使用ZEMAX设计的典型实例分析

使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析

武汉光迅科技股份有限公司宋家军（QQ：41258981）转载并修改

摘要

光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。

简介

ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout)

一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。

根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。

“序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。

大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。

非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。

ZEMAX的功能

ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。

序列性系统需定义视场角(field of view)、波长范围（wavelength range）和表面数据（surface date）。序列性设计的最重要参数之一，为系统孔径(system aperture)。系统孔径，常指入瞳(entrance pupil) 或孔径光栏（STO），它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。光学表面可以是折射、反射或绕射。透镜可以是由均匀或渐变折射率材质所制成。表面的下弯(sag) 可以是球面、圆锥面(conic)、非球面(aspheric)或藉由多项式或其它参数函数来定义。也包含了许多绕射光学组件模型。此外，一个使用者自定表面的功能，允许设计者以撰写程序的方式来建构任何实际的表面下弯或相位分布。

一些功能可以用来分析系统，包括数个系统绘图(layouts) 类型、汇出CAD格式的表面信息功能、光点图(spot diagrams)、光扇图(ray fan) 和光程差图、光学调制传递函数(modulation transfer function，MTF) 和点扩散函数(point spread function，PSF) 图、包围圆(encircled) 和包围矩形(ensquared) 的能量信息、像差计算( 塞德(Seidel) 和泽尼克(Zernike) )、理想或偏斜(skew) 高斯光束参数计算、极化描光和波前传播工具。

优化

序列性描光软件的关键功能即是可以快速且精确的优化一个光学设计。主要的优化技巧是以减幅最小均方根(damped least squares，DLS) 的算法为基础，并使用主动减幅(active damping)。此外，ZEMAX包括全域性优化功能，其以结合减幅最小均方根过程的优化算法为基础。优化是以使系统绩效函数(merit function) 的总值达到最小为基础。简单的说，绩效函数为一种对一个理想光学系统的数值描述。重要的是，绩效函数代表光学系统的要求性能。对于既定的设计，可以适当的选用好几个预设的绩效函数。对于成像系统，绩效函数可用来特别地针对减小光学像差，藉由限制光线在成像面上的延伸，或使从理想球面的系统波前偏差减至最小。许多其它的优化参数也用来修改标准绩效函数或建立一个使用者自定的绩效函数。

当执行优化时，ZEMAX对任何使用者建构的系统或表面参数，决定最理想的值。几乎任何参数，包括曲率、厚度、玻璃特性、非球面系数和视场或波长资料，皆可设为变数。可以对可接受的参数值范围内下限制，以确保可以轻易的建构一个合理的系统。

公差分析

在完成光学系统的设计之后，执行公差分析是重要的。公差分析为一种统计的过程，用来有系统地引入缺陷到光学设计中，以决定任何系统参数的误差对整体而言，如何影响系统性能。公差分析是必须的，因为没光学组件是光滑的，或者当设计好时，可以精确地组装系统。公差分析可用来决定每个系统参数的可接受值范围。这个信息之后可以用来决定任何系统的可能性、以公差范围内来制造、在指定的性能水平之上工作。ZEMAX包括一个广泛的、完整的公差分析算法，允许设计者自由完成任何光学设计的公差。可以决定出相对于任何性能尺寸的公差，且可以包括任何补偿因子的影响，甚至机构的部分或光学的部分将被用来组装，或系统的使用。

波前传播

几何光线追迹为一般用来描述光的传播通过一个光学系统的方法。如同先前所描述的，光线追迹对于分析许多光学系统来说，为一种非常精确的方法，然而这个模型的实用性有一

些限制。光线模型的限制是因为光线追迹而产生，每条光线是独立的，即：一条光线传播的路径是可以完全决定的，而不受其它光线的影响。光线之间不会发生干涉（interference）。若光线与一个限制孔径或遮挡物的表面相交，光线不是被挡住就是通过，但在其它方面，光线路径是不受影响的，光线不会发生绕射现象。ZEMAX包含了数个光线为基础的绕射计算，包括PSF和MTF，为包括单阶的夫琅和费（Fraunhofer）计算，波前从近场(出瞳) 传播到远场(成像面)。这些计算只可以在成像系统中执行，且在非常接近成像的表面。

当以光线为基础的方法不适用时，ZEMAX中的物理光学传播(Physical Optics Propagation，POP) 工具可用来分析系统，包括表面非常接近焦点、表面远离焦点但接近绕射孔径（diffracting apertures）和平行光的传播，或行经长距离后的近似平面波前。

使用POP，任何波前，包括高斯和混合的高阶模态光束、帽盖形(top hat) 分布或任意的使用者自定波前，皆可以传播通过任何ZEMAX的设计档案。几乎支持所有表面型态。从任何场点来的波前可插入光学系统中的任何位臵（不会仅能在已定义的物面位臵）。波前传播通过每个表面，且相位强度的信息可以在每个表面被计算。POP功能非常有用地被用于空间滤波(spatial filters)、分析光束成形的光学系统或任何其它与干涉和绕射有关的光学系统，如绕射菲涅耳区域平板(Fresnel Zone Plates)。

极化光线追迹

光可以用光线来模拟，并以位臵、方向、相位和振幅来表示之。然而，光也与电场有关。电场的方向与传播方向互相垂直，且随着时间的改变，其方向和大小亦会有所变化。当光线传播通过一个光学系统时，其极化状态一般并无需有守恒的关系存在。

