应用光学(工程光学)课程设计指导书(ZEMAX)
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D=10mm； f ' =50mm； 2ω = 10° ；工作波段：0.486~0.656 μm 。
第一步骤：打开并熟悉 ZEMAX 软件
通过鼠标左键双击桌面的图标快捷键 次打开后的界面如图 1 所示，它是软件的主窗口。
标题框
打开 ZEMAX-EE 软件。首
菜单框
编辑窗口
工具框
图 1 主窗口界面 如图 1 所示，标题为“Lens Data Editor”的窗口为透镜数据编辑窗口。该 窗口可用来编辑透镜组的很多参数，如曲面面型（Type）、曲率半径（Radius）、透 镜厚度（Thickness）、玻璃材料（Glass）、径向半径（Semi-Diameter）等参数。
图 27 第一次优化后的结构
图 28 第一次优化后的 FFT MTF 从上面的两个图中可知，结构趋于合理化，FFT MTF 值得到大大提高，有的
择波长（段）并点击
图标确定。退出时，需点击“ok”，如图 10 所示。
图 9 工作波长编辑窗口 图 10 选择工作波长下拉菜单
四、设定评价函数和 EFFL 有效焦距值
按下快捷键 F6 或通过“Editors\Merit Function”路径打开“Merit Function Editor:”窗口，通过“Tools\Default Merit Function”路径打开“Default Merit Function” 默认评价函数对话框窗口如图 12 所示。
图 24 优化前的结构
图 25 优化前的 FFT MTF
选中“Semi-Diameter”列中的第一个“15.000000”，当出现
黑色背
景时，按一下快捷键“ctrl+Z”，则该单元格数值由系统自动改变。用同样的方法 对下面的两个数也各操作一次。
点击主窗口的菜单栏中的 图标，会出现优化窗口，如图 26 所示。
图 26 优化窗口 在优化窗口中我们可选择优化循环的次数，如选择点击“
”图标，
则表示循环优化 50 次。也可以选择 次优化方式等。
系统自动优化或
无限
我们现在选择
方式。优化后退出。分别点击“3D Layout”和“FFT
MTF”窗口中的
，或双击窗口中的任意位置，则数据立即更新。更新后的结
果分别如图 27 和图 28 所示。
半口径(Semi-Diameter)：设置半口径求解。
二次曲线(Conic)：设置二次曲线系数求解。
参数(Parameter)：设置参数列的求解。
变量附加标识(Variable Toggle)：把当前所选方格的状态变为可变。此操作的
快捷方式为 Ctrl-Z。
Radius 曲率半径参数设定：其下拉菜单如图 20 所示。
第三步骤：按照任务指标要求修改已选定系统的结构参数
一、修改入瞳直径值
单击主窗口的菜单栏中 图标，就会出现如图 7 所示的“General”综合透 镜数据编辑窗口。
该窗口中，“Aperture Type:”表示孔径类型；其下拉菜单中，“Entrance Pupil Diameter”表示入瞳直径；“Image Space F/#”表示像空间的 F/#；“Object Space NA” 表示物空间的数值孔径；“Float by Stop Size”表示通过光栏尺寸浮动值；“Paraxial Working F/#”表示近轴工作 F/#；“Object Cone Angle”表示物方锥形角。
图 14 设定公差路径
六、编辑透镜面型参数
当我们把“Aperture Value：”的右侧的“20”变为“10”后，标题为“Lens Data Editor”的透镜数据编辑窗口中的数据就会自动改变，改变后的结果如图 16 所示。
下面我们详细讲解如何在该窗口中编辑透镜面型参数。 图标 的下拉菜单如图 17 所示。 OBJ：物面数据行；STO：光阑数据行；IMA：像面数据行。
图 23 径向半径参数设定 Conic 表示二次曲线系数。在使用非球面面型时会用到该参数。一般对于 standard 面型，其值为零。
