zemax光学设计书

1广东工业大学物理与光电工程学院ZEMAX软件和像差设计[光学器件CAD]应用光学和光学工程教研组2013/9/2i前言广东省的经济发展环境和产业分布特点吸引了众多的光学光电相关企业的进驻。国家的“节能减排”政策又大力促进了材料，半导体和照明产业的新一轮的改革和投入。例如，在LED节能照明，激光制版和光电子信息产业方面，无论是企业的数量还是企业对经济发展的贡献，都有可观的增长。所以，今后几年行业对专门应用型人才的旺盛需求。广东工业大学物理与光电工程学院及时地注意到行业发展的大趋势，进行了专业培养方案的调整，增设了光学工程教研组，旨在培养光学和光机电行业企业所需光学工程方面的人才。光学工程的课程体系包含《应用光学》（2学分），《光学器件设计》（3学分）和《光学器件CAD课程设计》（2学分）。《应用光学》主要讲授高斯光学光束变换、成像原理；《光学器件设计》主要讲授像差理论和像质评价，为后续的课程设计打基础；《光学器件CAD课程设计》主要讲解光学系统设计，性能分析和优化方法。ZEMAX光学设计软件，被广泛用于公司、研究所和高校用于产品设计，研究和教学培训。2007年被引进我校的光学设计教学当中，我们在像差教学以及课程设计教学中完全使用ZEMAX软件作为分析和优化工具。ZEMAX软件让学生得到直观和形象地感知透镜光学系统的建立，像质评价指标的物理表述，像差优化和系统成形等各个过程。内容安排：第一章ZEMAX软件简介，讲述软件的用户界面，工具栏，透镜系统的建立的基本方法，像质评价的物理意义和相关举例。第二章ZEMAX优化操作符，介绍评价函数，操作符的定义和使用。第三章ZEMAX像差设计和优化，讲解建立像差控制的评价函数，如轴上和轴外像差的评价函数以及设计实例。第四章典型光学系统的设计。iiiii目录前言.............................................................................................................................................................i第一章ZEMAX软件简介.........................................................................................................................11.1简介.............................................................................................................................................11.2用户界面.....................................................................................................................................11.3主视窗的操作（MainWindowsOperations）.........................................................................21.4光学系统的建立.........................................................................................................................31.4.1设计要求........................................................................................................................31.4.2初始结构........................................................................................................................31.4.3其他光学特性参数输入方法........................................................................................41.4.4ZEMAX中像质评价方法...............................................................................................9第二章ZEMAX优化与操作符.............................................................................................................212.1MeritFunction（评价函数）的构成要素.............................................................................212.2评价函数的“默认”（缺省）构成方法...............................................................................212.3修改成自定义评价函数法.....................................................................................................24第三章像差设计在ZEMAX中的实现................................................................................................313.1DefaultMeritFunction和现有像差控制符的局限性...........................................................323.1.1轴上点的像差操作符的局限性..................................................................................323.1.2轴外物点的像差操作符的局限性..............................................................................323.2常见像差控制在评价函数中的实现.....................................................................................333.2.1轴上球差、色差的控制操作符..................................................................................333.2.2轴外初级像差的控制操作符......................................................................................343.2.3轴外物点视场孔径高级像差的定义及其控制操作符..............................................383.3像差设计举例.........................................................................................................................39第四章像差设计实例..........................................................................................................................494.1望远镜物镜或准直物镜的设计.............................................................................................491第一章ZEMAX软件简介1.1简介ZEMAXOpticalDesignProgram（ZEMAX）是由美国ZeMaXDevelopmentCorporation公司开发的专用光学设计软件包，软件逐步升级，我们使用的版本是2007。ZEMAX是Windows平台上的视窗式的用户界面，操作习惯和快捷键风格如同Windows。1.2用户界面ZEMAX的视窗类型，和Windows的基本一致，打开不同的视窗可以执行操作不同的任务，可分为：主视窗（MainWindow）ZEMAX启动以后，进入主视窗（图1.1）。主视窗顶端有标题栏（titlebar）、菜单栏（menubar）和工具栏（toolsbar）。编辑视窗（EditorWindow）ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（LensDataEditor），评价函数编辑器（MeritFunctionEditor）、多重组态编辑器（Multi-configurationEditor）、公差数据编辑器（ToleranceDataEditor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（ExtraDataEditor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequentialComponentsEditor）。图1.1ZEMAX主视窗界面2图形视窗（GraphicWindow）最常用的有草图（Layout）、扇形图（Rayfans）、调制传递函数（MTFPlots）图等。文本视窗（TextWindows）设计的文字资料，如详细数据（PrescriptionData）、像差数据等显示在文本视窗中。对话框（Dialogs）固定大小，在过程中跳出来的视窗（鼠标拖曳不能改变大小）。用于定义或更新视场（Fields）、波长（Wavelengths）、孔径（Apertures）、面型（Surfacetypes）等。1.3主视窗的操作（MainWindowsOperations）主视窗在执行ZEMAX后显示出来，可以用鼠标拖动改变大小，如图1.1所示。上部有标题栏、菜单栏、快捷按钮。底部状态栏中显示当前镜头系统的焦距（EFFL）、F数（WFNO）、入瞳直径（ENPD）、系统总长（TOTR）。主视窗中的快捷按钮和状态栏中内容可以自定义，菜单栏中有：文件（File）展开后有文件的打开（Open），新建（New），存储（Save），另存为（Saveas）等，偏好（Preference）可以修改文字大小，快捷按钮和状态栏中的内容。编辑器（Editors）栏中包括ZEMAX中所有编辑器命令，展开后可打开Lensdataeditor，Meritfunctioneditor。系统（System）定义或更新光学系统的光学特性数据，例如相对孔径、视场和选取的工作波长等。分析（Analysis）它是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，是用来进行像质评价和分析的主要工具，对于其中的每一项的数据的含义，单位要很好地理解。主要有：Fans中的球差（Rayaberration），点列图（Spotdiagrams）、调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）、波像差（W