zemax自聚焦透镜设计
zemax实验
第三章 ZEMAX设计实例
例9 扫面镜（Scanning Mirror）
注意，在倾斜和非倾斜过程中，反射镜和透镜的半径不同，随着结构的变化 而变化。 解决办法、；最大值解决办法可以设置半径为所有结构中的最大值。 方法，点击菜单“tool/Apertures/Convert Semi-Diameters to Maximum Apertures”进行设置。
第三章 ZEMAX设计实例
例9 扫面镜（Scanning Mirror）
要求：设计一个扫面系统，扫描一个直径为50mm的氦氖激光光束，扫描角度10°，后面 有一个F/3的聚焦透镜系统。 分析：需要设计一个F/3的双胶合透镜，EPD为50mm，留5mm的边缘冗余量，波长为氦氖 激光的红色波长，使用N-BK7和F2玻璃材料。 菜单system/general…..设置EPD为50mm，5mm的边缘冗余量，菜单system/wavelengths…. 波长为氦氖激光的红色波长0.6328，一个FIELD.如图建立各面,如图设置各面的Thickness 、Glass。双击面5的radius，设置F number为3，其Radius自动变为-92.483261.
第三章 ZEMAX设计实例
例9 扫面镜（Scanning Mirror）
优化： 当前的透镜是为了优化在轴上的情况。 接下来，优化透镜在±5°视野内，优化之 前，需重建评价函数以适应新的结构。 重新运行默认的评价函数工具。 运行菜单“Editor/Merit Function”,在 Merit function Editor窗口中，运行 “tools/default merit functions……”,在 打开的窗口中进行如下设置。
zemax设计 - 单透镜设计
单透镜设计透镜参数：
1.焦距为100mm。
2.相对孔径为1/5。
3.全视场2ω为10度。
4.物距为无穷远。
5.选用K5玻璃。
1.系统二维图
2.系统三维图
3.光线扇面
4.场曲
5.由一个物点发出的光线经光学系统后，由于像差的存在，像面上
不再是一个集合点，而是一个弥散斑，称之为点列图。
常用点列图的密集程度衡量光学系统的成像质量。
将Show Airy Disk选中，可得到下面的图像：
可以看到爱里斑直径值为5.732，大部分的点都落在“Airy Disk”内。
6.MTF曲线
①MTF曲线越高越好，图中MTF曲线所占面积大于图的面积的1/2，
说明MTF曲线足够高。
②MTF曲线越平越好，图中MTF曲线足够平滑。
③S曲线与T曲线越重合越好，图中S曲线和T曲线比较重合，说明
镜头的像散较小。
变焦镜头zemax优化设计教学 实例
2、在单位标签(Units Tab)： 确认透镜单位为毫米(Millimeters)。
初始透镜参数
• 开始时使用三群透镜组件，每 一群都使用BK7与F2组成之胶 合透镜。透过冕牌与火石材料 的结合可以有效地降低色差。 这个基本的对称型式则可以有 助于平衡像差。
• 第一个键入被参照的为组态一， 可透过「Cfg#」这个栏可以得 知。接着是操作数「CONF 2」
以及应用于组态二的操作数， 然后是组态三。
• 还需要增加新的操作数来限制 每个系统的聚焦长度，将放置
操作数于优化函数的上面。而 每个「EFFL」必须伴随一个 「CONF」操作数。
• 组态一所限制的聚焦长度为 75 mm、组态二为100 mm、 组态三为125 mm。每个 EFFL操作数使用权值「1」。
• 请依照下图所示的参数键入 LDE(镜头数据编辑器)（请忽略半 高(Semi-Diameter)栏）。（或者 是，可以从
\Samples\Tutorial\Tutorial zoom.zmx载入文件）
设罝视场角
• 开启场(Field Data)资料对话框。 • 1、选择「近轴像高(Paraxial
Image Height)」单选按钮 • 2、使用三个场位置 • 3、Y场为0.0、15.1以及21.6 mm • 4、按下「OK」
设罝波长
• 开启波长(Wavelength)资料对话框 • 1、从下拉式选单中挑选「F、d、
C(visible)」 • 2、按下「Select」 • 3、按下「Ok」
• 允许所有透镜个别设罝MC参数为 MC变数。将游标至MCE，按下 「Insert」键三次。现在MCE有四 个列。这些将被设罝为表面3、4、 7以及10的厚度。
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全新菲涅耳透镜设计
Zemax○R菲涅耳透镜设计工具（UDS）--VR/AR解决方案Zemax○R自定义面型（UDS）提供了复杂曲面建模的解决方案,使得复杂建模成为可能。
下面在序列模式下以菲涅耳透镜为例，简要概述其建模，仿真及优化能力。
序列模式下，对菲涅耳透镜的建模尤其是对锯齿建模一直是个难点，以前一直没有好的解决方案。
以前只能通过非序列模式，或者混合序列-非序列模式采用内置的Fresnel 1对锯齿建模。
但非序列模式下（或者混合非序列模式下）Fresnel 1实体建模有一些局限性，体现在：1.锯齿结构都是小平面结构，如果是成像像质方面有要求的设计如VR，其像质很难达到要求。
这种平面结构主要用于照明等领域，像质要求相对较低。
2.锯齿结构的基底面都是平面，使用性受到限制。
