zemax自聚焦透镜设计学习资料
ZEMAX培训课件
编辑项目
编辑项目的方法
用户可以通过zemax的菜单栏或右键菜 单选择编辑项目，也可以通过快捷键 Ctrl+E来编辑项目。
VS
编辑项目的步骤
编辑项目时，用户可以修改项目的各种参 数，如系统名称、波长、视场等，还可以 添加或删除组件、改变组件的位置和属性 等。
光线追迹的高级功能
01
02Βιβλιοθήκη 03光线分束zemax支持对多条光线进 行追迹，并可以设置每条 光线的初始状态和属性， 如能量、偏振态等。
光学材料的分类
光学材料包括透明材料和不透明材料两大类，透明材料如玻璃、水晶等，不透 明材料如金属、陶瓷等。
光学材料的属性
光学材料的属性包括折射率、透射率、反射率、色散等，这些属性对光线的传 播和出射有不同的影响。
导入和导出文件
导入文件
zemax支持导入多种类型的文件，包括.zem文件、.opt文件、.zmx文件等，用户可以通过导入功能将这些文件导 入到zemax中。
导出文件
zemax支持导出多种类型的文件，包括.zem文件、.opt文件、.zmx文件等，用户可以通过导出功能将zemax中 的文件导出到其他应用程序中。
建立新项目
新建项目的方法
用户可以通过zemax的菜单栏或右键菜单选择新建项目，也可以通过快捷键 Ctrl+N来新建项目。
新建项目的步骤
新建项目后，用户需要选择一个模板，设置项目名称、保存路径等参数，然后就 可以开始设计光学系统了。
zemax界面主要包括菜单栏、工 具栏、项目浏览器、工作区等部 分。
工具栏包括常用工具、快捷键等 。
工作区包括设计界面和仿真界面 ，可以方便地进行光学设计和仿 真分析。
02
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AbstractThis 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绪论自聚焦透镜体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。
zemax实验学习教程
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第十九页，编辑于星期日：八点 四十分。
第三章 ZEMAX设计实例
例9 扫面镜（Scanning Mirror） 再看其3D Layout图，如图所示，此时扫描镜关于后表面倾斜。
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第二十页，编辑于星期日：八点 四十分。
第三章 ZEMAX设计实例
例10 离轴抛物镜（Off-Axis Parabolas）
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第三章 ZEMAX设计实例
例9 扫面镜（Scanning Mirror）
扫描镜分为两类：
Galvanometer反射镜和Polygon反射镜。 Galvanometer反射镜：镜面在顶点的倾斜； Polygon反射镜：在镜面顶点后面的一个偏置点处扫描。
现在移到第2面，在“tilt about x”列里输入45。 从主菜单选System，Update All，你将看到如图 所示的图形。
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第三章 ZEMAX设计实例
例8 折叠反射镜面和坐标断点
注意近轴镜片的厚度为30，位于第一个坐标断点的旋转顶点。 坐标断点的厚度是0，表示反射镜面是在同一点上。但是， 坐标断点已将坐标系统旋转了45度。镜面本身是不旋转 的，只有它所在的坐标系统，才被旋转。镜面的厚度为0， 因为我们在移到下一个面前，要旋转另一个45度。第二 个坐标断点先旋转另一个45度，然后向焦点移动-70个单位。 注意所有的倾斜和偏心处理应在厚度改变之前。
第三章 ZEMAX设计实例
例10 离轴抛物镜（Off-Axis Parabolas）
在反射镜面2的前面增加一个CB面，并设置该CB在Y方向有+80mm的平移量。
ZEMAX学习资料
•每个object都在一个空间坐标系中定义了其特性；
•需要定义光源的发光特性和位臵，定义detector收集光线； •光线一直追迹，直到它遇到下列情况才终止：
Nothing，
能量低于定义的阈值。 •计算时光学元件的相对位臵由空间坐标确定；对同一元件，可 同时进行穿透、反射、吸收及散射的特性计算； •无法作优化及公差分析； 这种情况下，可以对光线进行分光，散射，衍射，反射，折射。
系统要求
WIN98，NT，2000，XP
200Mb 以上的硬盘空间
最小的分辨率为：1024*768 一个并行口或者USB接口用来接KEY
64Mb以上内存；如果进行对象非常复杂、物理光学或散 射和照明分析时，最低要求是256MB，最好是512Mb