当极化光线传播通过一个光学系统时，极化光线追迹可追踪光线极化的状态。介质间的界面，包括空气、玻璃和金属，会导致衰减(attenuation) 和延缓（retardance）的变化产生，和改变极化椭圆(polarization ellipse) 的形状。而入射角和波长的关系则会减少表面的传输。这些在传输相位上的变化，称为极化像差(polarization aberrations)。这些像差会导致MTF和斯奈尔比（Strehl ratio）值变小，此外亦会使得系统性能降低。实际上，这些像差并没有不同于任何其它成像的像差。ZEMAX可以在任何类型的光学表面上，完整建构出任何薄膜干涉的镀膜层。极化光线追迹的计算，包括薄膜镀膜层、体积吸收(volumetric absorption) 和波长与入射角的影响，能更精确地预测真实系统的性能。

非序列性分析

使用非序列性分析，光学组件必须以真实对象来表示，而不是以表面来表示。并允许以光线追迹的方法来决定对象被光线打到的顺序。这不仅包括对象的顺序，也包括对象上的特殊表面或小刻面(facet) 的顺序。控制杂散光、分析成像系统中的鬼影、设计照明和其它非成像光学系统时，这样的功能是重要的。

非序列性分析不会被已定义的系统孔径所限制。任何光分布种类的光源可以放臵在光学空间中的任何位臵。从任何光源发射出的光线可以朝任何有实际意义的方向传播。打到光学或机构组件上的一条特定光线的顺序，可藉由光线的位臵、目前传播的方向和其它组件的位臵来决定。被光打到的对象将是沿光线传播方向上最接近光源的对象。此外，在非序列性空间中，在每个光线表面交点上，任何光线可以分裂(split) 成任何数目的子光线。每条子光

线将与父段中的一些能量有关。这样一来，便允许追迹所有的折射、反射、散射和绕射能量路径。建构诸如菲涅耳反射的影响来分析成像系统的鬼影，和在粗糙的或光滑的机构或光学组件上建构散射面来研究杂散光影响皆是必须的。每一条子光线的能量可以藉由极化光线追迹来决定，这对研究鬼影的相对强度和建构诸如干涉仪(interferometers) 的系统，包括整形平板(shearing plates) ，是很重要的。对于散射特性，使用者可自由的指定任何表面粗糙的种类，然后分裂子光线的散射分布模型。

检测面装臵是用在非序列性分析中。检测面为奇特的表面，不是平的就是弯曲的，是用来量测入射在检测面位臵上的能量。可以赋予检测面表面性质来模仿真实检测器的效果，包括用于Narcissus分析的反馈(self-reflection)。可量测包括非同调或同调发光、同调相位和发光强度。并提供幅射度(Radiometric) 或光度(photometric) 信息。复杂的筛选功能可用于从指定的光源而来所截取的能量信息，包括仅观看鬼影、折射、反射、散射或绕射能量，并在所指定的对象上做限制。在追踪杂散光和鬼影问题上，这些筛选功能(filters) 是很重要的。所筛选的光线信息也可以用来产生以通过筛选功能为基础的光源光线数据。这个功能可以用于反向光线追迹的分析。

以上所述为ZEMAX的概述。有许多其它的功能还没有提到。我们现在将应用ZEMAX 于特定问题：一个投影系统的设计和分析，包括聚光镜(condenser) 和投影机的设计。

投影系统的设计和分析

我们将看到使用ZEMAX来设计和分析由一聚光镜配件所组成的投影系统，其能在投影镜头的输入端提供均匀的照明。一个8 mm长的灯丝光源所发出的光在经过聚光镜后，将在底片闸(film gate) 上形成均匀的能量分布。投影机会产生一个640 ×480 mm的影像到距输出端2000 mm远的屏幕上。两个次要配件中的每一个次要配件将可序列性的设计(优化)，然后将这个系统组合起来，所以能计算出整个系统的照明和成像性质。

聚光镜的设计

聚光镜必须收集从光源发出来的光，并在底片闸(film gate) 上形成均匀分布的光。此处考虑的聚光镜将由一准直镜配件所组成，用来使沿着两个透镜数组中的第一个透镜数组传播的初始光源能量平行。第一透镜数组，为场透镜数组(field array)，用于收集从延伸光源（此处是线光源）对象来的能量，和在第二或成像透镜数组(imaging array) 中的每一个透镜上的光源之重新成像(reimage)。在远距离的时候，成像透镜数组会将所有分开的光源影像，形成一部分重迭的影像；然而聚光镜取而代之的将这些重迭的光源影像重新成像在底片闸(film gate) 位臵上。对于这个设计，准直镜和聚光镜组件将完全相同于两透镜配件。这并非必要的，但对于控制成本来说是相当有用的。

透镜数组

透镜数组通常用在照明系统。每一数组会形成一个最终影像，其影像是所有独立影像的迭加。每一个透镜的形状大小将会影响最后的能量分布。对于已知孔径大小的透镜，具有较短焦距（较大的F/#）的系统将会产生较广的光分布。

