zemax应用举例8-牛顿望远镜

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zemax实验

第三章 ZEMAX设计实例
例9 扫面镜（Scanning Mirror）
使面2成为反折镜，透镜参照面1旋转90°角，点击tools/Coordinates/add fold mirror,打开对话框，输入如下值。
第三章 ZEMAX设计实例
例9 扫面镜（Scanning Mirror）
显示如下图。反折镜面后方所有面的厚度均变号。
现在更新3D图形窗口。图会被重画，你将看到从焦点发出的光，落在镜面上，再反弹回离近轴透镜左边40mm的焦点上。反射镜面没有被倾斜。
第三章 ZEMAX设计实例
例8 折叠反射镜面和坐标断点
要使反射镜面倾斜45度，可双击第2和4面的表面类型列，将这些面改为坐标断点，并从下拉列表中选Coordinate Break。向右滚动屏幕（用光标键或LDE底部的滚动条）直到出现参量列。在第2和4面上会有一系列的0。单击第4 面的Parameter 3列，出现列头显示“Tilt About X”。在该格上双击（确信你是在第4面上），在弹出的对话框中，下拉列表中选 Pickup作为一种求解（Solve）类型，设From Surface为2，Scale Factor为1.0。这会使第二个坐标断点旋转始终与第一个保持同样的旋转角。单击OK。注意在表格的值旁有个“P”，表明是从求解（pickup solve）中得到的。
先前的课程中讲述了如何设计一个牛顿望远镜，那一课中介绍了反射镜面和坐标断点概念，该课的重点为：

zemax学习报告

ZEMAX软件学习报告

摘要：目前我对ZAMAX光学设计软件进行了初步入门学习，简单了解了ZEMAX 光学设计软件的实际运用的几个例子，以及对其步骤进行了详细理解。对其分析和运用过程的问题进行阐述。

关键词：zemax 运用例子使用问题

引言：

ZEMAX是美国 Radiant Zemax 公司所发展出的光学设计软件，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（序列性）及Non-Sequential （非序列性）光学设计的软件。

ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计

软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，

主要运用ZEMAX光学设计软件设计了一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃的单透镜。

首先我对波长和镜片数据进行了录入，生成了光线特性曲线图。

第二步对光线特性曲线进行了优化，通过动态调整特定镜片数据（选择边缘光高），纠正其离焦。生成新的光线特性曲线。

第三步对图像进行了进一步的优化，通过对第1面的半径、第2面半径以及第2面的厚度上设置变化的标志（Ctrl+Z），称为变量，这些变量可以用离焦来补偿球差。同时对镜片定义一个评价函数（理想的镜头评价函数应为0）。

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与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与「红色精灵」计划，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验，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）与后续更多的习作与文件，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。

基于ZEMAX的反射式望远物镜设计

第26期2019年9月No.26September ，2019

基于ZEMAX 的反射式望远物镜设计

张云哲，冯

厅，王郭玲

（西安文理学院，陕西西安710065）

摘要：文章应用ZEMAX 光学软件，设计性能良好反射式望远物镜，总体可以分为两个阶段：第一个阶

段是通过对已知参数的计算，确定出系统的尺寸大小。第二个阶段是把得到的参数输入ZEMAX 中,利用ZEMAX 仿真出系统的光路配置图，通过优化处理，得到R-C 光学系统。分析模拟出的图形，证实了此次设计的R-C 系统结构合理，成像质量高，并且满足参数要求。关键词：光学设计；R-C 系统；ZEMAX 中图分类号：O439文献标志码：A 江苏科技信息

Jiangsu Science &Technology Information

基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目；项目名称：基于光场调控的光子带隙多波混频理论与实

验研究；项目编号：18JK1154。西安市科技计划项目；项目名称：基于铷原子参量放大涡旋光全光开关的研究；项目编号：2017CGWL072017CGWL18。作者简介：张云哲（1982—），男，陕西西安人，讲师，博士；研究方向：光电子。