What is ZEMAX
ZEMAX是一个光学设计软件，它使用sequential和non-sequential的 方法模拟refractive,reflective和diffractive光线追迹。 ZEMAX用“surface”为sequential ray tracing建模；用“component” 或solid object model为non-sequential ray tracing建模。 Purely sequential ： 传统的镜头设计，和大多数成像系统; Hybrid sequential/ non-sequential(aka NSC with ports) 同时有sequential组件和non-sequential组件（如prism,pipe）的 系统; 用“ports”为光线进入和离开NS group的出入口; Purely non-sequential(aka NSC without ports) 用于illumination,scattering,stray light analysis; 不用“ports”。
ZEMAX光学设计超级学习手册-第1章
第1章ZEMAX入门ZEMAX是一款使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。
ZEMAX有3种版本：ZEMAX-SE（标准版）、ZEMAX-XE（扩展版）、ZEMAX-EE（工程版），其中ZEMAX-EE的功能最为全面。
ZEMAX的界面设计得比较简洁方便，稍加练习就能很快地进行交互设计使用。
ZEMAX的大部分功能通过都能选择弹出或下拉式菜单来实现，键盘快捷键可以用来引导或略过菜单，直接运行。
本章将要讲述ZEMAX中的有关约定的解释，界面功能的习惯用法，以及一些常用窗口操作的快捷键。
一旦学会了在整个软件中通用的、简单的习惯用法，ZEMAX用起来就很容易了。
学习目标：（1）了解界面主窗口菜单的各项功能。
（2）熟练运用快捷工具栏。
（3）熟练掌握大量光学行业中约定的解释，如优化、公差分析等。
（4）熟练掌握各对话窗口的操作，如镜头数据、波长数据等。
1.1 ZEMAX的启动与退出安装ZEMAX软件后，系统自动在桌面上产生了ZEMAX快捷图标。
同时，“开始”菜单中也自动添加了ZEMAX命令。
下面讲解ZEMAX的启动与退出。
1．ZEMAX安装成功后，需要启动ZEMAX，才能使用该软件进行设计工作。
ZEMAX 的启动有4种方式。
（1）选择“开始”菜单命令启动。
选择“开始→ZEMAX”命令，启动ZEMAX，如图1-1所示。
（2）选择桌面快捷方式图标。
安装完成，系统会在桌面上自动创建ZEMAX的快捷方式图标，双击图标便可启动ZEMAX，如图1-2所示；右键单击快捷方式图标后单击“打开”也可以启动，如图1-3所示。
如果桌面上没有快捷方式图标，可以从“开始”菜单中找到相应的程序命令发送到桌面快捷方式，如图1-4所示。
2第1章ZEMAX入门图1-1 “开始”菜单命令启动图1-2 桌面快捷方式图标图1-3 右击快捷方式启动图1-4 发送桌面快捷方式（3）选择快速方式启动。
单击任务栏快速方式图标也可以启动ZEMAX。
有关ZEMAX零基础知识必备
单透镜设计我们先为我们的系统输入波长,选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。
486，这是氢（Hydrogen）F谱线的波长，单位为微米。
波长用来计算近轴参数，如焦距，放大率等等。
“权重（Weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL率。
定义一个孔径。
这可以使ZEMAX在处理其他的事情上，知道每一个镜片该被定为多大。
由于我们需要一个F/4镜头，我们需要一个25mm的孔径（100mm的焦距除F/4）。
设置这个孔径值，选择“系统”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aper Value）”一格，输入一个值：25。
注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可选择其他类型的孔径设置。
在LDE中显示的有三个面。
物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO 表示；还有像平面，以IMA表示。
对于我们的单透镜来说，我们共需要四个面：物平面，前镜面（同时也是光阑面），后镜面，和像平面。
要插入第四个面，只需移动光标到像平面（最后一个面）的“无穷（Infinity）”之上，按INSERT键。
这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面往下移。
新的面被标为第2面。
