Zemax光学设计从入门到精通

本书结合作者多年的光学设计经验，通过丰富的工程实例将Zemax的使用方法详细介绍给读者。全书共10章，分为两部分，部分（第1～6章）主要讲解Zemax的基础知识，包括用户界面和系统选项设置、光学像差理论和成像质量评价、光学系统优化、系统公差分析、非序列模式下的光系统设计等；第二部分（第7～10章）讲解利用Zema行各种透镜和目镜的基本设计方法，并对显微镜、望远镜等目视光学系统的设计进行了深入的讲解，帮助读者尽快掌握利用Zema行光学设计的方法。

本书注重基础，内容翔实，突出实例讲解，既可以作为光学设计人员、科研人员等相关专业人士的工具书，也可以作为相关专业高年级本科生、研究生的学习参考书。

第 一部分 Zemax基础知识

 

第 1章　初识Zemax　3

1.1 Zemax概述　3

1.1.1 OpticStudio　3

1.1.2 OpticsBuilder　4

1.1.3 OpticsViewer　4

1.2 基本操作及工作界面　5

1.2.1 启动Zemax　5

1.2.2 退出Zemax　5

1.2.3 Zemax主界面　5

1.2.4 窗口类型　7

1.2.5 Zemax常用操作快捷键　10

1.3 功能区　11

1.3.1 “文件”选项卡　11

1.3.2 “设置”选项卡　12

1.3.3 “分析”选项卡　13

1.3.4 “优化”选项卡　14

1.3.5 “公差”选项卡　15

1.3.6 “数据库”选项卡　15

1.3.7 “*件设计”选项卡　16

1.3.8 “编程”选项卡　16

1.3.9 “帮助”选项卡　16

1.4 系统选项设置　17

1.4.1 系统孔径　17

1.4.2 视场　19

1.4.3 环境　21

1.4.4 波长　22

1.4.5 偏振　23

1.4.6 *　24

1.4.7 光线瞄准　26

1.4.8 材料库　28

1.4.9 非序列　28

1.4.10 标题/注解　30

1.4.11 文件　30

1.4.12 单位　31

1.4.13 成本估计　32

1.5 镜头数据编辑器　32

1.5.1 编辑器概述　32

1.5.2 插入/删除表面数据　33

1.5.3 镜头数据设置　34

1.5.4 序列表面类型　36

1.5.5 表面属性　40

1.5.6 通光孔径的确定　43

1.6 Zemax模式介绍　47

1.7 本章小结　48

第 2章　光学系统的分析与评价　49

2.1 外形图　49

2.1.1 2D视图　49

2.1.2 三维布局图　50

2.1.3 实体模型　51

2.1.4 Zemax元件制图　51

2.1.5 ISO元件制图　53

2.2 成像质量分析　54

2.2.1 光线迹点　54

2.2.2 像差分析　60

2.2.3 波前分析　65

2.2.4 点扩散函数　70

2.2.5 MTF曲线　72

2.2.6 均方根（RMS）　76

2.2.7 圈入能量　78

2.2.8 扩展图像分析　79

2.3 偏振与表面物理分析　80

2.3.1 偏振　80

2.3.2 表面　84

2.3.3 膜层　84

2.4 材料分析　86

2.4.1 色散图　86

2.4.2 玻璃图　87

2.4.3 无热化玻璃图　87

2.4.4 内部透过率vs.波长　88

2.4.5 色散vs.波长　88

2.4.6 GRIN剖面　89

2.5 其他分析　89

2.5.1 激光与光纤　89

2.5.2 通用绘图工具　92

2.5.3 杂散光分析　92

2.5.4 双目镜分析　93

2.6 本章小结　94

第3章 初级像差理论与像差校正　95

3.1 初级像差理论　95

3.1.1 厚透镜初级像差　95

3.1.2 薄透镜初级像差　96

3.1.3 像差校正与平衡　97

3.2 像差及其校正　97

3.2.1 球差　97

3.2.2 彗差　106

3.2.3 像散　110

3.2.4 场曲　115

3.2.5 畸变　124

3.2.6 色差　127

3.3 本章小结　134

第4章 Zemax的优化与评价功能　135

4.1 优化方法　135

4.1.1 优化方法选择　135

4.1.2 手动调整　136

4.1.3 自动优化　137

4.1.4 全局优化　140

4.1.5 优化应用示例　143

4.2 评价函数　150

4.2.1 优化术语　150

4.2.2 评价函数方程　151

4.2.3 波前优化　154

4.2.4 点列图优化　156

4.2.5 角向优化　157

4.3 多重结构　160

4.3.1 元件变化模拟　161

4.3.2 显示衍射级次　165

4.3.3 分光板模拟　167

4.4 坐标间断　173

4.4.1 Zemax坐标系　173

4.4.2 自带坐标间断　174

4.4.3 坐标间断面　175

4.4.4 旋转角度优化示例　175

4.5 本章小结　179

第5章 公差分析　180

5.1 公差　180

5.1.1 公差分析概述　180

5.1.2 公差分析向导　181

5.1.3 公差操作数　183

5.1.4 公差控制操作数　184

5.2 公差分析法则　185

