ZEMAX-光学设计实例
zemax光谱仪设计实例
zemax光谱仪设计实例Zemax是一款非常强大的光学设计软件，广泛应用于光学系统的设计和分析。
以下是一个使用Zemax设计光谱仪的实例：1. 首先，打开Zemax软件，创建一个新的光学设计文件。
2. 在Zemax的Optics Tab中，选择Wavefronts > Define Source来定义光源。
根据需要选择光源的类型（如点源、线源等），并设置其位置和大小。
3. 在Geometry Tab中，添加反射镜和面镜。
反射镜用于收集光线，面镜用于改变光线的路径。
使用Zemax的Curvature工具来定义反射镜的形状，使用Plane 工具来定义面镜。
4. 在System Tab中，添加光谱仪。
光谱仪是一个探测器，用于测量光线的波长。
在Zemax中，光谱仪通常用一个探测器模型来表示。
5. 在Optics Tab中，选择Optics > Assemble系统来组装光学系统。
这将使得光线从光源发出，经过反射镜和面镜的反射和折射，最后被光谱仪探测到。
6. 在Results Tab中，选择Simulation > Analyze来分析光学系统。
这将计算光线的传播路径，包括反射、折射、干涉等，并显示在Optics Data Tab中。
7. 在Optics Data Tab中，可以查看光线的波前图、光线图、能流图等，以评估光学系统的性能。
例如，可以查看光线的聚焦情况，以评估反射镜的面形精度。
8. 在Results Tab中，选择Simulation > Propagate来传播光线。
这将模拟光线在整个光学系统的传播过程，并显示在Optics Data Tab中。
9. 在Optics Data Tab中，可以查看光线的传播路径，以评估光学系统的性能。
例如，可以查看光线的聚焦情况，以评估反射镜的面形精度。
10. 根据分析结果，可以调整反射镜和面镜的位置和形状，以优化光学系统的性能。
可以使用Zemax的Optimize工具来自动优化光学系统。
Zemax光学设计
应用光学谭峭峰tanqf@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, Code V (成像)TracePro, ASAP, LightTools(照明)FRED, Virtual Lab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。
抛物面镜1抛物面镜2棱镜中阶梯光栅二维色散像面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：0，0.577，0.816和1）。
zemax光学设计案例
zemax光学设计案例
Zemax光学设计案例。
在光学设计领域，Zemax是一个非常优秀的光学设计软件，它能够帮助工程师
们进行光学系统的设计、优化和分析。
下面，我们将介绍一个使用Zemax进行光
学设计的案例，以便更好地了解Zemax软件的应用和优势。
在这个案例中，我们需要设计一个具有特定光学性能的摄像头透镜系统。
首先，我们需要明确设计要求和约束条件，然后利用Zemax软件进行光学系统的建模和
优化。
在建模过程中，我们需要考虑透镜的曲率、厚度、材料等参数，同时还需要考虑系统的光路布局、光学元件的位置和角度等因素。
利用Zemax的光学设计工具，我们可以对透镜系统进行快速而准确的建模和分析。
通过Zemax的光学优化算法，我们可以对系统的光学性能进行优化，以满足
设计要求。
同时，Zemax还提供了丰富的光学分析工具，可以对系统的像差、光学传递函数、热像模拟等进行全面的分析和评估。
在这个案例中，我们利用Zemax软件成功设计出了一个具有优秀光学性能的摄像头透镜系统。
通过对系统的建模、优化和分析，我们实现了对系统光学性能的精确控制和调节，最终达到了设计要求。
这充分展示了Zemax软件在光学设计领域
的强大功能和广泛应用价值。
总的来说，Zemax是一款非常优秀的光学设计软件，它能够帮助工程师们实现
复杂光学系统的设计、优化和分析。
通过这个案例，我们可以更好地了解Zemax
软件的应用和优势，相信在未来的光学设计工作中，Zemax将会发挥越来越重要的作用，为光学工程领域的发展做出更大的贡献。
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。
四、总结通过这个具体的例子，我们展示了如何使用Zemax进行光学设计。
