广东海洋大学《工程光学》课程设计题目：单透镜设计姓名：李力飞学号：201211911114学院：理学院班级：电科1121指导老师：陈劲民广东海洋大学一.设计目的查阅光学设计软件ZEMAX资料，初步了解ZEMAX在光学系统设计中实现建模、分析的功能；对上学期《应用光学》课程作一扼要系统的复习。
根据设计要求，运用ZEMAX进行辅助设计按要求给出设计结果及撰写设计报告和个人心得总结。
二.设计要求入瞳直径:30mm曲率半径:75,-85mm厚度5mm材质为BK7玻璃光源为可见光(F,d,C)视场角为0°、7°、10°三.设计思路直接将要求作为初始结构参数，输入ZEMAX，并得出初始结果选取透镜两面半径，焦距作为变量进行优化对第一次优化结果进行像质评价，针对不同像差用对应的评价函数优化，直到像差符合要求1李力飞四.设计过程1）入瞳设置入瞳直径为30mm2）视场设置视场角为0度，7度，10度2广东海洋大学3）波长设置波长为F光（0.486），D光（0.587），C光（0.656）单位：um4）透镜参数设置OBJ 和IMA分别为物面，像面。
物面厚度（Thickness）为无穷远，即物距为无穷远。
1.在光阑面（STO）后插入一个新的面2，作为透镜的第二个面。
2.透镜第一面，第二面半径分别为75mm和-85mm。
3.由公式f’=nR1R2/(n-1)[n(R2-R1)+(n-1)d],得出透镜焦距f’=78mm，并将f’作为第二面厚度；透镜厚度d=5mm作为第一面厚度。
（BK7玻璃折射率：1.5168）3李力飞5)评估系统性能1. 3D草图图中可明显看到轴外和轴上的光线都没有聚焦在高斯像面上，这主要是因为系统存在严重的球差，场曲。
4广东海洋大学2.光线像差曲线（RAY FAN）从曲线中可看出主要存在球差，场曲，子午慧差球差：0视场图曲线离轴较严重，特别是全孔径处场曲：7，10视场图原点处曲线斜率不为0子午慧差,7，10视场子午曲线弯曲较严重，或者曲线两端连线与纵轴交点和原点不重合像散：10视场图子午，弧矢曲线不重合，即子午焦面与弧矢焦面不重合5李力飞3.点列图（Spot Diagrams）主要存在球差，慧差，像散球差：0视场RMS（弥散斑半径的方均根）GEO（弥散斑半径）都很大慧差：7，10视场图形形状可看出存在慧差像散：10视场图形呈椭圆状，说明子午像面和弧矢像面不重合子午场曲：10视场图呈椭圆状6广东海洋大学6）优化系统一.设置变量将STO面和2面半径，2面厚度设为变量。
二.建立优化函数1.增加MFE（评价函数）中对焦距的限制新增操作EFFL，目标78，权重1，参考波长为主波长2。
EFFL目的是使评价函数运算出系统有效焦距f’，并限制焦距尽可能地接近初始结构参数的值78。
如果不添加EFFL，则函数可能将焦距变动为无穷大。
7李力飞2.建立绩效函数全部设置采用函数的缺省值即可。
三.执行优化点击自动优化后，系统的MF值从初始的48.6降为13.8，表明系统像差得到很大改善。
初次优化后结构参数8广东海洋大学四.初次评价像质1）光线像差曲线（RAY FAN）从0视场图看出，离轴现象得到大幅改善，即轴上球差大大减小，但大孔径处仍存在残余球差；同时三色光曲线在竖直方向上出现分离，即优化后产生了较大轴上色差。
从10视场图看出，三色光曲线同样在垂轴方向分离，即产生垂轴色差；子午面曲线的弯曲程度较优化前减轻，即子午慧差减小；弧矢面曲线在原点处斜率减小，表明场曲下降；子午，弧矢曲线不重合程度加大，即像散增大。