目前越来越多的VR使用球面等弧面作为基底，因此弧面基底建模无法完成。
3.优化能力很困难，这主要是基于当某些光线打在无效的锯齿端面，所导致的杂散光造成。
杂散光的形成导致弥散斑尺寸难于控制及评价，因此几乎无法优化或者要经过一些光线筛选等冗繁的工作后，优化才能进行。
4.公差评估几乎无法实现，其目前的建模方法使得公差分析几乎无法进行，比如无法分析面型加工公差等影响，所以无法预判加工的可靠性，给加工及评估带来非常大的困难。
序列模式下，虽然内置有多个菲涅耳面型，但都是理想的菲涅耳面（没有锯齿结构，或者说锯齿非常非常浅），这样的建模方式实际上导致了与实际菲涅耳透镜（带锯齿结构）的不符，导致了根本无法评价其性能参数与实际的成像质量。
本文通过自开发的自定义面型（UDS）在序列模式下实现了菲涅耳透镜的灵活建模，扩展了Zemax○R菲涅耳透镜的建模能力，并且自带有锯齿结构，更符合实际，也可直接用于优化及公差分析，可以导出为CAD文件。
核心功能点：1.基底可以是平面，球面或者是柱面2.锯齿选择可以是小平面近似或者完全光滑的曲面（更高的像质需求）3.菲涅耳折射面可以用高的非球面来表征（至r^10项），用于满足高的像质需求4.可以选择屏蔽杂散光，只对主要像斑点做出评价如点列图尺寸，MTF等5.可以选择锯齿特征，如等深度锯齿，还是等宽度锯齿6.可以设置拔模角（draft angle）7.可直接优化，无需繁琐的杂散光线筛选8.可用于公差分析等9.可以输出面型格点数据或者CAD文件1.基底为球面的菲涅耳透镜2.基底为平面的菲涅耳透镜3.基底为柱面的菲涅耳透镜锯齿结构：小切平面锯齿光滑锯齿面（较高像质）矢高图1.平面锯齿2.光滑锯齿平滑锯齿与光滑锯齿对比CAD输出杂散光与移除杂散光之后设计实例比较：VR单片透镜设计：全视场角96度1.对前后表面采用偶次非球面进行设计中心厚度：11mm2.采用UDS菲涅耳透镜设计，前表面偶次非球面，后表面菲涅耳面中心厚度：7mm。
zmax_1单透镜的设计
Zmax-单透镜的设计目的：开始 ZEMAX，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（ray fan），光程差曲线（OPD），和点列图（Spot diagram），确定厚度求解方法和变量，进行简单的优化。
如：用 BK7 玻璃，在轴上可见光谱范围内，设计一个 F/4 的镜片，焦距为100mm的单透镜。
波长设置：选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）孔径设置：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）选择“系统”中的“通常（General）”菜单项设置表面，每一个面有一个曲率半径，厚度（到下一个面的轴上距离），和玻璃。
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。
此处单透镜来说，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。
分别为：0，1，2，3，面。
输入前镜面玻璃属性，STO面玻璃栏输入BK7。
输入其他参数。
曲率和厚度等。
那么如何判断这个镜片是否合适？先选择“分析（Analysis）”菜单，然后选择“图（Fan）”菜单，再选择“光线像差（Ray Aberration）。
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。
光线特性曲线通过原点的倾斜表示有离焦现象存在。
首先解决离焦的问题，用Solve 来进行操作。
为了将像平面设置在近轴焦点上，在第2面的厚度上双击，弹出SOLVE 对话框，它只简单地显示“固定（Fixed）”。
在下拉框上单击，将SOLVE类型改变为“边缘光高（Marginal Ray Height）”，然后单击OK。
用这样的求解办法将会调整厚度使像面上的边缘光线高度为0，即是近轴焦点。
注意第2面的厚度会自动地调整到约96mm再次查看RAY离焦已消失，主要的像差是球差。
注意图中比例的改变。
实验三 反射聚焦系统 zemax
实验2.2
实验名称：反射聚焦系统
实验要求：设计一椭球反射镜，使其中一共轭点发出的光，汇聚到另一共轭点，成像光斑较小，并使物像位于光轴的上下22.5度，椭球半径为2049mm，二次项系数为－0.111111，物像距反射面的初始距离为2050mm，入设孔径角object cone angle为27度，或近轴F 数paraxial working F为2，波长为0.65um，要求利用fold mirror有效进行坐标变化；根据物距和像距关系找出最佳成像点；利用pick up保证物距和像距大小相等；分析成像光斑的形状和像差。
实验步骤：
1：初始数据
设置入射孔径角为27°，波长为0.65um。
2：镜片设置
将OBJ面的Thickness设为2050，然后将STO的曲率半径设为-2049，Thickness设为-2050，Glass设为MIRROR，Conic设置为-0.111111，之后选择STO添加fold mirror，将角度设置为22.5°，查看结果。
3：优化
设置OBJ的Thickness为变量，使用pick up将STO设置为与OBJ的Thickness相反。
