第1篇
一、实验目的
1. 了解光学设计的基本原理和过程；
2. 掌握光学设计软件（如ZEMAX）的基本操作和应用；
3. 通过实验，提高对光学系统性能的评估和优化能力；
4. 深入理解光学系统中的各类元件及其作用；
5. 培养团队协作和实验操作能力。
二、实验器材
1. 光学设计软件（ZEMAX）；
2. 相关光学元件（透镜、棱镜、光阑等）；
3. 光具座、读数显微镜等辅助仪器；
4. 设计说明书和镜头文件。
三、实验内容
1. 光学系统设计思路
（1）系统结构框图：设计一个简单的光学系统，包括物镜、目镜、光阑等元件，使系统成正像。
（2）系统结构设计：根据系统结构框图，设计物镜、目镜、光阑等元件的几何参数，并确定系统的主要技术参数。
2. 镜头设计
（1）物镜设计：根据设计要求，选择合适的物镜类型，确定物镜的焦距、孔径、放大率等参数。
（2）目镜设计：根据设计要求，选择合适的目镜类型，确定目镜的焦距、放大率等参数。
3. 系统优化
（1）优化物镜和目镜的几何参数，提高成像质量。 （2）优化系统整体性能，如分辨率、对比度等。
4. 仿真分析
（1）使用ZEMAX软件进行光学系统仿真，观察成像质量。
（2）分析仿真结果，对系统进行进一步优化。
5. 实验报告撰写
（1）总结实验过程中遇到的问题及解决方法。
（2）对实验结果进行分析和讨论。
四、实验步骤
1. 设计光学系统结构框图，确定系统的主要技术参数。
2. 在ZEMAX软件中建立光学系统模型，设置物镜、目镜、光阑等元件的几何参数。
3. 优化物镜和目镜的几何参数，提高成像质量。
4. 优化系统整体性能，如分辨率、对比度等。
5. 使用ZEMAX软件进行光学系统仿真，观察成像质量。
6. 分析仿真结果，对系统进行进一步优化。
7. 撰写实验报告，总结实验过程、结果及分析。
五、实验结果与分析
1. 实验结果
（1）物镜焦距：f1 = 100mm；
实验四:卡塞格林系统
一．实验目的
熟悉卡塞格林系统设计的原理过程，学习如何使用多项式的非球面，掌握设计系
统的的方法及过程。
二.系统结构性能要求
1）孔径值10英寸；
2）视场角为0︒；
3）相对波长为可见光；
4）玻璃材料BK7 、MIRROR ；
三．实验步骤
1.系统参数的设置：孔径值10英寸；（单位是英寸）
视场角为0︒；
工作波长为可见光；
2.结构参数的设置:平面镜的厚度为1英寸，玻璃材料BK7；
反射镜的焦距为60英寸，厚度为30英寸，玻璃材料为MIRROR；
如下图所示：
3.加辅助镜面，并安放像平面。让ZEMAX为辅助面计算恰当的曲率。玻璃材料为
mirror。（注意：已将主反射面的距离减小到-18，这将使辅助镜面的尺寸减小。
像平面的距离现在是28，实际上，是在主反射面后10英寸）如下图所示：
四．光学望远系统优化过程
1.将三环六臂改为五环六臂（菜单栏Editors一Merit Function一Tools一
Default Merit Function一Reset一Rings）如下图所示：
2.设置变量，将曲率半径设为优化变量，权重设为1。将新面（即第3面）的厚
度从0改为20。往上移一行，将第2面的厚度由60改为40。对于主反射面来说，
校正器与它的距离就是60；
3,。将光阑面（STO）的表面类型换为“EVEN ASPHERE”。这种面型允许为非球面
校正器指定多项式非球面系数。并将第一面的“4th Order Term” 6th Order Term”
和“8th Order Term”列设为变量，当前为0，如下图所示：
4.打开视场角，调整设计。从主菜单，选System，Fields，并将视场角的个数
设置为3，输入y角0.0，0.35和0.7。如下图所示：
优化即可得到MTF，如下图所示：
5双击第三面的第一列，从孔径类型列中选圆形“Circular Aperture” ，到Min
背景
