光学设计实例--单透镜
单透镜设计优秀论文
单透镜设计一、设计目的：了解ZEMAX在光学设计中的作用，学会运用zemax实现建模并分析的功能，对《工程光学》的应用光学部分的主要内容进行系统的复习。
并设计一个符合要求的单透镜。
单透镜的设计结构虽然简单，但对于我们学生来说，在这种简单的成像设计过程当中，有助于我们理解Zemaxr的界面，学习基本的设计理念和策略。
初步掌握Zemax的基本操作等等,有利于以后的工作上的使用.二、设计要求：设计一个单个镜头设，其要求如下：入瞳直径:30mm,曲率半径:-75,-55,厚度8mm,材质为BK7玻璃,像面自己估算估算后代入，光源为可见光(F,d,C),视场角为0°、7°、10°三、设计思路：由于我们设计是比较简单的单个镜头，利用光学软件Zemax可以非常方便进行模拟，按照给定要求确定单个透镜的各个参数。
为了降低系统的像差，完成设计受，再进行优化，使系统达到我们预期的要求。
四、设计过程：本人使用汉化版Zemax2005 ，其操作界面如下图所示：1、设计透镜的系统的基本参数：（1）、入瞳直径设计：点击“Gen”在“General”窗口的“Aperture”选项卡中，光圈类型选择“入瞳直径”，光圈值键入“30”；在“Units”选项卡中，镜头单位选择“毫米”，其他默认选择。
如下图所示，（2）、波长设置点击“Wav”，在“Wavelength Date”窗口勾选：1、2、3，在“选择->”下拉列表中选择：F,d,c (Visible)，最后确认。
如下图所示：注;F,d,c (Visible)是红绿蓝三色可见光。
（3）、视场角设置点击：“Fie”，在“Field Data”窗口，勾选“1、2、3，并在Y--视场中键入0、7、10。
如下图所示：（4）、透镜基本参数设置如图所示，就是所谓的单透镜，是指由两个折射曲面（曲面半径分别R1、R2）围成的透明体，其中折射面可以是凹凸平。
LDE的每一行对应单独的一个面。
设计大孔径小视场非球面单透镜
设计大孔径小视场非球面通过工程光学的学习，我们知道大孔径小视场的球面单透镜，其像差大得难以忍受，对于球面单透镜而言这是难以解决的问题。
不过随着非球面的出现，这已经不再是难题。
下面我们使用ZEMAX 软件设计一个非球面单透镜。
1.计算并输入初始透镜数据假设用BK7玻璃（n d =1.516800，v d =64.167336）来设计一个焦距f ′=50mm ，相对孔径D/f ′=1/1，视场2w =2o 的单透镜，首先使用薄透镜光焦度公式Ф=(n -1)(ρ1-ρ2)估算出透镜的曲率半径（双面等凸）约为50mm 和-50mm [5]。
然后运行ZEMAX 。
主屏幕会显示镜片数据编辑表（LDE ）。
首先我们需要为镜片定义一个孔径。
由于焦距f ′=50mm ，相对孔径D/f ′=1/1，所以孔径取50mm 。
点击快捷键“Gen ”，出现“通常数据（General Data ）”对话框，单击“孔径值（Aper Value ）”一格，出现“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter ）” 对话框，输入值：50。
下来注意到在LDE 中显示的有三个面：物平面（OBJ ）、光阑面（STO ）、像平面（IMA ）。
对于透镜来说，我们共需要五个面：物平面、光阑面、前镜面、后镜面和像平面。
移动光标到像平面的“无穷（Infinity ）”之上，按INSERT 键两次，插入2和3面。
输入透镜半径和使用的玻璃，注意缺省的单位是毫米。
透镜厚度先填入0，即薄透镜状态，可以看到ZEMAX 底框中EFFL 约为50mm ，说明薄透镜曲率半径的计算结果正确，但透镜厚度为零的镜片在现实中是找不到的，所以输入厚度25mm 来进行设计。
接着我们为系统输入波长。
点击主窗口上方的快捷键“Wav ”，屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data ）”对话框，填入0.5875618（缺省的单位是微米），权重为1，然后按“OK ”键退出。
ZEMAX单透镜设计例子详细(多图)
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xx视窗为透镜资料xx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。