注意物体所在面为第0面，然后才是第1（标上STO是因为它是光阑面），第2和第3面（标作IMA）。
如果曲率中心在镜片的右边为正，在左边为负。
这些符号（+100，-100）会产生一个等凸的镜片。
我们还需要在镜片焦点处设置像平面的位置，所以要输入一个100的值，作为第2面的厚度。
“光线像差（Ray Aberration）”,图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差（指的是以主光线为基准）。
左边的图形中以“EY”代替εY。
这是Y 方向的像差，有时也叫做子午的，或YZ面的。
右图以“EX”代替εX，有时也叫做弧矢的，或XZ面的。
基于ZEMAX的自聚焦透镜设计
基于ZEMAX的自聚焦透镜设计作者：宋兴来源：《山东工业技术》2014年第17期摘要：自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。
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。
自聚焦透镜是光纤传输系统中构成准直、耦合、成像系统的主要部分。
本文主要简要概述基于ZEMAX的自聚焦透镜设计。
关键词：自聚焦；ZEMAX；梯度折射率；透镜设计1 自聚焦透镜的特点自聚焦透镜（Grin Lens）又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。
具有聚焦和成像功能。
自聚焦透镜体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。
由双透镜组成的准直聚焦耦合系统中可以有较大间隙以插入滤波片、衰减片等来构成多种体积小、结构紧凑的无源器件，所以在光纤通信系统中得到越来越多的应用。
由于自聚焦透镜内部的折射率变化可以调节，当它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学元件的数量，在某些场合可以代替非球面光学元件。
此外这种光学元件的几何形状简单，容易进行光学加工，且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。
2 ZEMAX介绍ZEMAX是美国Focus Software Inc所发展出的一套综合性的光学设计仿真软件，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。
具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，还可仿真Sequential和Non-Sequential成像系统和非成像系统，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。
自聚焦透镜是由梯度折射率材质构成的，在ZEMAX的表面类型中的Gradient即是梯度透镜。
在本文中也是采用梯度透镜来模拟设计。
3 基于ZEMAX的自聚焦透镜设计自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征折射率变化由公式表述。
其中表示自聚焦透镜的中心折射率；表示自聚焦透镜的直径；表示自聚焦透镜的折射率分布常数。
zemax软件培训
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Completely non-sequential
•所有对象都是3维的； •每个对象都在一个空间坐标系中定义了其特性； •需要定义光源的发光特性和位置，定义探测器用来收集光线； •光线一直追迹，直到它遇到下列情况才终止： Nothing， 能量低于定义的阈值。 •计算时光学元件的相对位置由空间坐标确定；对同一元件，可同时进行 透射、反射、吸收及散射的计算； •无法进行优化,要进行公差分析必须实用macro；（低版本的软件不可以 优化） 这种模式下，可以对光线进行分光，散射，衍射，反射，折射的分析。
ZEMAX光学软件培 训课程
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ZEMAX简介
ZEMAX是一个使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏 振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。
ZEMAX的光学设计功能体现在使用序列模式设计传统的光学成像 系统，优化成像系统的像差，分析和评价成像的质量，给光学系 统分配合适的公差等方面。
Gregory Hallock
Practical Computer-Aided Lens Design
R. E. Fischer
Optical system design
Smith，Warren