虽然只是一个简单的望远镜设计，但是它涵盖了光学设计的基本步骤和技巧。
在实际应用中，光学设计需要考虑的因素很多，例如环境因素、成本预算、材料选择等。
Zemax提供了丰富的工具和功能，可以帮助设计师轻松应对各种挑战。
Zemax光学设计实例汇总
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。
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求 2. 选择具有代表性的切入点
RMS RMS
Ray aberration Optical Path
RMS vs Field
Analysis
畸变和像散cellaneous
或
Fcd
Seidel 像差系数
Analysis
Calculations
或
Sei
MTF
Analysis
MTF
或
Mtf
PSF
Analysis
误，使光路与预期完全不符，等。
2D Lay out
Analysis
Lay out
Lay
或即按Button L3d
or 3D Lay out Element drawing
（零件图）
几何像差与波像差：
Analysis
Ele Fan
或即按Button
各个视场的波像差均方值 Analysis 或
Ray Opd
• 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Marginal Ray Height, Pupil zone 0.7 为0。
所选玻璃表是在 Gen
Glass catalogs
内选定，可同时
挑多个表
PSF
或
Psf
ZEMAX单透镜设计例子详细(多图)
ZEMAX单透镜设计例子，单透镜是最简单的透镜系统了，这个例子基本是很多ZEMAX教程开头都会讲的。
1-1 单透镜这个例子是学习如何在ZEMAX里键入资料，包括设罝系统孔径(System Aperture)、透镜单位(Lens Units)、以及波长范围(Wavelength Range)，并且进行优化。
你也将使用到光线扇形图(Ray Fan Plots)、弥散斑(Spot Diagrams)以及其它的分析工具来评估系统性能。
这例子是一个焦距100 mm、F/4的单透镜镜头，材料为BK7，并且使用轴上(On-Axis)的可见光进行分析。
首先在运行系统中开启ZEMAX，默认的编辑视窗为透镜资料编辑器(Lens Data Editor, LDE)，在LDE可键入大多数的透镜参数，这些设罝的参数包括：∙表面类型(Surf：Type)如标准球面、非球面、衍射光栅…等∙曲率半径(Radius of Curvature)∙表面厚度(Thickness)：与下一个表面之间的距离∙材料类型(Glass)如玻璃、空气、塑胶…等：与下一个表面之间的材料∙表面半高(Semi-Diameter)：决定透镜表面的尺寸大小上面几项是较常使用的参数，而在LDE后面的参数将搭配特殊的表面类型有不同的参数涵义。
1-2 设罝系统孔径首先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的「GEN」按钮里（System->General）。
点击「GEN」或透过菜单的System->General 来开启General的对话框。
点击孔径标签(Aperture Tab)（默认即为孔径页）。
因为我们要建立一个焦距100 mm、F/4的单透镜。
所以需要直径为25 mm的入瞳(Entrance Pupil)，因此设罝：∙Aperture Type：Entrance Pupil Diameter∙Aperture Value：25 mm点击单位标签(Units Tab)，并确认透镜单位为Millimeters。
ZEMAX的7个小例子
现在从主菜单条中选择“工具”菜单下的“最佳化（Optimization）”，会显示最佳化工具对话框。注意“自动更新（Auto Update）”复选框。如果这个选项被选中，屏幕上当前所显示的窗口（如光学特性曲线图）会按最佳化过程中镜头的改变而被自动更新。在该复选框中单击选择自动更新，然后单击“自动（Automatic）”，ZEMAX会很快地减少评价函数。单击“退出（Exit）”关闭最佳化对话框。
课程2：双透镜（a doublet）
知识点：产生结构视图和视场曲率图，定义边缘厚度解，定义视场角