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)。
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。
光学设计实例-双胶合透镜非球面单透镜激光扩束镜
8次系数，所得结果存在高级彗差，再改初值（半径和Conic）产生反向初级彗差与
之平衡，再重复上述过程。
4
优化实例（3） ：优化结果
5
优化实例（3）
6
优化实例（3）
7
优化实例（3）
8
主要内容
• 光学设计软件ZEMAX简介 • 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非球面单透镜 4-激光扩束镜 5-显微镜物镜 6-双高斯照相物镜
3
2
优化实例（2） --优化结果
3
优化实例（3）
非球面单透镜：f’=60，D/f’=1:1, 2 =±1°
利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。 简单采用Default merit Function做优化，一般得不到结果，为此先通过AnalysisAberration coefficients-Seidel coefficients, 即初级像差计算得到适当的校正S2的半
11
实例4 激光扩束镜的设计
消色差设计结果
工作波长1053nm下的像质
12
实例4 激光扩束镜的设计
补偿镜设计结果
工作波长1053nm下的像质
13
实例4 激光扩束镜的设计
补偿镜设计结果
检验波长632.8nm下的像质
14
• 公差计算
9
实例4 激光扩束镜的设计
目的 工作波长与检验波长不同时，如何设计补偿光路以完 成系统检验。 方法
1）消色差设计：使光学系统在工作波长与检验波长下的位置重合 优点：最佳选择，但有时不一定能设计出来，或使系统复杂化。 2）加平行平板：在工作波长下完成设计后，在两个镜组之间加入一 块适当厚度的平板，使其在检验波长下的像质优于衍射极限。 优点：结构简单，易操作。 因为平板可以放在任何地方，检验光路的像质与平板距前 后镜组的距离无关。 3）加补偿透镜：在工作波长下完成设计后，在准直（大口径）镜组 外侧加入一块适当结构的透镜，使其在检验波长下的像质优于衍 射极限。 不足：透补偿镜与准直镜组的距离、同心度会影响检验光路的 像质。 4）检验合格后，拿掉补偿镜即达到在工作波长满足要求的光学系统。
zemax应用举例1-单透镜
8）单透镜还能更好吗？ 单透镜还能更好吗？
方法二
优化结果
慧差几乎为零 系统成像质量几乎没有改变
8）单透镜还能更好吗？ 单透镜还能更好吗？
方法三
优化结果
慧差几乎为0 慧差几乎为0，像散也非常小 点列图尺寸变大 此系统中主要存在球差和场曲两种像差
8）单透镜还能更好吗？ 方法四 单透镜还能更好吗？
优化后单透镜结构参数
点列图 横向像差（光线扇形图） 横向像差（光线扇形图）
优化结果：MF=0.0659 优化结果： 存在问题：厚度太厚，不实用 存在问题：厚度太厚， ---增加厚度限制条件 ---增加厚度限制条件 单透镜中的可变参数：两个曲率半径， 单透镜中的可变参数：两个曲率半径， 两个厚度， 两个厚度，光阑位置 现在的可变参数：前曲率半径及透镜厚度， 现在的可变参数：前曲率半径及透镜厚度， 且厚度作用不大 如何改善？ 如何改善？ ---离焦 ---离焦 ---光阑位置可变 ---光阑位置可变
6）进一步优化
优化结果
Rear landscape
成像质量大大改善！ 成像质量大大改善！
7）另外一种可替代的结构
Front landscape
8）单透镜还能更好吗？ 单透镜还能更好吗？
方法一
优化结果
SPHA
1.079 33 72 RMS spot size 48 98
2.799
结论： 结论： 1、单透镜不能校正球差 2、优化特定的像差结果往往不理想
例子1 例子1
单透镜
1）设计要求： 设计要求： 入瞳直径： 入瞳直径：40mm F/# : F/10 材料：BK7 材料： 物距： 物距：无穷远 2w=100 波长： 波长：0.587um 光阑在系统第一面 要求在近轴焦点处系统有最好的RMS 要求在近轴焦点处系统有最好的RMS spot size