国内外发展现状

1608年荷兰眼镜师汉斯·李波尔，无意间发现了通过调整两个透镜之间的距离看到了远方的物体后，受此启发发明出历史上第一架望远镜，从此打开了望远世界的大门［1-2］。1609年，伽利略利用他自己制造出来的望远镜对行星进行了观看，他看到了许多用肉眼看不到的奇妙景象，这些发现开拓了人们对宇宙的认知［3］。1668年，牛顿根据光线的反射规律制造出了反射式望远镜，由于反射式望远镜不存在色差，可以很好地消除球差，这一发明使得望远镜不论在理论还是实践又上了一个台阶［4-6］。1990年，在R-C 光学系统基础上进一步改进的哈勃太空望远镜成功发明，它的出现促进了天文学的进一步发展［7-9］。之后，经过众多科学家的研究，望远系统发展的越来越精细，也越来越完善。迄今为止，随着科技的快速发展，各种类型的望远系统不断地被发明制造，用途也越来越广。但由于反射式望远系统具有其他系统不可代替的地位，使得该系统的研究非但没有淡出人们视线，反而因为时间的积淀变得炙手可热，改进之后的反射式望远系统不仅被应用在天文望远镜方面，还被应用于其他各个领域。

zemax光学设计例子

在光学设计中，Zemax是一款非常受欢迎的软件，它提供了强大的工具和功能，可以帮助设计师轻松地完成各种光学设计任务。本文将通过一个具体的例子，向大家展示如何使用Zemax进行光学设计。

一、设计背景

我们假设需要设计一款望远镜，需要观察远处的星空。望远镜的主要性能指标包括放大倍率、像差和亮度。我们需要通过Zemax软件，找到最佳的光学系统方案，以达到最佳的观察效果。

二、设计步骤

1.建立基本光学系统模型：在Zemax中，我们需要建立一个基本的光学系统模型，包括望远镜的主镜和次镜。可以通过手动输入镜片数据或者使用预设的镜片库来建立模型。

2.调整参数：在Zemax中，我们可以调整各种参数来优化望远镜的性能。例如，可以通过调整放大倍率和亮度参数来找到最佳的观察效果。

3.检测像差：在调整参数后，我们需要检测望远镜的像差。Zemax 提供了强大的像差检测功能，可以帮助我们找到镜片上的缺陷和误差。

4.优化镜片：根据检测结果，我们可以对镜片进行优化。可以通过添加或删除镜片、调整镜片位置和角度等方式来改善望远镜的性能。

5.模拟观察：在完成镜片优化后，我们可以模拟观察望远镜的成像效果。可以通过调整望远镜的焦距和观察角度来查看不同情况下的成像效果。

6.调整和优化：根据模拟观察结果，我们可以再次调整和优化望远镜的设计。直到达到满意的观察效果为止。

三、设计结果

经过一系列的设计和优化步骤，我们得到了一个满意的光学设计方案。该方案包括两片反射镜，放大倍率为10倍，像差在可接受范围内，亮度较高。通过Zemax模拟观察，成像效果清晰、稳定，符合我们的预期。

ZEMAX的7个小例子

为了纠正离焦，我们用在镜片的后面的Solve来进行。SOLVES（参考“SOLVES”这一章）动态地调整特定的镜片数据。为了将像平面设置在近轴焦点上，在第2面的厚度上双击，弹出SOLVE对话框，它只简单地显示“固定（Fixed）”。在下拉框上单击，将SOLVE类型改变为“边缘光高（Marginal Ray Height）”，然后单击OK。用这样的求解办法将会调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。注意第2面的厚度会自动地调整到约96mm。现在，我们需要更新光线特性曲线图看其变化。从光线特性曲线窗口菜单，单击“更新（Update）”（在窗口任何地方双击也可更新），其光线特性曲线图如图E1-2所示。现在，离焦已消失，主要的像差是球差。注意图中比例的改变。
为了修正一阶多色差，要求有另外一种玻璃材料。这导出了我们的下一个例子，即双透镜的设计。如果你想保存此镜片以用来作为以后的评估，选择“文件（File）”菜单下的“另存为（Save as）”选项，ZEMAX会提醒你输入一个文件名。任何一个以这种方式保存的镜头都可以通过选择“文件”菜单下的“打开（Open）”选项来调用。要退出ZEMAX，请选择“文件”菜单下的“退出（Exit）”
假设要设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃。
首先，运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）,你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE，使光标移动到你想要停留的地方，或者你也可以只使用光Leabharlann Baidu键。LDE的操作是简单的，只要稍加练习，你就可以掌握.

