不同的是ZEMAX的CAD转文件程序都是双向的，如IGES、STEP、SAT 等格式都可转入及转出。

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

ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。

包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。

实验（一）ZEMAX基本操作和单透镜设计及优化一、实验目的学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。

设计一个单透镜并对其进行优化。

二、实验要求1、掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。

2、掌握ZEMAX软件的用户界面。

3、学会使用ZEMAX的帮助系统，执行简单光学最佳化。

三、实验内容1.设计目标：用F/4单透镜，要求在轴上可见光范围内，focal length为100mm,用BK7镜片来做。

2.设计步骤1. 打开ZEMAX软件，调处lens data editor（LDE）。

2. 在主选单system下，选中wavelengths，第一列键入0.486 ，以microns 为单位，第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength （主波长）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。

3. 从system menu上选general data，在aper value 上键入25，而aperture type 被default为Entrance Pupil diameter. 也就是说，entrance pupil 的大小就是aperture 的大小.4. 回到LDE，在STO 后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ 为0，STO 为1，而IMA为3。

5.输入镜片的材料为BK7. 在STO列中的glass 栏上，直接打上BK7 即可.又孔径的大小为25mm ，则第一面镜合理的thickness 为4mm ，也是直接键入。

再来决定第1及第2面镜的曲率半径在此分别选为100及-100 ，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负值。

设计一个8倍开普勒望远镜，目镜焦距f 目' = 25mm ，出瞳直径D' = 4mm ，出瞳距l z ' >22mm ，目镜视场角2ω' = 25︒；1. 计算对于望远镜，其物镜与目镜焦距、物镜视场角与目镜视场角的关系式如下：tan tan =-f f ωω⎧⎪⎨⎪⎩Γ='Γ''物目目物由此知道需要设计的物镜的视场角为2=3.2=200f ω⎧⎪⎨⎪⎩'' 物物2.物镜的设计我们可以直接采用在设计1中设计的双胶合物镜双胶合物镜的初始系统图为：双胶合物镜的初始系统点列图为：双胶合物镜的初始系统光线扇形图为：系统的光学特性参数为：系统的光学特性参数txt .实际上此时系统已经达到基本的设计要求。

2. 目镜的设计（1）系统建模我们采用双高斯物镜。

其初始结构参数为：我们选取的结构的光学特性为：1=50,2=40,=2D f f ω'' 这与我们需要的焦距25mm 不符合。

我们采用缩放功能进行调整。

选择Tools →scale lens ，由于系统现有焦距为50，要变为25，缩放因子为25/50=0.5。

调整的方式为：此时的焦距就变为了25mm 。

接下来，我们把“Field data ”中输入三个角度值0,14和20。

系统的结构图为：（2）结构优化变量的确定：这里我们选用如图所示的18个变量作为变量。

评价函数：这里我选用了三项评价函数，有效焦距（EFFL），光学传递函数（MTFS，MTFT）以及透镜最小中心厚度（MNCG），其中前两项的权重为1，后一项的为0.1。

（实际中，由于开始时得到优化结果的MTF很不理想，所以最后选择了MTFS和MTFT作为优化的评价函数）执行优化后的数据如图：执行优化后的结构图以及散点图：优化后系统的MTF图为：此时的MTF反映系统的像质系统还比较差，在此基础上进行改进，对原系统选用的玻璃进行更换。