第四步骤：选择优化参数，优化光学系统
我们先进行一次初步优化。 在优化前先观察一下双胶合系统的三维结构参数和 FFT MTF 图。从图 24 中，
可知其光束并没有被充分利用整个透镜口径；从图 25 中，可知当空间频率为 20lp/mm 时，其 MTF 值均不超过 0.2；这说明目前的系统不能满足要求，所以要进 一步优化处理。
表格窗口，如图 13 所示。我们单击 DMFS 单元格变为选中状态，输入“EFFL” 后按回车键，系统会自动生成一行数据，如“Wave”单元格下面出现了“2”表示 该行数据为第二个工作波长对应的数据。因为任务书要求 f ' =50mm，所以，“Target” 目标值单元格的下方输入“50”，“Weight”权重值单元格的下方输入“1.0”，左键 双击“Value”单元格下面的单元格后会自动出现实际系统的现有数值。当然，我 们还可以按照相同的方法来设定波长 1 和波长 2 的数据行。
北京理工大学珠海学院 课程设计（A）——
应用光学课程设计指导书
黄振永 编
信息学院 2011 年 6 月
课程设计（A）——应用光学课程设计指导书
本指导书采用项目式教学法以实例讲解如何利用光学设计软件 ZEMAX-EE （工程版）进行典型的光学系统仿真设计。
设计任务： 请设计一个双胶合望远镜物镜，其主要的结构参数要求如下：
第二步骤：选择最相似的结构并分析其性能
请按照下面的路径寻找到文件“Doublet.zmx”并打开它： C:\\ZEMAX\Samples\Sequential\Objectives\Doublet.zmx
打开以后的界面中，会看到如图 2 所示的标题为“Lens Data Editor”的透 镜数据编辑窗口、如图 3 所示的二维的光学系统结构图和如图 4 所示轴向像差图。
图 2 某双胶合系统的编辑窗口界面
图 3 某双胶合系统的二维的光学系统结构图
图 4 某双胶合系统的轴向像差图 左键单击主窗口的菜单栏中“Mtf”快捷键，主窗口菜单栏如图 5 所示，就会 弹出“FFT MTF”基于快速傅里叶变换的调制传递函数图，如图 6 所示。
图 5 主窗口的菜单栏
图 6 某双胶合系统的基于快速傅里叶变换的调制传递函数图 我们还可以进一步查看并分析其它方式的成像质量评价结果。如依次点击主 窗口的菜单栏中的图标： 、 、 和 等。这些图标涉及的具体的成像 质量评价方法会在后续步骤中详解。
注意：在“Field Data”视场编辑窗口中输入的半视场，而不是全视场。修改 后的界面如图 8 所示。
三、修改工作波长值
因为任务书要求工作波段为 0.486~0.656 μm ，所以，我们在“Wavelength Data”
工作波长编辑窗口中修改后的结果如图 9 所示。“Primary”为权重，表示最重要的 考察波长。当我们需要其它波长（段）时，也可以从“Select->”的下拉菜单中选
如果想把某个面设为光阑面，则先选中该面数据行，再双击
，
在弹出的窗口中找到 Comment 为注释栏。
处并在其前方打钩即可。
图 18 透镜面型种类
பைடு நூலகம்
图 19 求解下拉菜单
求解(Solves)的下拉菜单如图 19 所示。
半径(Radius)：设置曲率半径求解。
厚度(Thickness)：设置厚度求解。
玻璃(Glass)：设置玻璃求解。
图 13 设置有效焦距窗口
五、设定公差
我 们 使 用 默 认 公 差 。 如 果 要 修 改 公 差 标 准 ， 可 以 通 过 “ Editors\Tolerance Data\Tools\Default Tolerances…”路径实现，如图 14 所示。默认公差数据编辑窗口 如图 15 所示。
图 11 设定评价函数路径
图 12 默认评价函数对话框窗口 如图 12 所示，一般选择“RMS”均方根评价方法。在优化的初始阶段，一般 选择“Spot Radius”点扩散半径评价指标；在优化的最后性能升华阶段，一般选择 “Wavefront”评价指标。第三个下拉菜单中：“Centroid”表示质心；“Chief Ray” 表示主光线；它们可以自由选择。退出时，点击“OK”键。随后弹出一个大数据