Modern Lens Design
Laikin
Lens Design
*这次的ZEMAX软件培训目的是尽我的能力，给大家展示ZEMAX的强大
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ZEMAX不能做什么？
ZEMAX软件和使用手册都不会教您如何设计镜头和光学系统。ZEMAX
功能是很强大，但是把握光学系统的设计、引导优化函数的优化方向， 判断系统性能只能靠你自己。如果你对光学设计感兴趣，推荐书单：
zemax培训教程总教材 (1)
Dialog boxes
ZEMAX的大部分图形和文本窗口都包含有设置对话框。
数据输出
输出到到剪贴板，可以再到其它windows应用程序，如Excel等； 输出到CAD程序：支持DXF，IGES，STEP，SAT格式。 DXF： 因为不是标准格式，对其支持比较差一些； 只有在wireframe的设定中才支持。 IGES，STEP，SAT： 真正的标准； 可以输出3D solids； 可以输出为lines; 在Tool菜单栏中。
steven: steven:
ZEMAX软件培训教程
国内外光学设计软件情况
※国内情况： • 北京理工大学(SOD)，南京理工大学等自编光学设计软件。 ※国外情况： • Optical Research Associates: Code V
•
Lambda: OSLO等。
ZEMAX已经成为当今使用最普遍的光学 设计软件
Surface data的符号规则
• 镜头数据（Lens Data）：曲率半径、厚度、材质和其他参数。
各量符号规定：
+ —
+ + — —
• Thickness：从左到右距离为正，否则为负。
Surface Type
（1）提供了近60种的光学曲面面形。主要类型有：平面、球面、标准二 次曲面、非球面、光锥面、轮胎面、折射率渐变面、二元光学面、光 栅(固定周期和变周期)、全息衍射元件、Fresnel透镜、波带片等。
ZEMAX概述
ZEMAX简介（I）
Focus Software 公司产品——光学镜头设计和光学系统分析软件 版本有三个等级： ＊ZEMAX—SE(标准版)
＊ZEMAX—XE(完整版)
zemax培训教程2讲课文档
义多重结构参数； • Tolerance Data editor：定义和编辑公差数据；
• Extra Data editor: 需要很多参数的surface data的扩展； • Non-sequential component editor: 定义和编辑NSC sources,
objects, detectors。
• Purely non-sequential(aka NSC without ports)
用于illumination,scattering,stray light analysis; 不用“ports”。
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现在十一页，总共四十七页。
Ray Tracing的3种方式（I）
（1）Purely Sequential：用于传统的透镜成像系统设计； •以光学面（surface）为对象来构建光学系统模型； •光线从物面开始（常为surface 0） •按光学面的顺序计算（surface 0,1,2…），对每个光学面只 计算一次；
•每个面都有物空间和像空间； •需要计算的光线少，计算速度快； •可进行analysis,Optimization及Tolerancing；
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现在十二页，总共四十七页。
Sequential system例子
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现在十三页，总共四十七页。
Ray Tracing的3种方式（II）
《zemax培训教程》课件
介绍 Zemax 中光场模拟的方法，包括建立光学模型、设置模拟参数、进行模拟计算等。同时，介绍 Zemax 中进行光场模拟的技巧，如使用蒙特卡洛光线追迹、考虑光源波动、控制模拟精度等。
Zemax光场模拟实例
zemax与其它光学设计软件比较
06
Zemax与CodeV比较
Zemax与Lighttools比较
zemax lm
zemax sd
zemax ts
1
Hale Waihona Puke zemax的市场地位2
3
zemax是全球最大的光学设计软件公司之一，其软件被广泛应用于消费电子产品、医疗器械、汽车、航空航天等领域。
zemax也是全球最大的照明设计软件公司之一，其lm软件被广泛应用于汽车、建筑、照明器具等领域。
zemax还是全球最大的镜头设计软件公司之一，其sd软件被广泛应用于相机、望远镜、显微镜等领域。
zemax基本原理
02