一个双透镜包括两片玻璃，通常（但不一定）是胶合的，因此它们有一个共同的曲率。通过使用两片具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被矫正。也就是说，我们需要得到抛物线形的多色光焦点漂移图（Chromatic Focal Shift），而不是直线的。这反过来会产生较好的像质。现在，我们保持先前100mm焦距和在轴上的设计要求，我们下面将会加入视场角。
如果你在先前的例子中，仍然保留了评价函数，那么，你就不需要重新创建评价函数。否则，请重新创建一个评价函数，包括EFFL操作数，如前一个例子所描述的设置方法。
开始数据输入如上图所示。
现在，从主菜单下选择“工具”-“最佳化”，单击“自动”。评价函数会开始减小，等它停止后单击“退出”。显示多色光焦点漂移图，看看我们是否已有了一些提高（如果你的屏幕上还没有准备好，选择“Analysis”，“Miscellaneous（各种的）”，“Chromatic Focal”）。它应该与图E2-2类似。
当波像差约等于或小于四分之一波长时，镜片要考虑“衍射极限。显然，我们的单透镜并没有达到衍射极限。为了提高此光学系统（或任何光学系统）的性能，设计者必须判断哪一种像差限制了其性能，以及什么操作可以用来改正。从光线图（图E1-3）中，可较明显地看出，色差（Chromatic aberration）是其主要像差。（另一方面，它可能不明显，可再看其他的一些能够提供有关光线图的建议的好书。）
《Zemax光学设计软》课件
性。
02 Zemax软件基本操作
界面介绍
菜单栏
包含所有可用的命 令和选项。
工具栏
提供常用命令的快 捷方式。
标题栏
显示软件名称和当 前打开的文件名。
工作区
用于显示和编辑光 学设计的相关数据 和图形。
状态栏
显示当前操作的状 态和提示信息。
文件操作
新建文件
创建一个新的光学设计项目。
打开文件
打开一个已存在的光学设计项目。
高效的照明模拟
Zemax可以模拟各种光源和照明条件下的光学系统性能，帮助设 计师优化照明设计。
软件应用领域
光学仪器设计
01
Zemax广泛应用于望远镜、显微镜、照相机等光学仪器的设计
和优化。
摄像头和投影仪设计
02
Zemax可以帮助设计师优化摄像头和投影仪的性能，提高成像
质量。
照明设计和分析
03
Zemax可以用于照明系统的设计和分析，提高照明效率和均匀
光学性能分析
分辨率分析
分析光学系统的分辨率，评估系统对 细节的分辨能力。
光束孔径分析
研究光束孔径大小对成像质量的影响 ，优化光束孔径配置。
波前分析
波前畸变
研究光波经过光学系统后的波前畸变情况，分析其对成像质 量的影响。
波前重建
利用Zemax软件对波前进行重建，了解光波的传播特性和变 化规律。
05
保存文件
将当前光学设计项目保存到磁盘上。
另存为
将当前光学设计项目以不同的文件名或格式保存。
工具栏介绍
01
视图工具栏
用于控制工作区的视图，包括放大 、缩小、旋转等操作。
绘图工具栏
提供绘制各种光学元件和光路的功 能。
Zemax光学设计：人眼模型实例
Zemax光学设计：人眼模型实例引言：人眼光学模型常常被用在如下场景中：设计用于人眼内部观察的仪器（如检查眼底相机的照明均匀性）、设计人眼视线会穿过的仪器（如研究眼科镜片、隐形眼镜和人造晶状体的特性）以及研究人眼本身（如研究角膜瘢痕、白内障等眼病对视网膜成像造成的影响）。
设计仿真：首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。
在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据人眼瞳孔大小输入“4.0”；在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：因该模型通常用于评估视力，所以模型中对波长进行了加权。
并且也对0°、10°和20°的视场角分别进行了1.0、0.2和0.1的加权，以此来表示这些角度上的相对视力。
把视网膜当作像面时，相对视力在中心处权重为1.0，在2.5°时下降为0.5，在10°时下降为0.2，在20°时下降为0.1，在边缘处下降为0.025。
错误的加权会令优化结果不具参考意义。
在波长设定对话框中，输入0.470um、0.510um、0.555um、0.610um 和0.650um五个波长，如下图：该人眼模型中，使用带有相对照度权重的明视波长。
LDE的结构参数，如下图：该模型中还包含直径为一个4mm的虹膜瞳孔。
这个人眼模型中，将视网膜作为像面。
使用这些模型前，一定要将压缩文件中的EYE.AGF 文件拷贝到Zemax的玻璃库文件夹下。
