Zemax光学设计

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1、应用光学谭峭峰tanqf@mail.tsinghua.edu.cn清华大学精密仪器系光电工程研究所Zemax光学设计商用光学软件：Zemax,Oslo,CodeV(成像)TracePro,ASAP,LightTools(照明)FRED,VirtualLab等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。可仿真Sequential和Non-Sequential的成像系统和非成像系统。Zemax的

2、界面设计得比较容易被使用，稍加练习就能很快地进行交互设计。大部分Zemax的功能都用选择弹出或下拉式菜单来实现。拼接主镜成像分析二维色散像面棱镜抛物面镜2中阶梯光栅抛物面镜1入射孔高分辨率中阶梯交叉色散光路Zemax不能教你如何去进行镜头或光学系统的设计。Zemax程序在进行光学系统的设计和分析的时候，可以做许多事情，但是设计者仍然是你。Zemax不能完全代替工程实践。在一个设计完成之前，必须对软件所得的计算结果进行检查，以判断结果是否合理。设计实例一：单透镜设计参数要求：F/#＝4，f′=100mm，可见光，材料：BK7确定单位确定口径确定波长确定视场镜头数据

3、编辑初始界面初步设计，注意符号规则全面反映细光束和宽光束的成像质量。以光线在理想像面的交点和主光线在理想像面上交点间的距离，可以看出理想像面上像的最大弥散范围。像面到光线与光轴交点之间的距离，仅用于旋转对称系统。由于像差很大，传函计算结果不可信。优化设置变量设置评价函数设计实例二：双胶合透镜设计参数要求：F/#＝4，f′=100mm，可见光，材料：BK7和SF1优化策略建议在设计的初期，优化时不需要追迹所有的视场和波长以节省计算时间。使用视场点平衡（选择合适的视场点数目，划分为等面积的圆环，小视场：0和1；中视场：0、0.7和1；大视场：0，0.577，0.81

4、6和1）。用Solve代替Variables+Constrains。尽可能用缺省优化函数。使用边界条件控制操作数。对称系统只使用Y视场。交换MeritFunctions，以得到更佳结果。查看无用的变量。要知道哪些量在变化。用Hammer优化。如果要校正球差，可以在光瞳面附近增加非球面、二元光学面梯度折射率或元件。如果要校正视场像差，可以考虑移动光阑，或者采用上述方法。如果要校正色差，更换玻璃。如果要校正场曲，更换玻璃。……用比较好的初始结构。1、书籍2、软件数据库光学设计专利3、PWC方法求解初始结构公差分析确定半径（套模板）使用二次曲面使用二元光学结构设计实例

5、三：学习和体会Pickup功能光线通过一个透镜后遇到反射面，反射回来再通过该透镜。要求：1、透镜焦距100mm，物点在焦点处；2、反射镜到透镜距离100mm，光阑在反射镜上；3、透镜玻璃BK7，NA=0.1；4、物高10mm，一个视场点；5、波长0.55μm；6、对反射回通过透镜聚焦的弥散斑大小进行优化。CoordinateBreak：特殊的虚拟面，定义新的坐标系替代现有坐标系，定义新的光轴。通常成对使用。在Zemax的LensDataEditor中，各个面的数据只用Localcoordinates，每个面的位置都是通过沿z方向的距离(thickness)来定义

6、。尽管Zemax能够计算任何面对其他面的Globalcoordinates，但所有面都是用Localcoordinates来定义的。在Non-sequentialEditor中，所有的物体处在Globalcoordinates中。CoordinateBreak：有六个自由度，DecenterX,DecenterY,TiltaboutX,TiltaboutY,TiltaboutZ,Orderflag.Orderflag确定顺序，非0数时，顺序相反。设计实例四：学习和体会CoordinateBreak功能让第三个透镜往上移动5mm。让第三个透镜绕X转动6度。Coor

7、dinateBreak在使用时容易混淆，在使用前需要规划好。使用好CoordinateBreak可以使复杂的设计简化。在使用多重CoordinateBreak时，要注意嵌套。成对使用CoordinateBreak时，尽量使用Pickup，可以减少输入和可能的错误。如果同时有Decenter和Tilt，可以用Orderflag控制顺序。如果因为Tilt使得厚度的方向发生改变时，要注意符号的变化。Multi-configurations(多重组态、多重结构)：对于多重结构进行建模，给同一个参数不同的值。设计变焦镜头，各组元的位置不同；设计消热差系统，温度不同；多光路

8、系统，透镜阵列、干涉仪、