92）点阵图（Spot Diagrams）0视场图看出，RMS，GED 分别从优化前的845,1470变为181,290 ，即弥散斑的半径和均方值都大幅减小，球差得到改善，但同时产生轴上色差。
10视场图看出，虽然RMS,GED都减小，但如图所示，三色光斑点层次分明，产生严重的轴上色差；同时仍有慧差，场曲，像散。
五.第二次优化1.增加MEF操作数在原有操作数基础上增加COMA操作，参考波长为2，目标为0，权重为1，目的是减小系统慧差。
第二次优化后结构参数第二次优化后第二面的曲率半径由-188增大至-4332.再次评价像质1）光线差曲线（RAY FAN）通过和第一次优化后的RAY FAN 比较，并没发现有显著的变化，接下来分析点阵图。
2）点阵图（spot diagrams）从10视场图看出，不仅慧差得到消除，弥散斑RMS GED也减小。
但色差仍然很大。
从7，10视场图看出仍存在像散，场曲。
7）最终像质评价1）结构参数2）3D草图（3D Layout）3）渲染模型（Shaded Model）4)ZEMAX格式绘图5）光线像差曲线（RAY FAN）球慧差得到很大改善，但仍然存在子午场曲和像散，且第一次优化后产生的色差未能校正。
6)光程差/光路（OPD FAN）7）入瞳像差（Pupil Aberration Fan）8）点列图（Spot Diagrams）五.结论本次课程设计通过选定大概的初始结构参数然后逐步针对不同的像差在评价函数MFE中采用相应的操作数进行优化，最终设计出焦距f’=81mm的单透镜（与期望值78mm相差3mm），相对孔径D/F=0.37（透镜孔径30mm）,材料采用折射率为1.5186的BK7玻璃，厚度为5mm。
在进行像差优化时主要参考了教材《工程光学》（郁道银，谈恒英第三版），网上的教程实例和陈老师给的ZEMAX学习资料。
在设计过程中，除了优化慧差外，还尝试用【ASTI】，【AXCL】,【FCGT】算符来校正像散，色差和场曲但均以失败告终，后来才得知单透镜并不能校正球差，色差，场曲，像散。
下面摘抄一些可以通过增加光阑或场镜来改善这几种像差的方法：球差：“透镜在焦距一定的情况下，透镜的折射率越大，球差越小。
”，故可以采用折射率较大的玻璃来减小球差。
场曲：1）“目镜中场曲一般不进行校正，光学系统要校正场曲，必须在系统中具有相互远离的正透镜和负透镜，二者光焦度相反，数值相近。
”如下图：2）“”像散：1）2）李力飞六.设计心得经历了一个星期左右的努力，终于完成了这次的单透镜设计，虽然没有把剩余的像差降到尽可能低，但总体上算是得到一个差强人意的结果。
刚开始着手设计时完全不知道该从何做起，于是参阅教材《工程光学》上关于光学设计部分的内容。
首先在最初的一步——确定初始结构参数我就被难住了，因为当时看书时老师还没把题目发下来，所以我以为要用到书上所说的“PW形式的初级像差”法来计算初始结构，直到后来知道单透镜设计并不需要用到PW法时我才松了口气。
除此之外还回顾了上个学期学过的像差理论，发现对很多知识并没太大的印象，这大概是当初学习时没有做更深一步探究以及对它们的理解只停留在课堂老师浅显讲解所导致的，更重要的是光学设计相关的内容上学期老师并未提及。
当然也大概了解了各种像质评价方法包括调制传递函数（MFT），可是后来才发现像质分析时只须用到光线像差曲线（Ray Fan）和点列图(Spot Diagrams)。
拿到题目后就开始对照着资料逐步输入结构参数，构建评价函数进行优化，接着分析主要的像差并增加对应的操作数再次优化。