玻璃库是根据已发表的真实眼睛中光学介质折射率的测量结果构建的，通常只适用于有限数量的波长，一般为F，d，C三个波长下的数据。
因此，适合使用Conrady公式，公式得出的结果范围限于可见光和近红外光谱，且Nd和Vd值不能够四舍五入。
如果波长范围需要扩展到紫外线或红外线，可以使用MISC玻璃库中利用Schott公式计算的334nm至2325nm的海水折射率数据。
Zemax光学设计：热成像系统的设计实例
Zemax光学设计：热成像系统的设计实例红外光谱有三个大气“窗口”，在这三个波段大气吸收比较小。
其中一个是1到3um，另一个是3到5um，第三个是8到12um。
热成像也叫红外成像。
红外和可见光设计之间的最大区别是，在可见光中几乎都是物的反射光成像，而在红外则是物自身辐射成像。
红外物镜与可见光物镜的主要区别在于材料。
由于玻璃中含有羟基（OH-），在近红外有很强的吸收峰，普通光学玻璃最多只能工作到 2.8um左右的近红外，中远红外光学系统则完全依赖红外材料。
1.光子探测温度为 T（单位为K）的黑体，其辐射的光子数量为：其中，M 表示每秒钟、每平方厘米表面、每厘米波长的光子辐射量，c 表示真空中的光速，单位为厘米每秒，λ表示以厘米为单位的波长。
因为在多数热成像系统中，探测的是物所发射的光子数与其背景所发射的光子数之间的差值，因此信号探测与下式成正比其中ΔT表示物和背景的温差。
下表给出了物体在常温下293K(20 度)的辐射出射度，也给出了每度（单位为K）的信号。
由这个表格可以看出，物体在这个温度下，在大气窗口8-12um 的辐射出射度比 3-5um波段的大30倍左右，信号则大了15倍。
对于热成像，探测器探测的是辐射通量而不是光子数，所以这两个比例具有相同的意义。
在多数情况下，这两个波段的光学设计是明显不同的，因为它们所使用的透射材料是不同的。
而有些系统为了同时包括这两个波段，能够使用的适合材料就更加受限。
在8-12um 波段，常用材料如下表：锗是最广泛使用的材料，它的折射率高且色散小。
硒化锌和硫化锌可以作为校色差的负元件。
在3-5um波段，常用材料如下表：在这个波段，锗的色散就没有那么小了，所以在 8-12um 波段的非常有用的锗非球面单透镜，在 3-5um 就没有那么有效了，因为还要校正色差。
但是，可以利用双片式来校正色差，若我们以低色散的硅作为“冕牌”，则锗显然就是最好的“火石”材料。
2.单锗透镜由于在 8 到 12um 波段，锗具有高折射率和低色散的特殊性能，因此只要用锗材料就能制造高性能热成像物镜。
ZEMAX光学成像设计实例---ZEMAX基础实例-变焦镜头设计
引言● 在我们要求具焦的能● 所谓变同范围变焦距● 由于一是使用大家通变焦镜头我们知道说一个系统大小、视场I 为像高im变焦镜头对孔径保持变焦时采取通过改变ZE 们成像镜头设具备变焦的能能力便可以应变焦，即镜头围景物的成像距来改变拍摄一个系统的焦用类似定焦镜通过举一反三头设计原道，设计好的统的接收面尺场和焦距三者mage, f 为焦头的变焦倍数持不变，但对取相对孔径（变镜片与镜片焦EMAX 设计要求中，能力，如CCT 应用于多种环头的焦距在一像。
我们通常所摄范围，因此焦距在某一范镜头的分析优三的练习可掌理介绍：的一组镜头如寸大小是固定有如下关系焦距，theta 为数为长焦距和于实际的高变即F/#)也跟片之间的间隔焦距变化，视角相应改变X 基础通常分两种：TV 监控镜头，环境条件，放大定范围可调节所说的变焦镜此非常利于画面范围可变，相当优化方法，本节掌握变焦镜头在如果变化镜片定不变的(像： 为视场角度。
和短焦距比值变倍比系统，跟随变化的方隔达到设计的视场变础实例-：定焦镜头与，红外探测镜大缩小或局部节，通过改变镜头一般指摄面构图。
当于由无数多节我们将带领在ZEMAX中片与镜片之间像面:CCD 或。
如下图所不值，也称为“，由于外形尺方案。
的焦距要求，变焦镜与变焦镜头。
镜头，摄影镜部特写，这是变焦距从而改摄像镜头，即多个定焦系统领大家使用Z 中的设计优化间的空气厚度COMS 或其它不:“倍率”。
理尺寸不希望过当系统的入镜头设成像镜头在镜头，双筒望是一个定焦镜改变系统视场即在不改变拍统组成的。
我ZEMAX 来设计化方法。
度，镜头的焦它探测面)，理论定义下，过大或二级光入瞳直径D 固设计在很多实际应望远镜等等，镜头所无法完场大小，达到拍摄距离的情我们在设计变计一个完整的焦距会随之变在基础光学在变焦过程光谱校正等问固定时，即系像面尺寸相同应用中通常也镜头具备变完成的。
到不同矩离不情况下通过改变焦镜头时也的变焦镜头，变化。