图 20 曲率半径求解类型 Thickness 透镜厚度（间距）参数类型设定：其下拉菜单如图 21 所示。 Fixed：选定后，其值在优化时不能改变； Variable：选定后，其值在优化时可以改变； Marginal ray height：通过设定过瞳区的近轴边缘光线到下一面上的高度设定； Chief ray height：通过设定近轴主光线到下一面上的高度设定； Pick up：通过设定与相应面的倍率关系和偏移量来设定； Optical path difference：通过设定瞳区内的近轴边缘光线与近轴主光线的光程 差来设定； Position：通过设定到相应面的距离来设定； Compenstor：通过设定与相应面的距离补偿值来设定； Center of curvature：通过设定下一面位于相应面的曲率中心来设定；
图 22 玻璃参数设定 双胶合玻璃组材料的选择参加《光学设计》（刘钧、高明编）P261-262 的附录。 Semi-Diameter 径向半径参数设定：其下拉菜单如图 23 所示。 Automatic：表示它由系统自动确定，在优化时可以改变； Fixed：表示它是固定值，在优化时不能改变； Pick up：通过设定与相应面的径向半径相同来设定； Maximum：表示由系统自动确定统一的最大径向半径，在优化时可以改变；
在图 20 中，数值“92.847066”的右侧有个字符“V”，它是个标识符，代表
该单元格表示的 Radius（曲率半径）参量在系统优化的过程中会改变。如果不想
让它参与优化，则先选中该单元格，再双击左键或单击右键，会弹出一个对话框，
在“Solve Type：”的下拉菜单中选中“Fixed”。
Marginal ray angle：（角度）通过设定近轴边缘光线角度设定曲率半径； Chief ray angle：（角度）通过设定近轴主光线角度设定曲率半径； Pick up：（面数，倍率）通过设定与相应面曲率半径的倍率关系设定曲率半径； Concentric radius：通过设定曲率半径与相应面同心来设定曲率半径； F/#：（近轴 F 数）通过设定近轴边缘光线满足 F/#条件来设定曲率半径。
图 15 默认公差数据编辑窗口
在选定的行的 下方插入一个 面数据行
删除选中的 面数据行
图 16 透镜数据编辑窗口
面型类型
在选定的行的 上方插入一个 面数据行
图 17 “Edit”下拉菜单
透镜面型有很多，如 standard（标准面型），Even aspheric（偶次项非球面）、 Odd aspheric（奇次项非球面）、Paraxial lens（理想透镜）、Fresnel（菲涅耳带非球 面）和 Gradient index（折射率渐变面）等类型，如图 18 所示。
此外，“Aperture Value：”表示光圈值。“Units”窗口用来输入镜头数据的单位， 一般不用修改。“Glass Catalogs”窗口用来选择使用哪个单位的玻璃库，一般情况 下，除了“□users”选项外都要选中。
修改为：10
图 7 综合透镜数据编辑窗口 根据任务指标要求，我们要修改的地方是“Aperture Value：”。因为任务书要 求“D=10mm”，因此在“Aperture Value：”的右侧把“20”变为“10”。
图 21 透镜厚度（间距）参数类型设定 Glass 玻璃参数设定：其下拉菜单如图 22 所示。 Model：通过设定折射率、色散系数、中部色散来设定； Pick up：通过设定与相应面的玻璃相同来设定；
Substitute：通过让 zemax 在设定的目录名中寻找适合的玻璃来设定； Offset：通过设定折射率偏移量和色散系统偏移量来设定；
二、修改视场值
单击主窗口的菜单栏中
图 8 视场编辑窗口 图标，就会弹出“Field Data”视场编辑窗口。您