投影系统通常需要两个透镜数组（也就是常用的复眼透镜）。单一透镜数组只能使用在小的光源分布。对于单一透镜数组，从延伸光源出来的离轴能量将成像在底片闸(film gate) 上的不同位臵。藉由使用一额外的场透镜数组，全部的光源影像会在底片闸(film gate)上均匀的重新组合。系统的视场角(光源大小) 会被透镜数组的F/#所限制。相当重要的是，从场透镜数组中的任何透镜出来的所有能量，需落在成像透镜数组中的相同透镜上，否则将会在底片闸(film gate) 上变模糊(blurring)，降低均匀度(uniformity)。这可由图1和图2中来看到，显示对于一延伸光源的对象，单一透镜数组和双透镜数组的照明会有所不同。

图1. 在单一透镜数组设计中的照明

图2. 双透镜数组的照明设计（第一个是场透镜数组，第二个是成像透镜数组）

数组必要条件

在设计此类的系统时需要考察数个参数，包括：

1) 在底片闸(film gate) 上所需的照明大小

2) 场透镜数组的透镜大小和位臵：

假如数组大小固定的话，较多的透镜通常会产生较好的均匀度但限制了F/#。

数组的位臵通常由机构的限制来决定。

3) 成像透镜数组的大小和位臵：

数组必须在场透镜数组的焦点上。

基于成本和装配的理由，数组通常是完全相同的。

4) 场透镜数组的焦距：

必须在第二透镜数组上成像，但没有打满光线(overfilling)。

以ZEMAX来做设计

将藉由使用ZEMAX来决定聚光镜的参数来序列性地分析这个设计。聚光镜的要求，整体来说相当复杂，且照明系统并不会形成一真实的像，故可能使得优化过程复杂化。然而，这个设计可划分成两个不同的工作，每一个都是简单的设计工作。第一个问题仅是准直镜和聚光镜的设计。从光源发出的光将会被准直，然后重新成像在底片闸(film gate) 位臵上，犹如透镜数组不存在般。将光场透镜数组成像到底片闸(film gate) 位臵上是第二个设计上的议题。合并这两个设计的结果就是最后的聚光镜装配。这种型态的设计要求可很快地以ZEMAX的多重组态功能来建构。

多重组态的设计

一个多重组态的设计是参照一光学系统，其系统是经由多于一种的模式或结构来分析。对于多重结构的分析，最普遍的应用之一就是变焦镜头(zoom lens)，其可允许光学组件的位臵以焦距或放大率为函数做改变。其它普遍的系统，包括消温差设计(athermalized designs)、多重光路系统(multi-path systems) 和扫描系统(scanning systems)。

多重组态系统的设定与单组态系统设定非常类似。多重组态编辑器是用来表示那些在不同组态间变化的设计参数。对于这个设计，我们将需要三种组态：第一个组态将建构整个系统，以致于能在底片闸(film gate) 上决定均匀度。第二个组态将用来优化相匹配的准直镜和聚光镜的光学组件。第三个组态将用来决定焦距和透镜数组的间隔。

系统参数

对于准直镜和聚光镜，选择准直镜的焦距为60 mm。光源为8 mm长的灯丝，透镜数组为84 mm的正方形，有7 x 7的透镜结构。照明斑点的要求大小为16 mm。从这些我们可以决定出数组的焦距：

重要的是，在第二透镜数组上的光源成像大小不能超出透镜组件的大小：

透镜的大小需合适于初始光源的大小。

初始系统设定

最终的透镜参数、厚度、间距、曲率等，将藉由使用ZEMAX的优化功能来决定。一个初始系统，包括基本数据，如光学表面的数目、初始材质的选定和系统孔径，必须在执行优化前提供。

准直镜和聚光镜皆是由两个透镜组件所组成。也将有两个数组式单透镜(lenslet arrays)，其上共有六个光学组件。整个系统将首先定义(结构1)，然后将提供多重组态(configuration 1) 数据。表1列出初始透镜参数。

表 1. 初始透镜参数

多重组态编辑栏可用来定义出准直镜、聚光镜和透镜数组间的不同优化参数。显示在表2中。数个列出来的多重组态参数可用来维持系统的设定对称。

表2. 多重组态参数

图3显示三种组态的初始设计。组态1在最下方，组态3在最上方。

图3. 使用三重组态的Layout图来优化聚光镜

绩效函数将使用标准的成像要求，以均方根光点大小(RMS spot size) 法，来个别对光源经过准直镜和聚光镜对成像，然后光源同时成像于场数组和底片闸的位臵。光源是藉由沿着8 mm直性范围的数个点（常取有限个间隔相同的点）光源来定义。准直镜和数组的焦距要求也将在绩效函数中控制。优化设计很容易符合设计要求。图4显示聚光镜的最后设计结果。图5显示在底片闸位臵的照明分布。结果的分布显示出在要求的16 mm正方形范围上有高的均匀度(uniformity)，而在这个范围之外能量较低。

图 4. 优化后的聚光镜Layout

图5. 在底片闸上的照明分布

投影光学

投影光学的设计是以双高斯(double Gauss) 系统为基础。系统的孔径应该与离开聚光镜后的最大输出分布相匹配。虽然系统在此已考察过特定放大率和成像位臵，但多重组态在此设计中也可以用来优化放大率和聚焦长度在某范围内的性能。此设计的聚焦长为52 mm、物空间数值孔径(object space NA) 为0.35、物高为16 mm。在全视场范围内，优化是以使均方根光点大小减到最小为基础。从长共轭系统(long conjugate) 来优化设计。在结合聚光镜到投影机设计之前，将反向做最后的计算。图6显示投影机光学的设计。放臵于距离最后一个透镜表面2000 mm的成像面将不显示。