ZEMAX光学成像设计实例---ZEMAX基础实例-单透镜设计
第二章 基础实例设计ZEMAX基础实例 ‐ 单透镜设计引言• 在成像光学系统设计中，主要指的是透镜系统设计，当然也有一些反射系统或棱镜系统。
• 在透镜系统设计中，最基础、最简单的便是单透镜设计。
但我们不要小看这样的单透镜系统，因为它也代表了一个光学系统设计的完整流程。
麻雀虽小，五脏俱全！• 本节中，我们通过手把手的操作，为大家展示使用 ZEMAX 进行成像光学设计的完整流程。
使初学者快速领略到ZEMAX光学设计的风采，在轻松的设计中感受到光学设计的乐趣。
• 通过单透镜设计，可以使大家学习到Z EMAX 序列编辑器建模方法，光束大小设置方法，视场设置方法，变量的设罝方法，评价函数设置方法，优化方法，像差分析方法和提髙像质的像差平衡方法等，单透镜系统参数设计任何一个镜头，我们都必须有特定的要求，比如焦距，相对口径，视场，波长，材料，分辨率，渐晕，MTF等等，根据系统的简易程度客户给的要求也各不相同。
由于单透镜最简单的系统，要求也就很少。
本例中我们设计单透镜规格参数如下：EPD = 20mmF/#=10FFOV= 10 degreeWavelength 0.587umMaterial BK7Best RMS Spot Radius首先我们需要把知道的镜头的系统参数输入软件中，系统参数包括三部分：光束孔径大小，视场类型及大小，波长。
在这个单透镜的规格参数中，入瞳直径(EPD)为20mm，全视场(FFOV)为10度，波长0.587微米，分别如下说明。
1、点击System » General或点快捷按扭Gen打开通用设置对话框：入瞳直径即到还有其它像空间F 数互转换。
物空间数值直接定义物随光阑尺寸用这种类型本例中，我2、点击打开即用来直接确它几种光束孔(Image Space 值孔径(Object 物点发光角度寸漂移(Float B 型来计算入瞳我们只需选择开视场对话框定进入系统光孔径定义类型e F/#)，用于t Space NA)，来约束进入系By Stop Size)，瞳的大小。
ZEMAX光学设计 - 目镜设计精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版25.5目镜的设计示例学号：*********姓名：**班级：12光电班设计一：系统基本参数：视场角2ω：60度焦距：20mm相对孔径：1:8出瞳直径：3~4mm出瞳距离：10mm系统CAD图Prescription Data1.Lens Data Editor2.系统二维结构图3.系统三维结构图4.场曲与畸变5.弥散斑弥散斑半径较小，符合系统设计要求6.MTF所有视场在40lp/mm处时MTF>0.2，且MFT的变化趋势与衍射极限基本相同，符合设计需求。
设计二：系统基本参数：视场角2ω：60度焦距：20mm相对孔径：1:8出瞳直径：3~4mm出瞳距离：10mm系统CAD图Prescription Data设计思路：1.选择初始结构选择对称型作为初始结构，初始结构系统二维图如下。
2.将两透镜之间距离增大，方便安放第三个透镜将两透镜间的距离增大到14mmLens Data Edior系统二维图3.插入第三个透镜在第4面后插入两面，形成新的第5面和第6面，第4面与第5面的距离为6mm，第5面与第6面的距离为2mm，第6面与第7面的距离为6mm。
插入的透镜的玻璃选用BAK1。
Lens Data Editor系统二维图4.将波长，视场与入瞳直径改为设计要求值入瞳直径改为4mm波长改为F，d，c[Visible]视场改为0，21.21，30将出瞳距改为10mm Lens Data Editor系统二维图5.设定优化条件，开始优化设定最小镜片厚度为0.5，边缘厚为0.1，最大镜片厚度为100设定最小空气厚度为0.5，边缘厚为0.1，最大空气厚度为100将透镜的半径与距离设为变量EFFL为20mm开始优化最终优化结构Lens Data Editor系统二维图MTF曲线：6.达不到系统设计要求，将透镜设为变量，再次优化达到设计要求时的各数值Lens Data editor系统二维图MTF7.将透镜改回固定Lens Data Editor系统二维图MTF8.再次执行优化由于尚不能达到系统要求，因此在透镜修改过后，继续执行优化系统各项参数Lens Data Editor系统结构二维图系统三维结构图MTF系统MTF较高，且变化趋势与衍射极限相同，符合设计要求弥散斑弥散斑半径较小，在视场为30度时，半径为12.607mm，符合系统设计要求。