会看到目前的对话窗口中只有一个零度视场的数据，现在我们来增加视场数据。 因为任务书要求 2ω = 10° ，所以，我们选择三个典型的视场数据，即： 0ω = 0° ， 0.707ω = 3.535° ，1ω = 5° 。
第一步骤：打开并熟悉 ZEMAX 软件
通过鼠标左键双击桌面的图标快捷键 次打开后的界面如图 1 所示，它是软件的主窗口。
标题框
打开 ZEMAX-EE 软件。首
菜单框
编辑窗口
工具框
图 1 主窗口界面 如图 1 所示，标题为“Lens Data Editor”的窗口为透镜数据编辑窗口。该 窗口可用来编辑透镜组的很多参数，如曲面面型（Type）、曲率半径（Radius）、透 镜厚度（Thickness）、玻璃材料（Glass）、径向半径（Semi-Diameter）等参数。
图 27 第一次优化后的结构
图 28 第一次优化后的 FFT MTF 从上面的两个图中可知，结构趋于合理化，FFT MTF 值得到大大提高，有的
择波长（段）并点击
图标确定。退出时，需点击“ok”，如图 10 所示。
图 9 工作波长编辑窗口 图 10 选择工作波长下拉菜单
四、设定评价函数和 EFFL 有效焦距值
按下快捷键 F6 或通过“Editors\Merit Function”路径打开“Merit Function Editor:”窗口，通过“Tools\Default Merit Function”路径打开“Default Merit Function” 默认评价函数对话框窗口如图 12 所示。
图 24 优化前的结构
图 25 优化前的 FFT MTF
选中“Semi-Diameter”列中的第一个“15.000000”，当出现
黑色背
景时，按一下快捷键“ctrl+Z”，则该单元格数值由系统自动改变。用同样的方法 对下面的两个数也各操作一次。
点击主窗口的菜单栏中的 图标，会出现优化窗口，如图 26 所示。
图 26 优化窗口 在优化窗口中我们可选择优化循环的次数，如选择点击“
”图标，
则表示循环优化 50 次。也可以选择 次优化方式等。
系统自动优化或
无限
我们现在选择
方式。优化后退出。分别点击“3D Layout”和“FFT
MTF”窗口中的
，或双击窗口中的任意位置，则数据立即更新。更新后的结
果分别如图 27 和图 28 所示。
半口径(Semi-Diameter)：设置半口径求解。
二次曲线(Conic)：设置二次曲线系数求解。
参数(Parameter)：设置参数列的求解。
变量附加标识(Variable Toggle)：把当前所选方格的状态变为可变。此操作的
快捷方式为 Ctrl-Z。
Radius 曲率半径参数设定：其下拉菜单如图 20 所示。
第三步骤：按照任务指标要求修改已选定系统的结构参数
一、修改入瞳直径值
单击主窗口的菜单栏中 图标，就会出现如图 7 所示的“General”综合透 镜数据编辑窗口。
该窗口中，“Aperture Type:”表示孔径类型；其下拉菜单中，“Entrance Pupil Diameter”表示入瞳直径；“Image Space F/#”表示像空间的 F/#；“Object Space NA” 表示物空间的数值孔径；“Float by Stop Size”表示通过光栏尺寸浮动值；“Paraxial Working F/#”表示近轴工作 F/#；“Object Cone Angle”表示物方锥形角。
图 14 设定公差路径
六、编辑透镜面型参数
当我们把“Aperture Value：”的右侧的“20”变为“10”后，标题为“Lens Data Editor”的透镜数据编辑窗口中的数据就会自动改变，改变后的结果如图 16 所示。
下面我们详细讲解如何在该窗口中编辑透镜面型参数。 图标 的下拉菜单如图 17 所示。 OBJ：物面数据行；STO：光阑数据行；IMA：像面数据行。
图 23 径向半径参数设定 Conic 表示二次曲线系数。在使用非球面面型时会用到该参数。一般对于 standard 面型，其值为零。
第四步骤：选择优化参数，优化光学系统
我们先进行一次初步优化。 在优化前先观察一下双胶合系统的三维结构参数和 FFT MTF 图。从图 24 中，