zemax通过精确追踪光线在系统中的传播路径，以模拟真实光学系统的成像过程。
光线追迹
zemax采用波动光学理论，包括光波的干涉、衍射和相干性等概念，以模拟光波在光学元件上的传播。
波动光学理论
zemax光路模拟原理
优化变量
01
zemax优化的变量通常包括镜片的形状、位置和角度等，以实现对系统性能的优化。
总结词
通过 Zemax 进行照明设计的方法和技巧
详细描述
介绍 Zemax 中照明设计的方法，包括光源的选择、灯具的设计、反光罩和透镜的设计等。同时，介绍 Zemax 中进行照明设计的技巧，如使用光线追迹、优化照明分布、控制光斑形状等。
Zemax照明设计实例
总结词
通过 Zemax 进行光场模拟的方法和技巧
zemax初学宝典
我们需要瞄准通过入瞳边缘的边缘光线和通过中心的主光线。我们怎么找到这些目标点？首先我们找到光栏对 左边系统的成像。如图 5.12 所示我们用三片式近似的表示法。我们来选择光栏上的两个点，一个中心点，一个 边缘的点。由每个点出发来对光线由右向左追迹，追迹的角度是不重要的。（我们也可以如图 5.12 所示那样把 光路转过来，根据光路可逆原理）。由中心点出发的光线
1.1.2 课程种类 这是研一水平的透镜设计的入门课程。它是一门很难的，以实际动手为方向的课程。几
何光学的应用知识（例如 Hecht 和 Zajac 编写的《Optical》和 Jenkins 和 White 编写的 《Fundamentals of Optical》里所介绍的）假定你已经掌握了。照相透镜将构成课程的基本脉 络 。我们将紧跟历史的发展（从很简单到非常复杂的系统，它也是有一致性的）。规定使用 的软件是 ZEMAX，学生必须在电脑上运行 ZEMAX。所需要的数学水平并不深，代数，三 角学，几何（平面几何和解析几何），以及一些微积分知识。参考书籍的列表在附录 A。
5.3 主光线，边缘光线 对轴上点物体，通过光栏边缘的光线（入瞳和出瞳）称之为边缘光线。现在我们来看决定最大视场角
的这些点，从这些点发出的光线直接透过光栏的中心被称之为主光线，如图 5.10 所示的简单的系统。
通常，主光线以正的入射角入射（也就是说轴外的物点为-y），当 PRTE（33 页方程式 4.1 和 4.2）应 用于主光线时，这时水平杠加在变量高度和角度上：
已知： 1． 曲率 2． 厚度 3． 折射率 4． 光瞳尺寸和位置。 5． 视场角
zemax基本操作和透镜设计实验
Zemax基本操作和透镜设计一、实验目的学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。
设计一个单透镜和一个双胶合透镜。
二、实验要求1、掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。
2、掌握ZEMAX软件的用户界面。
3、掌握ZEMAX软件的基本使用方法。
4、学会使用ZEMAX的帮助系统。
三、实验内容○单透镜设计用BK7玻璃设计一个焦距为100mm的F/4单透镜，要求在轴上可见光范围内。
1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新建一个新的空白透镜。
2. 在主菜单-系统-光波长弹出的对话框中输入3个覆盖可见光波段的波长，设定主波长。
同样在系统-通用配置里设置入瞳直径值。
3. 在光阑面的Glass列里输入BK7作为指定单透镜的材料，并在像平面前插入一个新的面作为单透镜的出射面。
4. 输入相关各镜面的厚度和曲率半径。
5. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。
6. 利用Solve功能来求解镜片厚度，更新后观察各分析图的相应变化。
7. 利用主菜单-工具-优化-优化来对设计进行优化，更新后观察各分析图的相应变化。
8. 调用并建构优化函数（Merit Function），在优化后更新全部内容，然后观察各分析图的相应变化。
9. 分别调用点列图、OPD图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）来观察最优化后的成像质量。
10. 将此设计起名保存，生成报告。
优化前优化后○双胶合透镜设计以前一个实验内容设计优化后的单透镜为基础，添加一块材料为SF1玻璃的透镜来构建双透镜系统，进一步优化成像质量。
1. 插入新的平面作为第二块透镜的出射面，输入相关镜面的厚度、曲率半径以及玻璃类型值（BK7、SF1）。
2. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。
3. 沿用前例的优化函数，在优化更新后观察各分析图的相应变化，并分别对比单透镜时的点列图、OPD图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）的相应变化，观察双透镜此时的成像质量。