5.2.1 灵敏度分析　185

5.2.2 反灵敏度分析　186

5.2.3 蒙特卡罗分析　187

5.3 公差分析过程　190

5.3.1 公差分析步骤　190

5.3.2 执行公差分析　190

5.3.3 双透镜的公差分析　194

5.4 本章小结　202

第6章 非序列模式设计　204

6.1 切换到非序列模式　204

6.1.1 启动非序列模式　204

6.1.2 序列和非序列模式的 区别　205

6.2 非序列模型介绍　205

6.2.1 模型类别　206

6.2.2 面元反射镜　206

6.2.3 光源分布　208

6.2.4 棱镜　210

6.2.5 光线分束　212

6.2.6 散射　213

6.2.7 衍射光学元件　217

6.2.8 相干模拟　218

6.2.9 复杂几何物体创建　220

6.2.10 吸收分析　221

6.3 创建非序列光学系统　223

6.3.1 建立基本系统特性　224

6.3.2 创建反射镜　224

6.3.3 光源建模　226

6.3.4 旋转光源　227

6.3.5 放置探测器　228

6.3.6 跟踪分析光线探测器　229

6.3.7 增加凸透镜　231

6.3.8 光线跟踪分析和偏振损耗　233

6.3.9 增加矩形ADAT光纤　234

6.3.10 使用跟随解定位探 测器　236

6.3.11 光线追迹整个系统　238

6.4 将序列面改成非序列物体　239

6.4.1 转变NSC的工具　239

6.4.2 初始结构　240

6.4.3 间接转换方式　241

6.4.4 直接转换方式　243

6.4.5 插入非序列光源　244

6.4.6 插入探测器物体　245

6.5 混合模式系统模拟　249

6.5.1 序列/非序列模式　249

6.5.2 建立非序列组件　251

6.5.3 定义多焦透镜　253

6.5.4 带状优化　256

6.5.5 目标局部　257

6.5.6 优化分析　258

6.5.7 优化结果　260

6.6 本章小结　261

 

*部分 Zemax的应用

 

第7章 基础设计示例　265

7.1 单透镜设计　265

7.1.1 单透镜系统参数　265

7.1.2 单透镜初始结构　268

7.1.3 单透镜的变量与优化目标　270

7.1.4 单透镜优化结果分析与改进设计　272

7.2 双胶合消色差透镜设计　277

7.2.1 规格参数及系统参数输入　277

7.2.2 双胶合透镜初始结构　279

7.2.3 设置变量及评价函数　280

7.2.4 优化及像质评价　282

7.2.5 玻璃优化—校正色差　285

7.3 牛顿望远镜设计　287

7.3.1 牛顿望远镜来源简介及设计规格　288

7.3.2 牛顿望远镜初始结构　289

7.3.3 添加反射镜及遮拦孔径　291

7.3.4 修改反射镜以提高MTF　296

7.4 变焦镜头设计　299

7.4.1 变焦镜头设计原理介绍　299

7.4.2 变焦镜头设计规格及参数输入　299

7.4.3 多重结构实现变焦　301

7.4.4 变焦镜头的优化设置　303

7.5 扫描系统设计　308

7.5.1 扫描系统参数　308

7.5.2 多重结构下的扫描角度设置　312

7.6 本章小结　316

第8章 目镜设计　317

8.1 常见目镜设计　317

8.1.1 惠更斯目镜　317

8.1.2 冉斯登目镜　319

8.1.3 凯尔纳目镜　320

8.1.4 RKE目镜　322

8.1.5 消畸变目镜　324

8.1.6 对称式目镜　325

8.1.7 埃尔弗目镜　326

8.1.8 西德莫尔目镜　328

8.1.9 RKE广角目镜　329

8.2 人眼光学系统的创建　330

8.2.1 眼睛模型　331

8.2.2 创建人眼模型结构　331

8.3 目镜调焦　336

8.3.1 创建目镜　336

8.3.2 光线瞄准　339

8.3.3 添加人眼模型　339

8.3.4 设计结果　340

8.4 本章小结　341

第9章 显微镜设计　342

9.1 技术指标　342

9.1.1 基本系统技术要求　342

9.1.2 分辨率目标和极限　342

9.2 10倍显微镜设计　343

9.2.1 显微镜设计分析　343

9.2.2 显微镜设计　343

9.3 高倍显微镜设计　351

9.3.1 翻转镜头组　351

9.3.2 选择目镜　353

9.3.3 物镜与目镜的连接　354

9.4 本章小结　355

第 10章 望远镜设计　356

10.1 天文望远物镜　356

10.1.1 初始镜头数据　356

10.1.2 系统参数设置　357

10.1.3 评价函数设置及优化　358

10.1.4 查看结果　359

10.1.5 加入空气间隔　360

10.1.6 *终设计结果　361

10.2 地上望远镜　363

10.2.1 调整焦距及系统参数　363

10.2.2 评价函数设置及优化　365

10.2.3 查看优化结果　366

10.2.4 加入转像棱镜及透镜　367

10.2.5 进一步优化　367

10.2.6 *终设计结果　369

10.3 本章小结　370