可知其光束并没有被充分利用整个透镜口径；从图 25 中，可知当空间频率为 20lp/mm 时，其 MTF 值均不超过 0.2；这说明目前的系统不能满足要求，所以要进 一步优化处理。
表格窗口，如图 13 所示。我们单击 DMFS 单元格变为选中状态，输入“EFFL” 后按回车键，系统会自动生成一行数据，如“Wave”单元格下面出现了“2”表示 该行数据为第二个工作波长对应的数据。因为任务书要求 f ' =50mm，所以，“Target” 目标值单元格的下方输入“50”，“Weight”权重值单元格的下方输入“1.0”，左键 双击“Value”单元格下面的单元格后会自动出现实际系统的现有数值。当然，我 们还可以按照相同的方法来设定波长 1 和波长 2 的数据行。
北京理工大学珠海学院 课程设计（A）——
应用光学课程设计指导书
黄振永 编
信息学院 2011 年 6 月
课程设计（A）——应用光学课程设计指导书
本指导书采用项目式教学法以实例讲解如何利用光学设计软件 ZEMAX-EE （工程版）进行典型的光学系统仿真设计。
设计任务： 请设计一个双胶合望远镜物镜，其主要的结构参数要求如下：
第二步骤：选择最相似的结构并分析其性能
请按照下面的路径寻找到文件“Doublet.zmx”并打开它： C:\\ZEMAX\Samples\Sequential\Objectives\Doublet.zmx
打开以后的界面中，会看到如图 2 所示的标题为“Lens Data Editor”的透 镜数据编辑窗口、如图 3 所示的二维的光学系统结构图和如图 4 所示轴向像差图。
图 2 某双胶合系统的编辑窗口界面
图 3 某双胶合系统的二维的光学系统结构图
图 4 某双胶合系统的轴向像差图 左键单击主窗口的菜单栏中“Mtf”快捷键，主窗口菜单栏如图 5 所示，就会 弹出“FFT MTF”基于快速傅里叶变换的调制传递函数图，如图 6 所示。
图 5 主窗口的菜单栏
图 6 某双胶合系统的基于快速傅里叶变换的调制传递函数图 我们还可以进一步查看并分析其它方式的成像质量评价结果。如依次点击主 窗口的菜单栏中的图标： 、 、 和 等。这些图标涉及的具体的成像 质量评价方法会在后续步骤中详解。
注意：在“Field Data”视场编辑窗口中输入的半视场，而不是全视场。修改 后的界面如图 8 所示。
三、修改工作波长值
因为任务书要求工作波段为 0.486~0.656 μm ，所以，我们在“Wavelength Data”
工作波长编辑窗口中修改后的结果如图 9 所示。“Primary”为权重，表示最重要的 考察波长。当我们需要其它波长（段）时，也可以从“Select->”的下拉菜单中选
如果想把某个面设为光阑面，则先选中该面数据行，再双击
，
在弹出的窗口中找到 Comment 为注释栏。
处并在其前方打钩即可。
图 18 透镜面型种类
பைடு நூலகம்
图 19 求解下拉菜单
求解(Solves)的下拉菜单如图 19 所示。
半径(Radius)：设置曲率半径求解。
厚度(Thickness)：设置厚度求解。
玻璃(Glass)：设置玻璃求解。
图 13 设置有效焦距窗口
五、设定公差
我 们 使 用 默 认 公 差 。 如 果 要 修 改 公 差 标 准 ， 可 以 通 过 “ Editors\Tolerance Data\Tools\Default Tolerances…”路径实现，如图 14 所示。默认公差数据编辑窗口 如图 15 所示。
图 11 设定评价函数路径
图 12 默认评价函数对话框窗口 如图 12 所示，一般选择“RMS”均方根评价方法。在优化的初始阶段，一般 选择“Spot Radius”点扩散半径评价指标；在优化的最后性能升华阶段，一般选择 “Wavefront”评价指标。第三个下拉菜单中：“Centroid”表示质心；“Chief Ray” 表示主光线；它们可以自由选择。退出时，点击“OK”键。随后弹出一个大数据