设置优化函数优化并查看结果。
实验结果：
图1 未优化前的IDE
图2 未优化前的3D视图
图3 未优化前的像差
图4 未优化前的像斑
图5 优化后的IDE
图6 优化后的3D视图
图7 优化后的像差
图8 优化后的像斑
ZEMAX功能与用途：
设置入射孔径角，设置椭球面，
实验总结：
通过本次试验学会了如何设计反射聚焦系统，但是优化函数无效果，不知道到底是哪里设置不对，致使系统的参数很不理想，像差很大。
zemax变焦设计操作
各位网友：你们好！前面发的关于“数码镜头设计原理”中的前两贴想已见过了，那里介绍的是最基础的东西。
现在光电产品千变万化，但万变不离其宗，其基本原理，基本理论确不象外表那样善变，使人迷糊。
如果我们建立了扎实的光学与数学的理论基础，那么在接触新产品后，就能快的多的消化吸收，由被动的感性认识，提升为主动的理性认识,，从而在设计上游刃有余。
现在光电产品出现了许多新的特征，利用基础理论去探讨其内在的规律、推演公式去精确的把握它。
在“数码镜头设计原理_变焦篇”中，是基础篇、高级篇基本理论的引深。
变焦设计是个很复杂的过程，有很多是凭着感觉走的。
感觉就是灵感，它能快速引导设计人员在迷宫中及时调整方向，免除了在局部问题上纠缠不休，向更具创造性的思维迈进。
感觉是我们以基本理论作基石，实践经验为引导，在设计领域产生的奇思妙想。
例如：我们在引用专利时，往往是将一个专利改进成合于我们产品性能要求就行了。
大家想过没有，专利也可东拼西凑？如果能这样做，就能使专例可利用的价值大大提升，同时也免除了专利侵权的尴尬场面发生。
另外想过没有，虚拟玻璃在光学设计中不太好控制。
我们可否用特定的方法有效的控制它：我们将玻璃改成虚拟玻璃，然后控制优化步长为单步，或五步。
这样不断观查那些玻璃超出范围，超出的退回前步（每一步存盘一次，退回操作就可用调前次文件来实现），将其固定（不设为变量）。
由于虚拟玻璃比实际玻璃敏感的多，会使色差得到极有效的控制。
在变焦设计中由变焦引入的约束很多，它们干扰了象质的优化，这成为了变焦系统是否设计成功的关键。
如何使这些约束条件的违背在自动设计中越变越小，从而使系统校正能力转移到象差设计中来，框架原理指明了方向。
没有任何这方面的系统论述，要花精力去探讨这个问题，这就是灵感的引导，使我及早找到了变焦设计深入下去的钥匙．．．。
真诚的希望各位朋友，通过学习，把握灵感产生的瞬间，去享受它给你代来的惊喜！我在“Zemax的超级应用”一贴中，指出了将它作为计算器应用的重大意义。
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武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书 I 目录 摘要................................................................ I Abstract........................................................... II 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 谢............................................................. 14 参考文献........................................................... 15 武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书 I 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 武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书
II Abstract This 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 武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书
1 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。 武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书
2 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 武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书
3 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()(2rANrNO （1）
公式（1）中：ON——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。 22NNnSinNAOmm （2）
公式（2）中：ON——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 ——表示入射光线的最大孔径角