图6. 投影镜头

系统组装

使用ZEMAX的非序列性功能来分析全部配件的要求。这将允许复杂光源分布的建构，和建构照明与幻灯片对象的投影。大部分所使用的组件可以使用ZEMAX主选单的选项，来直接转成非序列性设计。聚光镜配件将首先转换。使用序列性建构的透镜数组，其设计参数是不同于非序列性模型，所以将需要个别定义。

使用适当的工具，可转换聚光镜设计为非序列性形式。两个个别的透镜也定义为非序列性的，表示两个数组的中心组件。“复制工具(Replicator Tool) ”可用来产生每个数组的重复性组件。图7显示透镜数组的形状。每个小透镜是12 mm的正方形。

图7. 透镜数组

投影镜头现在也转换成非序列性系统。所有表面可直接转换成ZEMAX的非序性对象。新的对象可轻易的复制到非序列性组件编辑栏(Non-Sequential Component Editor) 中，并已包含了聚光镜的信息。使用放臵投影机组件相对于底片闸位臵的功能以确保所有的组件能正确的摆放。图8显示相结合的光学系统。箭头表示光源的位臵。

图8. 聚光镜和投影配件

在非序列性分析中，检测面可以放到光学系统中来分析感兴趣位臵上的能量分布。在这个系统中，感兴趣的位臵是在底片闸、成像面和成像的数组。这个信息对确保光源能量没有充满数组是很重要的。理想上，光源的成像应该是在每一个透镜上所成的像。

除了考察系统的成像性质外，非序列性分析对于杂散光和散射光分析也是有用的。机构组件，如挡板(baffles)、镜头套桶(lens barrels) 和星形轮(spiders) ，可以加入设计中。表面散射信息也可以更精确的使用于建构杂散光效应。

以分析系统的成像品质开始。将需要在准直镜的焦点建构一个延伸光源(extended source) 和在底片闸位臵放臵幻灯片模型。从光源发出的光将传播通过准直镜；打到底片闸，光传播通过投影机到成像面。任何JPG或BMP档案可以放在底片闸上，这将允许投影系统性能的真实表现。图9显示被照明的对象，而图10显示在屏幕位臵上的放大成像。为了实际示范，将使用一个延伸的高斯分布光源。

图9. 幻灯片对象（图片大小18mm×14mm）

图10. 投影系统所形成的放大成像（图片大小640mm×480mm）

对于灯丝光源(filament source)，离开光源的大部分能量是朝向离开准直镜。为了增加系统的效率，一个反射组件常放在光源之后来截取这些能量的部分，并改变方向反向朝准直镜。对于这一类的照明具，从光轴补偿光源是很重要的。这将防止重新成像的光源能量造成过热(heating) 和损坏灯丝的可能性。落在相同的成像阵组件上的灯丝成像仍然是必须的。这个系统显示在图11中。

图11. 补偿灯丝光源在第二个数组上的成像

下一步的设计将包括加入镜头夹具(mounts)、挡板(baffles) 和其它机构组件，并使杂散光和鬼影减到最小。可以使用ZEMAX本身的对象或汇入CAD软件所设计的对象来建构这些组件，以便做更进一步的分析。

结论

ZEMAX这套软件有很强大的功能，对于成像系统和分析照明系统的整体表现，包括杂散光和散射光，可当作设计和优化的工具。投影系统的设计，可用来验证这些功能如何让光学工程师能几乎毫无隔阂的在不同的分析模式下使用。

zemax自聚焦透镜设计

目录 摘要................................................................ I Abstract........................................................... II 绪论. (1) 1 自聚焦透镜简介 (2) 1.1自聚焦透镜 (2) 1.2 自聚焦透镜的特点 (2) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3) 2 自聚焦透镜的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8) 3.1 确定透镜模型 (8) 3.2 设置波长 (8) 3.3数值孔径设定 (9) 3.4 自聚焦透镜光路 (9) 4 优化参数 (10) 4.1光线相差分析 (10) 4.2聚焦光斑分析 (12) 4.3 3D模型 (12) 结束语 (13) 致谢 (14) 参考文献 (15)

摘要 本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。 关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直

Abstract This article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation

ZEMAX光学设计报告

光学设计报ZEMA 一、设计目 通过对设计一个双胶合望远物镜，学zema软件的基本应用和操作 二、设计要 的双胶合望远物镜，且相对孔径1:1设计一个全视场角1.56°，焦距1000m=13.6m要求相高三、设计过 1双胶合望远物镜系统初始结构的选 1.选 由于该物镜的全视场角较小，所以其轴外像差不太大，主要校正的像差有球差、正弦差 位置色差。又因为其相对孔径较小，所以选用双胶合即可满足设计要求。本系统采用紧 型双胶合透镜组，且孔径光阑与物镜框相重合 1.确定基本像差参 根据设计要求，假设像差的初级像差值为零，即球；正弦；位置色s 由此可得基本像差参量。那么按初级像差公式可F 1.冕牌玻璃在前0.0.80.0.8火石玻璃在前 0.008因为没有指定玻璃的种类，故暂选用冕牌玻璃进行计1.选定玻璃组 鉴玻璃的性价比较好，所以选作为其中一块玻璃。查表发现0.00 0.030.008Z组合，此时对应最接近的组合。此系统选 Z组合 的折射的折射0.038311.6721.516Z 1.74.284070.0609 2.009402.4 求形状系1.