图 20 曲率半径求解类型 Thickness 透镜厚度（间距）参数类型设定：其下拉菜单如图 21 所示。 Fixed：选定后，其值在优化时不能改变； Variable：选定后，其值在优化时可以改变； Marginal ray height：通过设定过瞳区的近轴边缘光线到下一面上的高度设定； Chief ray height：通过设定近轴主光线到下一面上的高度设定； Pick up：通过设定与相应面的倍率关系和偏移量来设定； Optical path difference：通过设定瞳区内的近轴边缘光线与近轴主光线的光程 差来设定； Position：通过设定到相应面的距离来设定； Compenstor：通过设定与相应面的距离补偿值来设定； Center of curvature：通过设定下一面位于相应面的曲率中心来设定；
图 22 玻璃参数设定 双胶合玻璃组材料的选择参加《光学设计》（刘钧、高明编）P261-262 的附录。 Semi-Diameter 径向半径参数设定：其下拉菜单如图 23 所示。 Automatic：表示它由系统自动确定，在优化时可以改变； Fixed：表示它是固定值，在优化时不能改变； Pick up：通过设定与相应面的径向半径相同来设定； Maximum：表示由系统自动确定统一的最大径向半径，在优化时可以改变；
在图 20 中，数值“92.847066”的右侧有个字符“V”，它是个标识符，代表
该单元格表示的 Radius（曲率半径）参量在系统优化的过程中会改变。如果不想
让它参与优化，则先选中该单元格，再双击左键或单击右键，会弹出一个对话框，
在“Solve Type：”的下拉菜单中选中“Fixed”。
Marginal ray angle：（角度）通过设定近轴边缘光线角度设定曲率半径； Chief ray angle：（角度）通过设定近轴主光线角度设定曲率半径； Pick up：（面数，倍率）通过设定与相应面曲率半径的倍率关系设定曲率半径； Concentric radius：通过设定曲率半径与相应面同心来设定曲率半径； F/#：（近轴 F 数）通过设定近轴边缘光线满足 F/#条件来设定曲率半径。
图 15 默认公差数据编辑窗口
在选定的行的 下方插入一个 面数据行
删除选中的 面数据行
图 16 透镜数据编辑窗口
面型类型
在选定的行的 上方插入一个 面数据行
图 17 “Edit”下拉菜单
透镜面型有很多，如 standard（标准面型），Even aspheric（偶次项非球面）、 Odd aspheric（奇次项非球面）、Paraxial lens（理想透镜）、Fresnel（菲涅耳带非球 面）和 Gradient index（折射率渐变面）等类型，如图 18 所示。
此外，“Aperture Value：”表示光圈值。“Units”窗口用来输入镜头数据的单位， 一般不用修改。“Glass Catalogs”窗口用来选择使用哪个单位的玻璃库，一般情况 下，除了“□users”选项外都要选中。
修改为：10
图 7 综合透镜数据编辑窗口 根据任务指标要求，我们要修改的地方是“Aperture Value：”。因为任务书要 求“D=10mm”，因此在“Aperture Value：”的右侧把“20”变为“10”。
图 21 透镜厚度（间距）参数类型设定 Glass 玻璃参数设定：其下拉菜单如图 22 所示。 Model：通过设定折射率、色散系数、中部色散来设定； Pick up：通过设定与相应面的玻璃相同来设定；
Substitute：通过让 zemax 在设定的目录名中寻找适合的玻璃来设定； Offset：通过设定折射率偏移量和色散系统偏移量来设定；
二、修改视场值
单击主窗口的菜单栏中
图 8 视场编辑窗口 图标，就会弹出“Field Data”视场编辑窗口。您
会看到目前的对话窗口中只有一个零度视场的数据，现在我们来增加视场数据。 因为任务书要求 2ω = 10° ，所以，我们选择三个典型的视场数据，即： 0ω = 0° ， 0.707ω = 3.535° ，1ω = 5° 。