(完整版)光学设计zemax
➢ Sort by Surface 将现有各项Operands 以 Surface number 排序(递增)
➢ Sort by Type 将现有各项Operands 以其类型排序 (递增)
➢ Save 将现有的Tolerance Data 存入一个文件
差) ➢TSTX,TSTY(光学零件表面允许倾斜偏心公
差)
2014.9
光学系统设计
公差操作数（续）
➢TIRR（球差的一半与象散的一半表示的表 面不规则度，单位是光圈单位）
➢TIND(d光折射率允许偏差) ➢TABB(阿贝常数允许偏差)
2014.9
光学系统设计
➢上述设定完成之后，即可进行公差分析 ➢Tools---Tolerancing
2014.9
光学系统设计
➢每个镜片加工公司都有自己的样板库，如 “changchun.tpd”是长春理工某附属工厂 （可见光镜片）、“beijing.tpd”是北京蓝斯 泰克光电（红外镜片）的样板库等。
➢将这些tpd文件拷入“C:\ZEMAX\Testplat”目 录即可进行相应的比对
2014.9
2014.9
光学系统设计
2014.9
光学系统设计
➢Fast Tolerance Mode:
• 此项仅对近轴后焦偏差视为补偿器 (Compensator) 时有效。即在 Tolerances Data Editor 中存在一行有关后焦的补 偿器设定。在Default Tolerance 中选中 Use Focus Comp 就可以生成此补偿器的设定。 此模式比一般模式（没有选中此项）的运算模 式快50 倍。
zemax案例
zemax案例
以下是一些关于Zemax仿真软件的案例：
1. 光学系统设计
Zemax可以用于光学系统设计和优化。
例如，可以使用Zemax来设计望远镜、显微镜、放大镜和其他光学仪器。
2. 焦散问题分析
Zemax可以用于分析和优化光学系统的焦散问题。
通过模拟光线的轨迹和相位变化，可以确定焦点的位置和形状，并确定任何可能的相位偏差。
3. 光学组件模型建立
Zemax可以用于建立光学组件的三维模型，包括透镜、棱镜和反射器等，以更准确地模拟光学系统的性能。
4. 光学系统图像模拟
Zemax可以用于模拟光学系统中的图像。
可以通过更改光线的特定属性，如入射角度和波长，以模拟不同的光学系统图像。
5. 激光光束分析
Zemax可以用于分析激光光束的特性，包括光斑大小、波前畸变、相位传输和偏振特性等。
6. 照明系统设计
Zemax可以用于设计照明系统，以确定最佳的光源和透镜组合来实现所需的照明效果。
Zemax激光光学设计实例应用013迈克尔逊干涉仪仿真
013：迈克尔逊干涉仪仿真在这一节的实例中，我们要采用干涉分析等工具来仿真物理光学现象。
下面，我们一边建模一边讨论。
图13-1 理想成像LDE 编辑器列表图13-2 理想成像结构及像差分析图列表我们先建立一个简单的理想光学成像系统（4F 系统），系统设置中，物方类型选择物面数值孔径（随意设置一个合理的值）；波长为默认；视场为默认0 度。
在透镜数据编辑器中输入如图13-1 所示的数据。
停止面（Surface 1）的类型选择“Paraxial XY”（傍轴光线），这样就可以将这个面设置为“理想薄透镜”。
注意，“Paraxial”为旋转对称理想透镜，“Paraxial XY”为两轴分离理想薄透镜，可以分别设置两个轴不同的光焦度，即单独设置一个轴就成为“理想柱面镜”。
其参数“X-Power”和“Y-Power”分别为两个轴的光焦度，即理想焦距的倒数。
然后打开3D Layout 查看光路结构，同时调出各种像差分析图，例如点列图、光扇图、光程差OPD 图表等等，看看理想情况想的像差分析图表是什么样子的。
如图13-2 所示，像差图分析结果像差均为0，点列图为理想点。
再来看看理想情况下的成像效果。
点击Analysis→Image Simulation→Image Simulation打开成像仿真器，默认情况下的成像仿真为网格线条模式，如图13-3 所示。
图13-3 理想成像仿真分析（网格线条模式）点击设置菜单，更改输入文件，根据自己的喜好选择物方图像。
软件自带了一个BMP 格式的演示图片（高一点的版本才有），可以用来模拟拍照实际成像效果。
参数设置如图13-4所示，其中视场高度（Field Height）选项与系统设置中的视场类型有关，如果系统设置中视场类型为视场角度，那么这里应该是指物面对停止面STO 的张角（全角），所以视场高度若再设为0，则表示物面尺寸为0，可能无法看到成像。