牛顿望远镜仿真

牛顿望远镜是一种光学望远镜，它由一个凸透镜和一个凸镜组成。望远镜的设计目的是通过引导光线来放大远处物体，使其能够清晰可见。

为了进行牛顿望远镜的仿真，您可以按照以下步骤进行：

1. 确定望远镜的参数：这包括凸透镜和凸镜的焦距、直径以及

望远镜的放大倍率等。这些参数将决定您在仿真中使用的光线的路径

和放大效果。

2. 使用光学软件进行仿真：可以使用一些光学仿真软件，例如Zemax、Code V等，来进行牛顿望远镜的光学仿真。在软件中，您可以设置望远镜的参数，并根据设置的参数来确定光线的路径和聚焦效果。这些软件通常提供了丰富的工具和分析功能，可以帮助您分析望远镜

的成像质量，例如MTF曲线、畸变分析等。

3. 观察仿真结果：在进行仿真后，您可以观察望远镜的仿真结果，即从远处物体入射的光经过凸透镜和凸镜的折射和反射后聚焦在

感光器上的图像。您可以通过调整望远镜的参数，例如焦距、直径等，来观察不同参数对成像质量的影响。

通过以上步骤，您可以进行牛顿望远镜的仿真，并观察其光学性能。利用这些仿真结果，您可以优化望远镜的设计，以达到更好的成

像质量。

基于Zemax的牛顿望远镜的设计

基于Zemax的牛顿望远镜的设计 (1)

1、简介 (1)

2、优缺点 (3)

2.1优点： (3)

2.2不足： (3)

3、Zemax设计 (4)

3.1 设计要求 (4)

3.2 设计过程 (4)

4、参考与鸣谢 (9)

5、附录：望远镜的性能简介 (10)

5.1 物镜的光学特性： (10)

5.2 物镜的结构样式： (11)

5.3 系统的整体性能： (12)

1、简介

1670年，牛顿制备了第一个反射式望远镜。他使用凹面镜（球面）将光线反射到一个焦点，如图1，2。这种方法比当时望远镜的放大倍数高出数倍。

图1，2

老牛本准备用非球面（抛物面），研磨工艺所限，迫使其采用球面反射镜做主镜：将直径2.5厘米的金属磨制成一个凹面反射镜，并在主镜的焦点前放了一个与主镜成45°的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜后以90°反射出镜筒后到达目镜。如图3，4。

球面镜虽然会产生一定的象差，但用反射镜代替折射镜却是一个巨大的成功。所有的巨型望远镜大多属于反射望远镜，牛顿望远镜为反射望远镜的发展辅平了道路。从牛顿制作出第一架反射望远镜到今天，300多年过去了，人们在其中加入了其他的设计，产生了许多的变形。例如，在牛顿式望远镜中加入一组透镜，就产生了施密特-牛顿式，除此之外，还有许多的变形，但他们的基本结构都是牛顿式的。

图3，4

在今天，世界上一些最为著名的望远镜都是采用牛顿式的结构。例如，位于巴乐马山天文台的Hale天文望远镜，其主镜的尺寸为5米；W.M. 凯克天文台的Keck天文望远镜，其主镜由36块六角形的镜面拼接，组合成直径10米的主镜；还有哈勃太空望远镜，也是牛顿式望远镜。

物理光学课程设计-ZEMAX软件设计望远镜并校正像差

选择设计题目为：设计一放大率8Γ=倍的望远镜，物镜视场角24ω=，出瞳直径4D mm '=，目镜焦距225f mm '=，出瞳距离15mm ，目镜焦截距4mm ，入瞳与物镜重合。

（注：望远镜设计中物镜和目镜可以分开设计，独自校正像差）

一、设计思路以及一些计算过程：

有题目要求，选择双胶合望远物镜会比较适合。相对孔径小于五分之一，由公式以及光学设计手册选择物镜的焦距为200mm ，入瞳直径为40mm ，初始结构采用：

d 玻璃 153.1

6 1.5163，64.1 -112.93

4 1.6475，33.9 -361.68

1.5163,64.1 /

二、软件使用过程：

1.透镜结构参数，视场、孔径等光学特性参数：

初始结构表：

优化情况：

System/Prescription Data

GENERAL LENS DATA:

Surfaces : 7

Stop : 1

System Aperture : Entrance Pupil Diameter = 40

Glass Catalogs : SCHOTT

Ray Aiming : Off

Apodization : Uniform, factor = 0.00000E+000

Effective Focal Length : 320 (in air at system temperature and pressure)

Effective Focal Length : 320 (in image space)