RSoft是一个领先的光学设计软件公司，总部位于美国加利福尼亚州的广州。该公司提供一套完整的光学设计工具，用于模拟和分析光学系统，并优化系统性能。RSoft的软件产品广泛应用于通信、光电子学、生物医学和光学传感器等领域，帮助用户快速设计和优化其光学设备。
在光通信领域，RSoft的软件在光纤通信系统、光纤放大器、波分复用器、高速调制器等方面被广泛使用。作为光通信领域的关键技术之一，波分复用是一种通过在光纤中同时传输多个光信号的技术。通过利用不同波长的光信号，波分复用可以大幅提高光通信系统的传输容量，从而满足不断增长的数据传输需求。
案例过程
背景
一家光通信设备公司C公司致力于开发高速光通信系统，希望提高其系统的传输容量和效率。该公司正在研究新的波分复用技术，并希望通过RSoft的软件来模拟和优化系统。
需求分析
C公司的目标是设计一个10通道的波分复用系统，每个通道的波长范围为1525nm至1565nm。每个通道的带宽要求为100GHz，并且希望系统的损耗尽可能小。此外，他们还想了解不同波长之间的相互耦合情况，以及如何优化系统来减少耦合损耗。
模拟和分析
C公司的团队使用RSoft的波导模拟工具来模拟和设计他们的波分复用系统。他们首先设置了系统的基本参数，包括光纤的折射率、长度和损耗等。然后，他们使用RSoft的光纤设计工具来优化每个通道的光纤耦合效果和衰减损耗。
在模拟过程中，他们发现在某些波长范围内，耦合损耗特别高。经过进一步分析，他们发现这是由于波导中的模式耦合引起的。为了减少耦合损耗，他们使用RSoft的光纤模式解算器来计算各个波长的模式耦合系数，并将这些系数反馈给设计工具。 通过不断优化系统的参数和设计，C公司的团队最终设计出了一个满足要求的10通道波分复用系统。该系统的每个通道的耦合损耗小于0.2dB，带宽达到了100GHz，且在整个波长范围内都能工作稳定。
结果分析
通过RSoft的软件，C公司成功设计出了一种高效的10通道波分复用系统。该系统满足了公司的要求，具有很低的耦合损耗和高带宽。通过这个系统，C公司能够提供更高容量的光通信解决方案，满足不断增长的数据传输需求。
第二章 基础实例设计
ZEMAX基础实例 ‐ 单透镜设计
引言
• 在成像光学系统设计中，主要指的是透镜系统设计，当然也有一些反射系统或棱镜系统。
• 在透镜系统设计中，最基础、最简单的便是单透镜设计。但我们不要小看这样的单透镜系统，因为它
也代表了一个光学系统设计的完整流程。麻雀虽小，五脏俱全！
• 本节中，我们通过手把手的操作，为大家展示使用 ZEMAX 进行成像光学设计的完整流程。使初学者
快速领略到ZEMAX光学设计的风采，在轻松的设计中感受到光学设计的乐趣。
• 通过单透镜设计，可以使大家学习到Z EMAX 序列编辑器建模方法，光束大小设置方法，视场设置方
法，变量的设罝方法，评价函数设置方法，优化方法，像差分析方法和提髙像质的像差平衡方法等，
单透镜系统参数
设计任何一个镜头，我们都必须有特定的要求，比如焦距，相对口径，视场，波长，材料，分辨率，
渐晕，MTF等等，根据系统的简易程度客户给的要求也各不相同。由于单透镜最简单的系统，要求也就很
少。本例中我们设计单透镜规格参数如下：
EPD = 20mm
F/#=10
FFOV= 10 degree
Wavelength 0.587um
Material BK7
Best RMS Spot Radius
首先我们需要把知道的镜头的系统参数输入软件中，系统参数包括三部分：光束孔径大小，视场类型
及大小，波长。
在这个单透镜的规格参数中，入瞳直径(EPD)为20mm，全视场(FFOV)为10度，波长0.587微米，分别
如下说明。
1、点击System » General或点快捷按扭Gen打开通用设置对话框： 入瞳直径即
到还有其它
像空间F数
互转换。
物空间数值
直接定义物
随光阑尺寸
用这种类型
本例中，我
2、点击打开即用来直接确
它几种光束孔
(Image Space
值孔径(Object
物点发光角度
寸漂移(Float B
型来计算入瞳
我们只需选择开视场对话框定进入系统光