考虑到任何实际的透镜组总是有一定的厚度，因此需要把薄透镜组转换成后透镜组 100m1/110m。选用压圈方式根据设计要，则通光口 3.m，由此可求得透镜组定透镜组，该方式所需余量由《光学仪器设计手册》查得103.m外径 对于凸透镜而言；假分别为球面矢高为折射球面曲率半径为透镜外径如图所示， 由上式可求。将所求的的结果代入下式中可求得凸透镜最小2.62.1 缘厚103.4.88.m11 利用下式可求得凸透镜的最小中心厚 m10.01.02.611.6 对于凹透镜而言：先求，再代入下式中可求得凹透镜最小边缘厚1.0.02.6103.11.6m11利用下式可求得凹透镜的最小中心厚不变的条件下进行薄透镜变换成后透镜时，应保

zemax自聚焦透镜设计

目录 摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... I I 绪论 . (1) 1 自聚焦透镜简介 (2) 1.1自聚焦透镜 (2) 1.2 自聚焦透镜的特点 (2) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3) 2 自聚焦透镜的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8) 3.1 确定透镜模型 (8) 3.2 设置波长 (8) 3.3数值孔径设定 (9) 3.4 自聚焦透镜光路 (9) 4 优化参数 (10) 4.1光线相差分析 (10) 4.2聚焦光斑分析 (12) 4.3 3D模型 (12) 结束语 (13) 致 (14) 参考文献 (15)

摘要 本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。 关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直

ZEMAX光学设计讲义

实验一：单镜头设计(Singlet) 实验目的： 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data） 3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤： 1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波长为可见光， 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它 是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。 3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data， 键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第 二、三行键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587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。 4、确定透镜的孔径大小。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，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue上键入25，然后点击ok。 5、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即孔径光阑aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是点击IMA栏，选取insert，就在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。 6、输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接键入BK7即可。 7、孔径的大小为25mm，则第一镜面合理的thickness为4，在STO列中的thickness栏上直接键入4。 Zemax的默认单位是mm 8、确定第1及第2镜面的曲率半径，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。再令第2面镜的thickness为100。

zemax自聚焦透镜设计学习资料

目录摘要Abstract............................................................ I 绪论. 0 1 自聚焦透镜简介 (1) 1.1自聚焦透镜 (1) 1.2 自聚焦透镜的特点 (1) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (2) 2 自聚焦透镜的应用 (3) 2.1 聚焦和准直 (3) 2.2 光耦合 (4) 2.3 单透镜成像 (5) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (5) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (7) 3.1 确定透镜模型 (7) 3.2 设置波长 (7) 3.3数值孔径设定 (8) 3.4 自聚焦透镜光路 (8) 4 优化参数 (9) 4.1光线相差分析 (9) 4.2聚焦光斑分析 (11) 4.3 3D模型 (11) 结束语 (12) 致谢 (13)

参考文献 (14)

摘要 本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。 关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直

Abstract This article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation

镜头设计

光学镜头设计 自 聚 焦 透 镜 姓名：董杏杰 学号：120514130 专业：12级光伏 2015年6月22日

光学系统的设计要求 任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求，因此，在我们进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求，这些要求概况起来有以下几个方面： 一、光学系统的基本特性 光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；视场角或线视角；系统的放大率或焦距。此外还有这些基本特性相关的一些参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。 二、系统的外形尺寸 外形尺寸也就是系统的横向尺寸和纵向尺寸。在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。 三、成像质量 成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成像质量。 四、仪器的使用条件 在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上可实现的可能性。如生物显微镜的放大率m要满足500NA≤m≤1000NA条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。 光学系统的设计过程 所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为四个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。 一、外形尺寸计算 在各个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段成为外形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理，过高的要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计

光学系统设计zemax初级教程

光学系统设计（Zemax初学手册） 内容纲目: 前言 习作一：单镜片(Singlet) 习作二：双镜片 习作三：牛顿望远镜 习作四：Schmidt-Cassegrain和aspheric corrector 习作五：multi-configuration laser beam expander 习作六：fold mirrors和coordinate breaks 习作七：使用Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces 前言 整个中华卫星二号「红色精灵」科学酬载计划，其量测仪器基本上是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计和测试是整个酬载发展重要一环。 这份初学手册提供初学者使用软件作光学系统设计练习，整个需要Zemax光学系统设计软件。它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译，由蔡长青同学完成，并在Zemax E. E. 7.0上测试过。由于蔡长青同学不在参和「红色精灵」计划，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿和独立检验，整个内容已在Zemax E. E. 8.0版上测试过。我们希望藉此初学手册（共有七个习作）和后续更多的习作和文件，使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。（陈志隆注） (回内容纲目) 习作一：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。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aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA 就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面 (surface)，于是在STO栏上，选取insert cifter，就在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。 再来如何输入镜片的材质为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。而描述chief ray angle solves