ZEMAX光学设计超级学习手册第2章
第2章像质评价ZEMAX提供了丰富的像质评价指标，如评价小像差系统的波像差、包围圆能量集中度；评价大像差系统的点列图、弥散圆、MTF、PSF、几何像差评价方法等。
像质评价结果也是表现形式多种多样，既有各种直观的图形表示方法，也有详细的数据报表。
我们将在本章中详细介绍。
学习目标：（1）了解分析界面中像质主窗口菜单的各项功能。
（2）熟练运用像质评价快捷工具栏。
（3）熟练掌握像质评价方法，如波前、点列图等。
（4）熟练掌握各对话框的操作，如镜头数据、波长数据等。
2.1 外形图外形图（Layout）是指通过镜头截面的外形曲线图。
主要有二维外形图、三维外形图、阴影图、原件图。
二维外形图是通过镜头YZ截面的外形曲线图；三维外形图则显示镜头系统的三维空间外形；阴影图则表示阴影的立体模型；原件图能建立光学加工图。
2.1.1 二维外形图二维外形图（2D Layout）：通过镜头YZ截面的外形曲线。
打开二维外形图对话框“2D Layout → Settings”，如图2-1所示。
图2-1 二维外形图对话框（1）First Surface：绘图的第一个面。
（2）Last Surface：绘图的最后一个面。
（3）Number of Rays：光线数目确定了每一个被定义的视场中画出的子午光线数目。
除非变迹已被确定，否则光线沿着光瞳均匀分布。
这个参数可以设置为0。
（4）Delete Vignetted：若选取，被任意面拦住的光线不画出。
（5）Suppress Frame：隐藏屏幕下端的绘画框，这可以为外形图留出更多的空间。
比例尺、地址或者其他数据都不显示。
（6）Fletch Rays：显示光线箭头。
（7）Marginal and Chief Only：只画出边缘光线和主光线。
（8）Wavelength：显示的任意或所有波长。
（9）Field：显示的任意或所有视场。
（10）Scale Factor：若比例因子设置为0，则“Fill Frame”将被选取，“Fill Frame”将缩放各面来充满画页。
zemax基本操作和透镜设计实验
Zemax基本操作和透镜设计一、实验目的学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。
设计一个单透镜和一个双胶合透镜。
二、实验要求1、掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。
2、掌握ZEMAX软件的用户界面。
3、掌握ZEMAX软件的基本使用方法。
4、学会使用ZEMAX的帮助系统。
三、实验内容○单透镜设计用BK7玻璃设计一个焦距为100mm的F/4单透镜，要求在轴上可见光范围内。
1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新建一个新的空白透镜。
2. 在主菜单-系统-光波长弹出的对话框中输入3个覆盖可见光波段的波长，设定主波长。
同样在系统-通用配置里设置入瞳直径值。
3. 在光阑面的Glass列里输入BK7作为指定单透镜的材料，并在像平面前插入一个新的面作为单透镜的出射面。
4. 输入相关各镜面的厚度和曲率半径。
5. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。
6. 利用Solve功能来求解镜片厚度，更新后观察各分析图的相应变化。
7. 利用主菜单-工具-优化-优化来对设计进行优化，更新后观察各分析图的相应变化。
8. 调用并建构优化函数（Merit Function），在优化后更新全部内容，然后观察各分析图的相应变化。
9. 分别调用点列图、OPD图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）来观察最优化后的成像质量。
10. 将此设计起名保存，生成报告。
优化前优化后○双胶合透镜设计以前一个实验内容设计优化后的单透镜为基础，添加一块材料为SF1玻璃的透镜来构建双透镜系统，进一步优化成像质量。
1. 插入新的平面作为第二块透镜的出射面，输入相关镜面的厚度、曲率半径以及玻璃类型值（BK7、SF1）。
2. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。
3. 沿用前例的优化函数，在优化更新后观察各分析图的相应变化，并分别对比单透镜时的点列图、OPD图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）的相应变化，观察双透镜此时的成像质量。
完整word版,ZEMAX光学设计超级学习手册第1章
第1章ZEMAX入门ZEMAX是一款使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。