Back Focal Length : 310.63

牛顿望远镜

牛顿望远镜
通过这个练习可以学到：使用mirrors，conic constants，coordinate breaks，three dimensional layouts， obscurations
Βιβλιοθήκη Baidu
根据设计要求输入特性参数
要求：设计一个1000mm F/5 的望远镜即镜面曲率半径为2000mm，孔径 200mm
先前我们设定的radius 的值为-2000 只是定义一个球面，若要定义一个抛物面镜，则在STO的Conic项中尚需键入-1。
“Airy ring”为一个黑圈，而光线则聚集在圈内中心上， RMS值为0。
增加Fold mirror
成像的位置很不好，它位于入射光的路径上, 若你要看这个像的话，你的观看位置刚好挡住入射光。改善的方法是在反射镜的后面再放一个折镜fold mirror。这个fold mirror 相对于光轴的倾斜角度为45 度，把像往上提离光轴；离先前的反射镜面为 800mm，即成像”距离”不变。
Coord Break面中的glass 项中显示为“- ”代表不能键入。
3D—Layout
通过3D—Layout观察新的折叠式牛顿反射镜系统。
可用左、右、上、下、Page Up和 Page Down键来控制图形的旋转。
这个设计尚可再作改善。首先，光线从物体到镜面应被显示出来。其次，落在折镜面后面的光线应该被拦去，且不允许它落在像平面上。这对于真正的系统来说，是非常重要的。

基于zemax的反射式系统的结构设计4836034

基于zemax的反射式系统的结构设计

基于zemax的反射式系统的结构设计 (2)

1. 球面和非球面 (3)

2. 典型的反射系统 (4)

2.1 牛顿望远镜（抛物面镜） (5)

2.2 经典卡塞格林系统 (6)

2.3 里奇-克列基昂（R-C系统） (8)

2.4 格里高里系统 (10)

2.5 马克苏托夫-卡塞格林式 (12)

2.6 ........................... 施密特-卡塞格林系统

2.7 .......................... 施密特弯月形卡塞格林

2.8 ........................... 达尔-奇克汉卡塞格林

2.9 ........................ 霍顿-卡塞格林（H-C系统）

2.10 ........................... 阿古诺夫-卡塞格林

2.11 ....................... 普雷斯曼-卡米歇尔卡塞格林

2.12 ................... "离轴"或"斜反射"反射镜卡塞格林

2.13 ............... 三反-卡塞格林（Three-mirror Cassegrain ）

3. 反射式的特点 ....................................................................................................................... 22 4. 参考与鸣谢 ........................................................................................................................... 22 5. 附录 (22)

望远镜实验设计报告1

一、实验目的

（1）通过设计实验，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；

（2）介绍光学设计ZEMAX 的基本使用方法，设计实验通过ZEMAX 来实现

二、实验内容及要求

(1) 设计一个8倍开普勒望远镜的目镜，焦距f’=25mm ，出瞳直径D ’=4mm ，出瞳距>22mm ，视场角2ω’=25︒；考虑与物镜的像差补偿，目镜承担轴外像差的校正，物镜承担轴上像差的校正。

（2）设计一个8倍开普勒望远镜的物镜，其焦距、相对孔径D/f ’、视场角、像

差补偿要求根据设计（1）的要求来确定，要求给出计算过程。

（3）将上述物镜与目镜组合成开普勒望远镜，要求望远镜的出射光束角像差小

约3’左右。如不符合要求，可结合ZEMAX 中paraxial 理想光学面，通过控制视觉放大倍率和组合焦距为无限大（如f ’>100000）等手段。所有设计中采用可见光（F ，d ，C ）波段。

三、实验设计方案

1、外形尺寸计算

通过“未加入棱镜”的望远镜系统计算出主要的参数：原理图如下所示：

物镜（孔径光阑）

图１表示了一种常见的望远系统的光路图。这种望远系统没有专门设置的孔径光阑，物镜框就是孔径光阑，也是入射光瞳。出射光瞳位于目镜像方焦点之外，观察者就在此处观察物体的成像情况。系统的视场光阑设在物镜的像平面处，即物镜和目镜的公共焦点处。入射窗和出射窗分别位于系统的物方和像方的无限远，各与物平面和像平面重合。 1）求物镜的焦距