ZEMAX光学设计报告材料

ZEMAX 光学设计报告 一、设计目的 通过对设计一个双胶合望远物镜，学会zemax 软件的基本应用和操作。 二、设计要求 设计一个全视场角为1.56°，焦距为1000mm ，且相对孔径为1:10的双胶合望远物镜，要求相高为y`=13.6mm 。 三、设计过程 1.双胶合望远物镜系统初始结构的选定 1.1选型 由于该物镜的全视场角较小，所以其轴外像差不太大，主要校正的像差有球差、正弦差和位置色差。又因为其相对孔径较小，所以选用双胶合即可满足设计要求。本系统采用紧贴型双胶合透镜组，且孔径光阑与物镜框相重合。 1.2确定基本像差参量 根据设计要求，假设像差的初级像差值为零，即球差0'0=L δ；正弦差0'0s =K ；位置色差 0'0=FC l δ。那么按初级像差公式可得0===∑∑∑I I I I C S S ,由此可得基本像差参量为 0===I ∞ ∞C W P 。 1.3求0P )(() ?? ?? ?+-+-=∞∞∞∞ 火石玻璃在前时 冕牌玻璃在前时 2 2 02.085.01.085.0W P W P P 因为没有指定玻璃的种类，故暂选用冕牌玻璃进行计算,即0085.00-=P 。 1.4选定玻璃组合 鉴于9K 玻璃的性价比较好，所以选择9K 作为其中一块玻璃。查表发现当000.0=I C ,与 0085.00-=P 最接近的组合是9K 与2ZF 组合，此时对应的038.00=P 。此系统选定9K 与

2ZF 组合。 9 K 的 折 射 率 5163 .11=n ， 2 ZF 的折射率 6725 .12=n ， 038319.00=P ,284074.40-=Q ,06099.00-=W ，009404.21=?，44.2=A ,72.1=K 。 1.5求形状系数Q 一般情况下，先利用下式求解出两个Q 的值： A P P Q Q 00-±=∞ 再与利用下式求的Q 值相比较，取其最相近的一个值： ) (1 20 0+-+ =∞ A P W Q Q 因为 0P P ≈∞ ，所以可近似为284074.40-==Q Q ,06099.00-==∞ W W 。 1.6求归一化条件下的透镜各面的曲率 ()()?????????-=--+-==-=-+=+===-+-?=+-==77370.011 1127467 .2284074.4009404.21 61726.1284074.415163.1009404 .25163.111221233 12211111n Q n n r Q r Q n n r ?ρ?ρ?ρ 1.7求球面曲率半径 ???? ?????-=-='=-=-='==='=491.129277370.01000 624.43927467.21000330.61861726.110003322 11ρρρf r f r f r 1.8整理透镜系统结构数据 视场0136.0tan -=ω（负号表示入射光线从光轴左下方射向右下方），物距-∞=L （表示物体在透镜组左侧无穷远处），入瞳半径mm h 50=，光阑在透镜框上，即入瞳距第一折射

用zemax设计光学显微镜 光学系统设计实验报告

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110 3.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

光纤与激光基础知识_肖

1、光纤传输条件 全反射条件 为了使光波在传输过程中光能量损耗尽可能小，需使光束在光纤内部传输时发生的内反射满足全反射条件。 谐振条件（相位条件） 考虑两列向前（光束分波前）传播的相干光在某一时刻的相位差及叠加情况，它们产生沿垂直于光纤光轴分布的相位差。这两列波产生谐振，或者相互减弱，这就是并非所有满足全反射条件的光波都能在光纤内部形成稳定的传输。 能够在光纤内稳定传输的光波，除了要满足全反射条件外，还要满足谐振条件－相长干涉条件，光波的入射角应满足： πδδθm nk i 2cos 2210=++ 才能在光纤内部形成稳定传输。对于给定光纤，能够在内部稳定传输的光波 之入射角i θ仅仅取一些分立值。 每个i θ值对应一个m 值，称为光纤内光场分布的一种模。 2、光纤的色散 光纤色散是决定光纤传输带宽的重要参数，限制传输容量、决定最大中继距离。光纤色散是指输入光脉冲在光纤中传输时由于各波长的群速度不同而引起光脉冲展宽的现象，即传输延时。光纤色散的存在使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。色散对数字信号通信的影响：目前光纤通信都采用脉冲编码形式，由于不同波长光波在介质中传播速度不一致，从而使得不同波长光波到达光纤终端时产生延时差。由于各个波长成分到达的时间先后不一致，因而使叠加后的脉冲加长了，这叫脉冲展宽。传输距离越远脉冲展宽现象越严重，比特率越低。光纤不是用来传输单个脉冲的，而是用来传输一个脉冲序列，要把宽度几乎为零的脉冲序列传输到接收端，要在接收端把这个脉冲序列区分开来，则脉冲序列的重复频率—即为比特率。 光纤色散可以分为三类：材料色散、波导色散、模间色散，光纤色散（延时差）是这几类色散（延时差）之和。

使用ZEMAX设计的典型实例分析剖析

使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 武汉光迅科技股份有限公司宋家军（QQ：41258981）转载并修改 摘要 光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。 简介 ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout) 一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。 根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。 “序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。 大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。