ZEMAX有3种版本：ZEMAX-SE（标准版）、ZEMAX-XE（扩展版）、ZEMAX-EE（工程版），其中ZEMAX-EE的功能最为全面。
ZEMAX的界面设计得比较简洁方便，稍加练习就能很快地进行交互设计使用。
ZEMAX的大部分功能通过都能选择弹出或下拉式菜单来实现，键盘快捷键可以用来引导或略过菜单，直接运行。
本章将要讲述ZEMAX中的有关约定的解释，界面功能的习惯用法，以及一些常用窗口操作的快捷键。
一旦学会了在整个软件中通用的、简单的习惯用法，ZEMAX用起来就很容易了。
学习目标：（1）了解界面主窗口菜单的各项功能。
（2）熟练运用快捷工具栏。
（3）熟练掌握大量光学行业中约定的解释，如优化、公差分析等。
（4）熟练掌握各对话窗口的操作，如镜头数据、波长数据等。
1.1 ZEMAX的启动与退出安装ZEMAX软件后，系统自动在桌面上产生了ZEMAX快捷图标。
同时，“开始”菜单中也自动添加了ZEMAX命令。
下面讲解ZEMAX的启动与退出。
1．ZEMAX安装成功后，需要启动ZEMAX，才能使用该软件进行设计工作。
ZEMAX 的启动有4种方式。
（1）选择“开始”菜单命令启动。
选择“开始→ZEMAX”命令，启动ZEMAX，如图1-1所示。
（2）选择桌面快捷方式图标。
安装完成，系统会在桌面上自动创建ZEMAX的快捷方式图标，双击图标便可启动ZEMAX，如图1-2所示；右键单击快捷方式图标后单击“打开”也可以启动，如图1-3所示。
如果桌面上没有快捷方式图标，可以从“开始”菜单中找到相应的程序命令发送到桌面快捷方式，如图1-4所示。
图1-1 “开始”菜单命令启动图1-2 桌面快捷方式图标图1-3 右击快捷方式启动图1-4 发送桌面快捷方式（3）选择快速方式启动。
单击任务栏快速方式图标也可以启动ZEMAX。
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目录摘要Abstract (I)绪论 01 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AbstractThis 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绪论自聚焦透镜体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。
由双透镜组成的准直聚焦耦合系统中可以有较大间隙以插入滤波片、衰减片等来构成多种体积小、结构紧凑的无源器件，所以在光纤通信系统中得到越来越多的应用。
由于这种GRIN棒内部的折射率变化可以调节，当它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学元件的数量,在某些场合可以代替非球面光学元件。
此外这种光学元件的几何形状简单,容易进行光学加工,且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。
因此GRIN棒透镜已经被越来越多地应用于光学系统，尤其是在光纤通信领域中。
其中自聚焦透镜用于光纤之间的连接、隔离、定向耦合，波分复用、解复用器件以及光开关等显示出独特的优势。
ZEMAX是美国Focus Software Inc.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Seqential及Non-Seqential的软件。
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。
1 自聚焦透镜简介1.1自聚焦透镜渐变折射率材料有径向渐变和轴向渐变折射率材料，自聚焦透镜是使用径向渐变折射率材料制成的透镜，其折射率分布式沿径向渐变的柱状光学透镜。
具有准直、聚焦和成像功能[1]。
随着人们对于信息需求量的日益增加，光纤通信系统正以日新月异的速度迅速发展，有两类光纤通信系统备受人们青睐，一类是长途干线光纤通信系统；另一类是局域网和用户回路光纤通信系统。
在光纤局域网和用户回路通信系统中，需要用到大量的光无源及有源器件，例如：光耦合器、波分复用器、光开关和光收发器件等等。
这些器件无一例外使用了自聚焦透镜。
1.2 自聚焦透镜的特点光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。
传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，从而完成聚焦和成像功能的。
自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点[2]。
它们的光路如图1.1所示。
图1.1 普通透镜和自聚焦透镜光路自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征[3]，其折射率变化由公式1表述。