尽管慧差球差第一次就得到一定校正，但产生了很大的色差，且场曲和像散几乎没有任何变化，我这时仍不知道单透镜中MFE算符在像散，场曲和色差校正上作用微乎其微，取而代之的是坚持不断尝试去修改操作数中的参考波长、视场、孔径和权重等因素，除此之外甚至把透镜孔径和厚度也作为变量进行优化，但结果都没发生显著变化；不久得知MFE算符在像差控制上存在一定局限性，例如ASTI算符只能优化宽光束像散，而对细光束不起作用，FCGT 算符也只对宽光束场曲起作用。
所以需要根据对具体像差的定义构建具体的操作数来校正像差，但实际操作时由于参考文献清晰度太低放弃了此尝试。
另外，在老师给的资料20广东海洋大学中看到“消色差单透镜”的实例，于是想结合自己的设计要求把色差校正，然而最后才发现无法设定想要的焦距和其他一些问题，所以也只能放弃。
但幸运的是，最后在“光行天下”论坛里找到了MEF算符对本次的像差不起作用的原因———单个透镜无法校正球差、色差、场曲、像散，但可以在透镜前增加光阑并同时增加场镜（我尚不了解其概念）来改善像散，场曲则多数情况下用像散来补偿（尚不懂），至于球差，则可以增加一个负透镜来抵消本次正透镜产生的正球差，等等。
直到那时我的迷惑才得以解开，真是踏破铁鞋无觅处。
同时，这次的教训也印证了一条定理，那就是个人力量是有限的，就像陈老师所说，虽然在大学里锻炼自学能力固然重要，但我们主要不是靠自学，特别是在课堂上。
遇到问题时及时查阅资料绝对是好的学习方法另外，这次设计中还存在不足及迫待改进的地方。
首先，自己在遇到问题查阅书本文献时更倾向于一次把相关的章节部分看完（基本能看懂的情况下），并自以为已经掌握得差不多接着就可以直接运用了，但到真正运用时又发现很多对之前以为弄懂了的基本的概念和方法等只有一个模棱两可的认识或似是而非的观点，然后又要重新深入去探究相关的内容，从而浪费了很多时间和精力。
例如这次在分析像差曲线时，我先把在网上找到的“ZEMAX像差深入分析”WORD文档从头到尾看了一遍并感觉良好，但等到分析自己结果时才发现有很多遗忘的点和之前分析不到位的内容，因此不得不再次翻阅该文档。
究其原因，我认为一部分是自身急于求成，不愿以稳打稳扎的态度来学习的心理造成的，另一部分，很明显，则是未能摆脱填鸭式教育阴影的后果，这一点我很早前就已认识到了，但发现错误也只是改正错误的第一步而已。
还有一部原因，是我在查阅资料时一直喜欢一次找到几份类似的文献，对比之后再做决定，无非是出于对信息的片面性和优劣性的担忧。
或许我的这种担忧有点过吧！同时，在参考别人的设计报告时也有不少的感触。
尤其是在设计要求的难度和复杂性上，之所以这样说，是因为看到了其它与本校层次相近的高校的设计报告无论在任务书的难度或是复杂性上都比我们的更具优越性，毫无疑问，学生在高要求下学到的知识和21李力飞能力的提升也是巨大的。
相比之下，我们只是简单地通过机械模仿甚至复制粘贴就可以“完成任务”，试问这课程设计的意义能有多大？当然，我并不否认学校，老师考虑到学生能力不足从而自然而然地降低了及格线（不少老师反映我们专业的学生学习积极性近年来确实下降），但这种顾虑，我觉得在多数情况下都是多余的（甚至是借口），在这我引用“知乎”上一句名言：“以我们大多数人的努力程度之低，根本还轮不到拼智商的地步”。
陈老师平时对我们的要求相对来说是很高的了，所以我也并非针对个人，而是希望借此机会呼吁学校整体教育工作者能担起传道授业解惑的光荣使命，让自己的学生真正学有所成。