ZEMAX光学辅助设计简明教程 2

ZEMAX光学辅助设计简明教程 沈常宇 中国计量学院光电子技术研究所

目录 第一章引言 (3) 第二章ZEMAX的基本界面及文件菜单 (4) 第三章编辑菜单 (6) 第四章系统菜单 (12) 第五章分析菜单 (17) 第六章工具菜单 (29) 第七章报告菜单 (36) 第八章宏指令菜单 (38) 第九章扩展命令菜单 (39) 第十章表面类型简介 (40) 第十一章设计优化实例 (46) 第一章引言 对于实际的光学系统来说，它的成像往往是非完善成像，对于怎样来判断一个光学系统的性能的优劣，是光学设计中遇到的一个重要问题.在当前计算机辅助科研、教学的迅猛发展过程中，计算机辅助光学系统设计已成为光学设计不可缺少的一种重要手段.其中，由美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件ZEMAX，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，是套可以运算Sequential及Non-Sequential的软件.其主要特色有分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG．．．等，也可存成文字文件*.txt；优化：表栏式merit function 参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用；公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义；报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件. 但是，这里必须强调一点的是，ZEMAX软件只是一个光学设计辅助软件，也就是说，该软件不能教你怎么去进行光学设计，而只是能对你设计的光学系统进行性能的优化以达最佳成像质量.所以，在应用本教程进行光学辅助设计之前，您最好先学习一下光学设计的有关知识：首先是几何光学基础，几何光学是光学设计的基础.要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理，外形尺寸计算方法，了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程.实际光学系统大多由球面和平面构成.记住共轴球面系统光轴截面内光路计算的三角公式，了解公式中各参数的几何意义是必要的，具体公式可参考有关光学书籍，在此就不一一介绍了.对于平面零件有平面反射镜和棱镜，它们的主要作用多为改变光路方向，使倒像成为正像，或把白光分解为各种波长的单色光.在光学系统中造成光能损失的原因有三点：透射面的反射损失、反射面的吸收损失和光学材料内部的吸收损失.其次是像差理论知识，对于一个光学系统，一般存在7种几何像差，他们分别是球差、彗差、像散、场曲、畸变和位置色差以及倍率色差.另外，还必须了解一点材料的选择和公差的分配方面的知识，以及一些光学工艺的知识，包括切割，粗磨，精磨，抛光和磨边，最后还有镀膜和胶合等. 第二章 ZEMAX的基本界面及文件菜单 §2.1 ZEMAX的基本界面 ZEMAX的基本界面比较简单，如下图所示. 包括一系列文件菜单和工具按钮.以及一个镜头数据编辑对话框.

zemax光学设计书汇总

广东工业大学物理与光电工程学院 ZEMAX软件和像差设计 [光学器件CAD] 应用光学和光学工程教研组 2013/9/2 1

前言 广东省的经济发展环境和产业分布特点吸引了众多的光学光电相关企业的进驻。国家的“节能减排”政策又大力促进了材料，半导体和照明产业的新一轮的改革和投入。例如，在LED节能照明，激光制版和光电子信息产业方面，无论是企业的数量还是企业对经济发展的贡献，都有可观的增长。所以，今后几年行业对专门应用型人才的旺盛需求。广东工业大学物理与光电工程学院及时地注意到行业发展的大趋势，进行了专业培养方案的调整，增设了光学工程教研组，旨在培养光学和光机电行业企业所需光学工程方面的人才。 光学工程的课程体系包含《应用光学》（2学分），《光学器件设计》（3学分）和《光学器件CAD课程设计》（2学分）。《应用光学》主要讲授高斯光学光束变换、成像原理；《光学器件设计》主要讲授像差理论和像质评价，为后续的课程设计打基础；《光学器件CAD课程设计》主要讲解光学系统设计，性能分析和优化方法。 ZEMAX光学设计软件，被广泛用于公司、研究所和高校用于产品设计，研究和教学培训。2007年被引进我校的光学设计教学当中，我们在像差教学以及课程设计教学中完全使用ZEMAX软件作为分析和优化工具。ZEMAX软件让学生得到直观和形象地感知透镜光学系统的建立，像质评价指标的物理表述，像差优化和系统成形等各个过程。 内容安排：第一章ZEMAX软件简介，讲述软件的用户界面，工具栏，透镜系统的建立的基本方法，像质评价的物理意义和相关举例。第二章ZEMAX优化操作符，介绍评价函数，操作符的定义和使用。第三章ZEMAX像差设计和优化，讲解建立像差控制的评价函数，如轴上和轴外像差的评价函数以及设计实例。第四章典型光学系统的设计。 i

