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光纤通信 Zemax、optisystem 实验

程佑梁

实验一 Zemax 仿真设计

实验目的

1．熟悉 Zemax 实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光学系统。

2．利用 Zeamx 的优化功能设计光学系统并使其系统的各项性能参数达到最优.

实验原理

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。既然指定要 F/4 的透镜,所谓的 F/＃是什么呢？F/＃就是光由无限

远入射所形成的 effective focal length F 跟 paraxial entrance pupil 的直径的比值.所以现在我们需要

的 aperture 就是 100/4=25(mm）。于是从 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.

　　回到 LDE，可以看到 3 个不同的 surface，依序为 OBJ,STO 及 IMA。OBJ 就是发光物，即光源，STO 即

则第一面镜合理的 thickness 为 4，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.而再令第 2 面镜的 thickness 为 100。

　　现在你的输入数据已大致完毕。你怎么检验你的设计是否达到要求呢？选 analysis 中的 fans，其中的

Ray Aberration，将会把 transverse 的 ray aberration 对 pupil coordinate 作图。其中 ray aberration

是以 chief ray 为参考点计算的.纵轴为 EY 的，即是在 Y 方个的 aberration，称作 tangential 或者 YZ plane.

同理 X 方向的 aberration 称为 XZ plane 或 sagittal.

　　Zemax 主要的目的,就是帮我们矫正 defocus,用 solves 就可以解决这些问题。solves 是一些函数，它的

输 入 变 量 为 curvatures ， thickness ， glasses ， semi—diameters,conics ， 以 及 相 关 的 parameters

等.parameters 是用来描述或补足输入变量 solves 的型式。如 curvature 的型式有 chief ray angle,pick up，

Marginal ray normal，chief ray normal，Aplanatic，Element power，concentric with surface 等。而

依次把 surface 2 的 radius，及放弃原先的 surface 2 中 thickness 的 Marginal Ray height 也变成

variable。再来我们定义一个 Merit function，什么是 Merit function 呢？Merit function 就是把你理想

的光学要求规格定为一个标准（如此例中 focal length 为 100mm），然后 Zemax 会连续调整你输入 solves 中

的各种 variable, 把计算得的值与你订的标准相减就是 Merit function 值，所以 Merit function 值愈小愈

好，挑出最小值时即完成 variable 设定,理想的 Merit function 值为 0.

　　现在谈谈如何设 Merit function,Zemax 已经 default 一个内建的 merit function，它的功能是把 RMS

wavefront error 减至最低,所以先在 editors 中选 Merit function，进入其中的 Tools，再按 Default Merit

Function 键，再按 ok,即我们选用 default Merit function ,这还不够，我们还要规定给 merit function

一个 focal length 为 100 的限制，因为若不给此限制则 Zemax 会发现 focal length 为 时，wavefront

aberration 的效果会最好,当然就违反我们的设计要求。所以在 Merit function editor 第 1 列中往后插入

约为 6 microns 交错。

　　而 OPD 为 optical path difference(跟 chief ray 作比较）,亦从 Analysis 中挑选,从 Fans 中的

Optical Path，发现其中的 aberration 大约为 20 waves，大都 focus，并且 spherical，sphero chromatism

focal shift plot，这是把各种光波的 back focal length 跟在 paraxial 上用 primary wavelength 计算出

first order 的 focal length 之间的差异对输出光波的 wavelength 作图，图中可指出各光波在 paraxial

focus 上的 variation。从 Analysis 中 Miscellaneous 项的 Chromatic Focal Shift 即可叫出。

实验内容

1、显微物镜系统设计

在图1 显示一个10X 显微物镜。其包含二组远距的胶合双重透镜（Lister型式).NA：0.25；EFL=0。

591。表1 提供了这个设计的数据。第一镜面到像距为0。999.第一镜面到物距为6.076。最后一面供作保护

面之用。畸变=0。26﹪。

图1 10倍显微物镜系统

表1 10倍显微物镜参数

要求：（1)运用zemax软件仿真实现该系统,并进行像质评价和分析，给出多个波长和多个视场的像质评价和