其折射率分布曲线见图1.2。
)21()(2r A N r N O -= （1） 公式（1）中：O N ——表示自聚焦透镜的中心折射率D ——表示自聚焦透镜的直径A ——表示自聚焦透镜的折射率分布常数图1.2 自聚焦透镜折射率分布曲线1.3 自聚焦透镜的主要参数截距P ——在自聚焦透镜中光束是沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即成为一个截距P 。
长度Z ——自聚焦透镜的长度为透镜两端面轴心间的距离。
折射率分布常数——自聚焦透镜的折射率沿径向分布常数。
在此可以是A 或A 。
数值孔径——孔径NA 有两种表示方式，如公式（2）所示。
22N N nSin NA O m m -==αα （2） 公式（2）中：O N ——表示自聚焦透镜的中心折射率N ——表示入射光所在介质的折射率m α ——表示入射光线的最大孔径角2 自聚焦透镜的应用由于自聚焦透镜具有端面聚焦及成像特性，以及圆柱状的外形特点，因而可以应用在多种不同的微型光学系统中，自聚焦透镜的主要功能有聚焦、准直和成像。
2.1 聚焦和准直穿透透镜在聚焦时存在着结构尺寸大，结构复杂，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺点（如图1.2.1所示），但自聚焦透镜在聚焦时克服了这些缺点。
根据自聚焦透镜的传光原理，对于Z=1/4P 截距的自聚焦透镜，当从一端面输入是一束平行光时，经过自聚焦透镜后光线汇聚在另一端面上，由球差理论可得自聚焦透镜聚焦点光斑的尺寸公式为：)(1220NA f N R π= （3）公式（3）中：R ——为焦点处光斑的半径NA ——为数值孔径f ——为焦距0N ——为轴上的折射率准直是聚焦功能的逆向运用。
根据自聚焦透镜的传光原理，对于Z=1/4P 截距的自聚焦透镜，当汇聚光从自聚焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后会转变成平行光线，自聚焦透镜的这一准直功能如图2.1所示。
图2.1 自聚焦透镜准直应用2.2 光耦合由于自聚焦透镜可以通过水平端面完成聚焦功能，加之其简单圆柱外形，使得其在进行光能量链接及转换中有着很广泛的用途，自聚焦透镜的这种聚焦功能使其能够应用于多种光耦合场所，例如：光纤和光源（如图2.2所示）、光纤和光电探测器一级光纤和光纤之间的耦合等等。
图2.2 平面自聚焦透镜耦合为了达到更好的聚焦效果，会在平端面自聚焦透镜一端面加工一个1mm~3mm的曲面，此曲面与平端面自聚焦透镜弥散斑小如图2.3所示。
因此球面自聚焦透镜可减小聚焦光斑尺寸[4]。
图2.3球面自聚焦透镜聚焦光斑图2.4中表示L1为光源或光纤到自聚焦透镜端面的距离，Z为自聚焦透镜的长度，L2为自聚焦透镜端面到光纤的距离。
为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦透镜聚焦后能够有效地耦合进光纤，需要调节L1 和L2的距离来达到最佳耦合效率。
但是，在实际耦合过程中，耦合效率要小于其理论值，其原因是耦合效率与器件的结构和使用方法有直接的关系。
图2.4 光纤传输耦合聚焦光轨迹图2.3 单透镜成像自聚焦透镜除了具备一般曲面透镜的成像功能还具备端面成像的特性。
对于P/2及1P截距的自聚焦透镜其端面成像机理如图2.5所示。
P/2截距的自聚焦透镜其端面成等大倒像，而1P截距的自聚焦透镜其端面成等大正像。
对于P/4截距的自聚焦透镜物在无穷远处时象在其后端面（只要物距远远大于透镜长度时可理解为无穷远）。
图2.5自聚焦透镜端面成像示意图2.4 自聚焦透镜阵列成像自聚焦透镜阵列（如图2.6所示）成像：当采用球面透镜组合传送大幅图象时，目的是为了得到的1∶1的像，但是其共轭距一般是焦距的4倍。
通过使用自聚焦透镜阵列，可大大缩短共轭距，使整个器件尺寸小型化；另一方面成直线排列的自聚焦透镜阵列在整条直线上的成像分辨率相同，而整个视场的传递函数值比较均匀，大大提高成像质量，同时克服了普通球面透镜在透镜外围成像的分辨率和清晰度比中心低，以及组合装配工作复杂的缺点[5]。
因此自聚焦透镜阵列成为复印机、传真机、扫描仪等仪器设备的重要器件。
图2.6 自聚焦透镜阵列成像示意图3 球面自聚焦透镜设计仿真自聚焦透镜是由梯度折射率材质构成的，在zemax的表面类型中的Gradient 即是梯度透镜。
库中有10种类型，在此选用Gradient9 符合前面原理分析中的折射率分布函数公式（1）。
3.1 确定透镜模型透镜由前端曲面和后端平面构成，梯度折射率透镜在此选择SLS-1.0。
初定的镜面如图3.1所示。
图3.1 选取镜面模型3.2 设置波长透镜的主要参数是透过率，在此选取三种波长进行仿真。
设置如图3.2所示。
图3.2 波长设定3.3数值孔径设定根据自聚焦透镜透镜尺寸为了使光线全部入射到透镜中数值孔径要略小于透镜直径。