黄慧杰-光学设计实例

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1、光学设计——光学设计实例中国科学院上海光学精密机械研究所2008年10月通过设计实例，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用。介绍光学设计软件ZEMAX的基本使用方法，设计实例通过ZEMAX来演示。意图光学设计软件ZEMAX简介单透镜双胶合透镜非球面单透镜显微镜物镜双高斯照相物镜公差计算（具体的应用实例——视情况而定）主要内容美国ZEMAXDevelopmentCorporation研发ZEMAX是一套综合性的光学设计软件，集成了光学系统所有的概念、设计、优化、分析、公差分析和文件管理功能。ZEMAX所有的这些功能都有一个直观的接口，它们具有

2、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。ZEMAX有两种不同的版本：ZEMAX-SE和ZEMAX-EE，有些功能只在EE版本中才具有。ZEMAX可以模拟序列性（Sequential）和非序列性（non-sequential）系统，分别针对成像系统和非成像系统。ZEMAX简介光学设计过程计算机的出现，极大地促进了光学设计进程；大多数光学设计程序的本质如下：每个变量发生少量改变或增减；计算每个变量对结果的影响；计算结果是一系列导数，əp/əv1,əp/əv2,əp/əv3,……,p:优化函数结果，v:变量；为了使残余结果的平方和最小，对每个变量联立方程求解；重复上述过程直至实现最优化。

3、光学设计人员的任务获得并考虑技术要求选择具有代表性的切入点前期设计、专利、建立联系、原始推导建立变量和约束变量包括：曲率半径、厚度、空气隙、玻璃特性约束可能是相关结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量使用程序对结果进行优化评价设计结果重复步骤3和4直至满足设计要求如果结果不满足条件，通过添加或分离元件、变化玻璃种类等来修改设计，然后返回步骤4另一种方法是返回步骤2进行公差分析，估计结果误差——透镜加工、机械结构与装校要求数据输入的一般过程输入孔径（有几种方式，如F#，NA，Aperture，…）在屏上找到ButtonGen，按出dialogbox，选按Apertu

4、re，挑选Aperturetype，并输入数值。可以从System内选按General，按出dialogbox。可从File内选择按Preference(或Environment）出dialogbox，将常用项目的Button选放在屏上，如Gen，便于直接选用。将上述过程表示为：SystemGenAperture输入视场：SystemFie用ZEMAX进行光学系统设计输入光学系统结构数据输入波长SystemWav输入半径、厚度、玻璃EditorLensdata或从屏上已有的Lensdataeditor改数据。如屏上数据框内作doubleclick得有关dialogbox，可对现状

5、作出修改，例如：修改Surfacetype,Aperturetype，改此面为光阑，即“Makesurfacestop”;修改Radius，由fix改为Variable(优化过程中作为变量)，或由Solve给出；修改最后一面到像面的Thickness由fix改为MarginalRayHeight,Pupilzone0.7为0。GenGlasscatalogs用ZEMAX进行光学系统设计所选玻璃表是在内选定，可同时挑多个表对于Surfacetype和GlassCatalogs，在User’sGuide内都有一章叙述。当已输入足够的结构数据后，程序就可以计算出像差并分析成像质量，这基

6、本上是项目下的各种功能。＊系统结构和光路图：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内是否存在显著错误，使光路与预期完全不符，等。AnalysisFanOpticalPathRayaberration或即按ButtonLayL3dEle几何像差与波像差：AnalysisLayoutor3DLayoutElementdrawing2DLayout（零件图）或RMS各个视场的波像差均方值AnalysisRMSRMSvsField或即按ButtonRayOpd光学性能分析(Analysis)Analysis畸变和像散像面弯曲或FcdAnalysisMiscellaneousFieldCurv

7、/DistSeidel像差系数或SeiAnalysisCalculationsSeidelcoefficients或PsfPSFAnalysisPSFFFTPointSpreadFunction或MtfMTFAnalysisMTFModulationTransferFunctionAnalysis点列图AnalysisSpotDiagramsStandard或SptAnalysis或Enc能量集中度AnalysisEncircledEnergyDiffraction此程序所选用积