根据开普勒望远镜的结构和视角放大率公式，可得方程组

''2'1lz f f L ++=

实验三基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计

一．实验目的

学会使用ZEMAX软件对典型牛顿望远镜进行优化设计。

二．实验要求

1.掌握设立反射镜、使坐标中断的方法；

2.学会使用圆锥系数来优化成像质量；

3.学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。

三．实验原理

1.牛顿望远镜基本结构：见理论课课本图6-10，抛物面主反射镜+与光轴成45度的平

面反射镜构成，是一种全反射式的望远镜物镜；

2.对于球面凹面镜成像，有F=R/2的关系；

3.圆锥系数（conic系数）：见于LDE窗口中每一行的第7列（Conic），这个系数是描

述该行所代表的面的曲面函数中的非球面二次曲面系数，决定了该行代表的面的形状，典型值对应的面形状如下：

Conic=0 球面； -1

Conic<-1 双曲面。

4.ZEMAX中关于在光路中新添加折叠反射镜仿真实现的步骤：

（1）定位置：在所需要放置反射镜的位置添加一个虚构面（空面），由反射镜要放置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；

（2）添加反射镜：从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置相关合适的参数。

5.鬼像与挡光板：

（1）鬼像：成像系统中一些非设计中的反射光线最终沿着非期望的路径达到像面后，会形成鬼像，影响成像质量。

（2）为了尽可能消除鬼像的影响，对于那些位于光路范围内的中间器件（尤其是口径小于主光路口径的），例如本例中的平面反射镜，一般需要在其前面

加一块挡光板，消除这些器件对光线不需要的反射。挡光板的口径通常要

比被挡元件的口径稍大。

（3）ZEMAX中挡光板的具体实现步骤：

基于ZEMAX软件设计望远镜系统

基于ZEMAX软件的望远镜系统设计
指导老师：孔梅梅组员：叶嘉琦 B08040903
卫晓颖 B08040901 魏润润 B08040912
目录
项目背景介绍主要研究内容及研究方法望远镜系统的设计特色与创新
总结与展望
望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。所以，望远镜是天文和地面观测中不可缺少的工具。它是一种通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统。
整体分析局部设计
基于ZEMAX软件的望远镜系统设计
光学知识及望远镜工作原理学习
ZEMAX软件使用方法学
习
设定望远镜系统设计指标
望远镜物镜的设计和优
化
望远镜目镜的设计和优化
物镜和目镜的组合

设计目标
视放大率Г=10 物镜焦距f’物=250mm 物镜入瞳直径D=40mm 目镜焦距f’目=25mm 目镜视场角2ω’=40° 目镜出瞳直径D’=4mm 根据公式 1/F数=D’/f’目可算出F数=6.25。物镜系统的像差为：球差<0.1mm，轴向色差<0.1mm。目镜系统的像差为：像散=0mm，垂轴色差=0mm，彗差 =0。

特色与创新
特色与创新点：采用ZEMAX光学设计软件实现折射式

实验newtelescope设计

牛顿牛顿望远镜望远镜

4.1 牛顿牛顿望远镜望远镜

牛顿式望远镜是一个简易的抛物线型反射镜。光线是由无限远处的物点所发出，并在焦点处形成完美(几何)像点。抛物面可提供无球差，只有轴上的高阶像差的质量。

牛顿望远镜是最简单的用来矫正轴上像差的望远镜，而且它对于阐明ZEMAX 的一些基本操作非常有用。首先，牛顿望远镜是由一个简单的抛物线形镜面组成的，而且除此之外别无它物。抛物线很好地矫正了所有阶的球差，由于我们只将望远镜使用在轴上系统，所以根本就没有其他的像差。

我们将设计焦距1000 mm ，F/5的望远镜。根据表面焦度(Power)的定义，可知曲率半径为2000 mm ，而孔径直径为200 mm 。我们将使用轴上(On-Axis)视场角及默认的波长0.55 µm 。镜面并不会产生色差，所以它并不需设罝多波长。开启新的透镜资料编辑器(LDE)，点击File->New 。

4.2 孔径孔径、、单位单位、、视场角及波长

孔径和透镜的单位可经由System->General 所弹出的对话视窗进行设罝。就孔径来说，在Aperture Type 选取「Entrance Pupil Diameter 」，然后在Aperture Value 键入「200」，此时透镜的默认单位为mm 。我们也将使用默认的视场角和波长。

4.3 键入透镜资料

望远镜需要建构三个序列性描光的面：

1、对象，定位在无限远的距离

2、镜面表面，定位在Stop的位置

3、成像面，定位在镜面的近轴焦点上

镜面表面需在Glass这个栏键入「Mirror」。在镜面表面反射后，需改变曲率半径的符号。在Stop表面的曲率半径栏内键入-2000 mm，而厚度键入-1000 mm。