将视场高度（Field Height）的值设为5（度），表示物面高度（Y 方向）尺寸设定为tan5*50=4.4mm。
Zemax光学设计实例汇总
光学系统结构优化
按Button Opt ，按出dialog box，预定优化次数，即可进行优化，但之前须 规定Merit Function （优化目标函数）及变量。关于变量，将结构数据框作double click，得有关dialog box，就可以将此结构数据作为变量（variable）或改为Fixed 不变。
Load
Reset
Ok
即可，实际上此dialog box 中还有许多选项可改，这也是改变优化过程的方 法之一。
光学系统结构优化
可以按实际情况作其他选择，改变优化过程。 还可以自行构造自己认为更好的Merit Function 或修改当前的Merit Function, 这就要在 Oper# 框内输入适当的“Operand”，在Optimization 这一章内规 定了一批Operand，所用符号如： • First-order ：焦距EFFL，像高PIMH，… • Aberrations：初级球差SPHA，垂轴像差TRAC，… 另外还有各种边界条件Operand。 也可以将MTF值或Encircled energy作为Merit Function，原则上这与实际使 用目标有更直接联系，应更好。但是实际上由于必须用更多时间去算，作为优 化的开始是不可取的。
这里玻璃组合为BK7/SF5，本可取Glass,Model,Vary ，将玻璃作为变数优 化，但得不到真正好的解，不如一一改玻璃，反而容易得到优化的解。
优化实例（2）：优化结果
优化实例（3）
非球面单透镜
f’=60， 1：1， ±1°
用非球面可以准确校正球差，透镜弯曲可校正彗差，形成大孔径小视场光学系 统。
rd 14 35.7 1.5 Bk7 21.5 100
rd 13 1.5 16.7 8.6 Bk7 85
zemax激光光学设计实例与应用
zemax激光光学设计实例与应用
ZEMAX是一种用于光学系统设计和分析的软件工具，它可以应用于激光光学设计与优化。
以下是一些激光光学设计实例及应用。
1. 二极流CO2激光器的光路设计
二极流CO2激光器是一种常见的光学器件，其光路设计需要考虑到多种物理效应。
使用ZEMAX进行二极流CO2激光器光路设计，可以优化光路的效率和性能。
例如，通过添加适当的激光束扩展器可以提高光束质量和稳定性；优化反射镜的性能可以提高激光器的输出功率和效率。
2. 红外光学系统的设计
使用ZEMAX进行光学系统设计可有效提高系统的性能和光学吸收率。
例如，在红外激光器中，设计合适的焦距和两个镜头之间的距离，并对光学系统进行优化，可以显著提高系统的分辨率和成像质量。
3. 光束仿真
另一种常见的激光光学设计应用是光束仿真。
ZEMAX可以用于模拟光束在特定光学系统中的传播和焦聚。
这可以帮助设计师更好地理解光线如何在光学系统中传播。
例如，在激光切割中，设计师可以使用ZEMAX来仿真光束的传播路径和聚焦质量，以优化切割效果。
4. 激光雕刻机的光路设计
激光雕刻机是一种常见的激光光学器件，用于刻蚀或切割材料表面。
在设计激光雕刻机时，需要考虑到多种物理效应，例如材料的吸收率和光束的聚焦度。
使用ZEMAX进行光路设计和优化，可以改善雕刻效果和机器的精度。
光学设计zemax经典例题
光学设计zemax经典例题
1.单镜片
设计要求：设计一个F/4单镜片，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特(Schott) BK7或国产K9玻璃来作。
像差要求：波像差小于100中心波长。
2.双胶合透镜
设计要求：设计一个F/4双胶合透镜，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特BK7/ F2或国产K9/F4玻璃组合来实现。
像差要求：对C\D\F三种色光波像差均小于5个波长，焦点弥散斑小于10微米。
3.5X激光扩束镜
设计要求：分别设计两个用于He-Ne(632.8nm)和固体激光器（532nm）的激光扩束镜，扩束倍率5X，入瞳直径3mm，出瞳直径15mm，用同一牌号玻璃完成，镜片尽可能的少，系统总长度小于100mm，入射和出射均为准直平行光。
4.50mm标准镜头
可参照Cooke的三片结构，设计一个F/5焦距50mm的标准镜头，应用于可见光波段。
成像要求：在视场30°内的3种色光的波像差均小于2个波长，MFT大于0.3/30lp,畸变小于1%.