ZEMAX光学设计软件操作说明详解_光学设计

ZEMAX光学设计软件操作说明详解 介绍 这一章对本手册的习惯用法和术语进行说明。ZEMAX使用的大部分习惯用法和术语与光学行业都是一致的，但是还是有一些重要的不同点。 活动结构 活动结构是指当前在镜头数据编辑器中显示的结构。详见“多重结构”这一章。 角放大率 像空间近轴主光线与物空间近轴主光线角度之比，角度的测量是以近轴入瞳和出瞳的位置为基准。 切迹 切迹指系统入瞳处照明的均匀性。默认情况下，入瞳处是照明均匀的。然而，有时入瞳需要不均匀的照明。为此，ZEMAX支持入瞳切迹，也就是入瞳振幅的变化。 有三种类型的切迹：均匀分布，高斯型分布和切线分布。对每一种分布（均匀分布除外），切迹因素取决于入瞳处的振幅变化率。在“系统菜单”这一章中有关于切迹类型和因子的讨论。 ZEMAX也支持用户定义切迹类型。这可以用于任意表面。表面的切迹不同于入瞳切迹，因为表面不需要放置在入瞳处。对于表面切迹的更多信息，请参看“表面类型”这一章的“用户定义表面”这节。 后焦距 ZEMAX对后焦距的定义是沿着Z轴的方向从最后一个玻璃面计算到与无限远物体共轭的近轴像面的距离。如果没有玻璃面，后焦距就是从第一面到无限远物体共轭的近轴像面的距离。 基面 基面（又称叫基点）指一些特殊的共轭位置，这些位置对应的物像平面具有特定的放大率。基面包括主面，对应的物像面垂轴放大率为＋1；负主面，垂轴放大率为－1；节平面，对应于角放大率为+1；负节平面，角放大率为－1；焦平面，象空间焦平面放大率为0，物空间焦平面放大率为无穷大。 除焦平面外，所有的基面都对应一对共轭面。比如，像空间主面与物空间主面相共轭，等等。如果透镜系统物空间和像空间介质的折射率相同，那么节面与主面重合。 ZEMAX列出了从象平面到不同象方位置的距离，同时也列出了从第一面到不同物方平面的距离。 主光线 如果没有渐晕，也没有像差，主光线指以一定视场角入射的一束光线中，通过入瞳中央射到象平面的那一条。注意，没有渐晕和像差时，任何穿过入瞳中央的光线也一定会通过光阑和出瞳的中心。 如果使用了渐晕系数，主光线被认为是通过有渐晕入瞳中心的光线，这意味着主光线不一定穿过光阑的中央。如果有瞳面像差（这是客观存在的），主光线可能会通过近轴入瞳中心（如果没有使用光线瞄准）或光阑中央（如果使用光线瞄准），但一般说来，不会同时通过二者中心。如果渐晕系数使入瞳减小，主光线会通过渐晕入瞳中心（如果不使用光线瞄准）或者渐晕光阑中心（如果使用光线瞄准）。 常用的是主光线通过渐晕入瞳的中心，基本光线通过无渐晕的光阑中心。ZEMAX不使用基本光线。大部分计算都是以主光线或者中心光线作为参考。优先使用中心光线，因为它是基于所有照射到象面的光线聚合效应，而不是基于选择某一条特殊光线。 坐标轴（系）

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ZEMAX光学设计软件操作说明详解_光学设计.txt9母爱是一滴甘露，亲吻干涸的泥土，它用细雨的温情，用钻石的坚毅，期待着闪着碎光的泥土的肥沃；母爱不是人生中的一个凝固点，而是一条流动的河，这条河造就了我们生命中美丽的情感之景。ZEMAX光学设计软件操作说明详解 介绍 这一章对本手册的习惯用法和术语进行说明。ZEMAX使用的大部分习惯用法和术语与光学行业都是一致的，但是还是有一些重要的不同点。 活动结构 活动结构是指当前在镜头数据编辑器中显示的结构。详见“多重结构”这一章。 角放大率 像空间近轴主光线与物空间近轴主光线角度之比，角度的测量是以近轴入瞳和出瞳的位置为基准。 切迹 切迹指系统入瞳处照明的均匀性。默认情况下，入瞳处是照明均匀的。然而，有时入瞳需要不均匀的照明。为此，ZEMAX支持入瞳切迹，也就是入瞳振幅的变化。 有三种类型的切迹：均匀分布，高斯型分布和切线分布。对每一种分布（均匀分布除外），切迹因素取决于入瞳处的振幅变化率。在“系统菜单”这一章中有关于切迹类型和因子的讨论。 ZEMAX也支持用户定义切迹类型。这可以用于任意表面。表面的切迹不同于入瞳切迹，因为表面不需要放置在入瞳处。对于表面切迹的更多信息，请参看“表面类型”这一章的“用户定义表面”这节。 后焦距 ZEMAX对后焦距的定义是沿着Z轴的方向从最后一个玻璃面计算到与无限远物体共轭的近轴像面的距离。如果没有玻璃面，后焦距就是从第一面到无限远物体共轭的近轴像面的距离。 基面 基面（又称叫基点）指一些特殊的共轭位置，这些位置对应的物像平面具有特定的放大率。基面包括主面，对应的物像面垂轴放大率为＋1；负主面，垂轴放大率为－1；节平面，对应于角放大率为+1；负节平面，角放大率为－1；焦平面，象空间焦平面放大率为0，物空间焦平面放大率为无穷大。 除焦平面外，所有的基面都对应一对共轭面。比如，像空间主面与物空间主面相共轭，等等。如果透镜系统物空间和像空间介质的折射率相同，那么节面与主面重合。 ZEMAX列出了从象平面到不同象方位置的距离，同时也列出了从第一面到不同物方平面的距离。 主光线 如果没有渐晕，也没有像差，主光线指以一定视场角入射的一束光线中，通过入瞳中央射到象平面的那一条。注意，没有渐晕和像差时，任何穿过入瞳中央的光线也一定会通过光阑和出瞳的中心。 如果使用了渐晕系数，主光线被认为是通过有渐晕入瞳中心的光线，这意味着主光线不一定穿过光阑的中央。如果有瞳面像差（这是客观存在的），主光线可能会通过近轴入瞳中心（如果没有使用光线瞄准）或光阑中央（如果使用光线瞄准），但一般说来，不会同时通过二者中心。如果渐晕系数使入瞳减小，主光线会通过渐晕入瞳中心（如果不使用光线瞄准）或者渐晕光阑中心（如果使用光线瞄准）。 常用的是主光线通过渐晕入瞳的中心，基本光线通过无渐晕的光阑中心。ZEMAX不使