5.放大镜头
可参考双高斯结构（也可选用其他结构），设计一个用于光电检测的放大镜头，物像共扼距140mm，像面CCD尺寸（1024x1024，单个像素为12 m×12 m）,被检测物面为平面矩形（3mm×3mm），使用波长532nm。
成像要求：全视场内MFT大于0.5/40lp, 波像差小于2个波长，畸变小于0.5%.。
Zemax光学设计：一个显微镜照明系统的设计实例
Zemax光学设计：一个显微镜照明系统的设计实例技术指标：设计一个中等倍率显微镜的照明系统。
显微镜的技术规格如下所述：放大倍率：10NA：0.2（CCD对角的1/2）无限远校正系统（infinity corrected ）: 12mm成像镜头焦点距离：200mm工作距离：45mm使用的光源：2mm NA=0.25设计仿真：1.显微物镜的设计首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。
在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并按设计要求输入“8.0”：在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：在波长设定对话框中，输入F.d.C三个波长，如下图：LDE的结构参数，如下图：查看2D Layout：查看点列图：然后利用Hammer优化进行玻璃替代来决定玻璃材质。
Hammer优化后的LDE：此时，点列图为：查看波前差，可以看到在全视场内都在衍射极限之内。
2.目镜的设计首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。
在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并按设计要求输入“8.0”：3.在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：在波长设定对话框中，输入F.d.C三个波长，如下图：LDE的结构参数，如下图：查看2D Layout：查看点列图：3.显微物镜与目镜的续接先物镜进行翻转，可以使用“Reverse Element”工具来进行翻转。
首先，将孔径类型修改为“Float ByStop Size”。
然后，即使原本的系统没有光瞳像差，翻转后的新系统也可能有光瞳像差。
所以，我们需要打开近轴光线瞄准。
我们可以在光线瞄准 (Ray Aiming) 中选择近轴 (Paraxial) 实现这一步操作。
第三，为了防止翻转后系统尺寸发生改变，我们把每个面的半径值锁定住。
第四，根据原系统点列图上的数值来更改视场类型与数值。
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ZEMAX简介
美国ZEMAX Development Corporation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，它们具有功能强大、灵活、快速、容 易使用等优点。
前期设计、专利、建立联系、原始推导
3. 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
4. 使用程序对结果进行优化 5. 评价设计结果 6. 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
计算Seidel像差的作用和目的是了解像差是在什么地方产生出来的，这对于将 来校正或优化常会有帮助。
由于此程序不能直接计算和优化望远镜系统（如伽利略望远镜，不宜将物镜 目镜分开设计），程序中在Surface内建立一个Paraxial Surface，即一个理想光 学系统，把平行光束聚焦于一点，可以规定为一个任意的焦距值，从而计算望远 系统的像差。
• 对于Surface type 和Glass Catalogs，在User’s Guide 内都有一章叙述。
光学性能分析(Analysis)
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，这基本 上是 Analysis 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
PSF
或
Psf
Field Curv/Dist
Seidel coefficients
Modulation Transfer Function
FFT Point Spread Function
Analysis
能量集中度
Analysis
Encircled Energy
或
Enc
点列图
Analysis
Spot Diagrams
另一种方法是返回步骤2
7. 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
用ZEMAX进行光学系统设计
数据输入的一般过程
输入光学系统结构数据
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
输入孔径（有几种方式，如F#，NA，Aperture，… ）
• 在屏上找到Button Gen ，按出dialog box，选按Aperture，挑选Aperture type，并输入数值。
• 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Marginal Ray Height, Pupil zone 0.7 为0。
所选玻璃表是在 Gen
Glass catalogs
内选定，可同时
挑多个表
• 可以从System内选按General ，按出dialog box 。
• 可从File 内选择按Preference(或Environment）出dialog box，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：
System
Gen
Aperture
输入视场：
System
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
意图
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。
主要内容
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
Fie
用ZEMAX进行光学系统设计
输入波长
System
Wav
输入半径、厚度、玻璃
Editor
Lens data
或从屏上已有的Lens data editor 改数据。
如屏上数据框内作double click 得有关dialog box，可对现状作出修改，例如：
• 修改Surface type, Aperture type，改此面为光阑，即“Make surface stop”;
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。
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：
或
Spt
Diffraction Standard
Analysis
此程序所选用积分程序不好，使要求取样网格点（Sampling）较多，计算时 间很长，使大像差系统的衍射积分不易算好。
所以这里没有算能量集中度 Enc 及Huygens Point Spread function, 为能 容易完成这类计算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一个波长，否则必须加大 Sampling 点数，增长时间。
RMS RMS
Ray aberration Optical Path
RMS vs Field
Analysis
畸变和像散像面弯曲
Analysis
Miscellaneous
或
Fcd
Seidel 像差系数
Analysis
Calculations
或
Sei
MTF
Analysis
MTF
或
Mtf
PSF
Analysis
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。
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求 2. 选择具有代表性的切入点
误，使光路与预期完全不符，等。
2D Lay out
Analysis
Lay out
Lay
或即按Button L3d
or 3D Lay out Element drawing
（零件图）
几何像差与波像差：
Analysis
Ele Fan
或即按Button
各个视场的波像差均方值 Analysis 或
Ray Opd