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。
单透镜——应用光学课程设计报告
单透镜——应用光学课程设计报告广东海洋大学《工程光学》课程设计题目：单透镜设计姓名：李力飞学号：201211911114学院：理学院班级：电科1121指导老师：陈劲民广东海洋大学一.设计目的查阅光学设计软件ZEMAX资料，初步了解ZEMAX在光学系统设计中实现建模、分析的功能；对上学期《应用光学》课程作一扼要系统的复习。
根据设计要求，运用ZEMAX进行辅助设计按要求给出设计结果及撰写设计报告和个人心得总结。
二.设计要求入瞳直径:30mm曲率半径:75,-85mm厚度5mm材质为BK7玻璃光源为可见光(F,d,C)视场角为0°、7°、10°三.设计思路直接将要求作为初始结构参数，输入ZEMAX，并得出初始结果选取透镜两面半径，焦距作为变量进行优化对第一次优化结果进行像质评价，针对不同像差用对应的评价函数优化，直到像差符合要求1李力飞四.设计过程1）入瞳设置入瞳直径为30mm2）视场设置视场角为0度，7度，10度2广东海洋大学3）波长设置波长为F光（0.486），D光（0.587），C光（0.656）单位：um4）透镜参数设置OBJ 和IMA分别为物面，像面。
物面厚度（Thickness）为无穷远，即物距为无穷远。
1.在光阑面（STO）后插入一个新的面2，作为透镜的第二个面。
2.透镜第一面，第二面半径分别为75mm和-85mm。
3.由公式f’=nR1R2/(n-1)[n(R2-R1)+(n-1)d],得出透镜焦距f’=78mm，并将f’作为第二面厚度；透镜厚度d=5mm作为第一面厚度。
（BK7玻璃折射率：1.5168）3李力飞5)评估系统性能1. 3D草图图中可明显看到轴外和轴上的光线都没有聚焦在高斯像面上，这主要是因为系统存在严重的球差，场曲。
4广东海洋大学2.光线像差曲线（RAY FAN）从曲线中可看出主要存在球差，场曲，子午慧差球差：0视场图曲线离轴较严重，特别是全孔径处场曲：7，10视场图原点处曲线斜率不为0子午慧差,7，10视场子午曲线弯曲较严重，或者曲线两端连线与纵轴交点和原点不重合像散：10视场图子午，弧矢曲线不重合，即子午焦面与弧矢焦面不重合5李力飞3.点列图（Spot Diagrams）主要存在球差，慧差，像散球差：0视场RMS（弥散斑半径的方均根）GEO（弥散斑半径）都很大慧差：7，10视场图形形状可看出存在慧差像散：10视场图形呈椭圆状，说明子午像面和弧矢像面不重合子午场曲：10视场图呈椭圆状6广东海洋大学6）优化系统一.设置变量将STO面和2面半径，2面厚度设为变量。
ZEMAX光学设计第02讲ZEMAX实例：单透镜设计
球差
最小模糊圈 近轴焦点
横向像差 纵向像差 球差存在时最清楚面不在近轴焦点处！
光学像差 分类
•几何像差（单色像差）
–起源于非近轴光线的聚焦
• 球差 (spherical aberration) • 彗差 (coma) • 像散 (astigmatism) • 场曲 (field curvature) • 畸变 (distortion)
•色像差 Chromatic aberration
–起源于透镜折射率随波长改变，因此不同颜色聚焦 在不同位置
像差的起源
• 球差 (spherical aberration) • 彗差 (coma) • 像散 (astigmatism) • 场曲 (field curvature) • 畸变 (distortion)
ZEMAX光学设计 (第2讲)
Optical Design & ZEMAX
ZEMAX实例：单透镜设计
1.设计流程
系统参数输入 初始结构创建 优化变量设置 评价目标函数设置
像质分析 系统改进提高
再优化
2.单透镜设计实例
（1）LDE 透镜数据编辑
（2）孔径、视场、波长参数输入
3.球差
longitudinal aberrations
像差的起源
其他五种像差
• 统称为几何像差 • 在后面一一描述
球差
慧差
像散
场曲
畸变
H. Gross ed., Handbook of Optical Systems, Ch29.4, Wiley-VCH (2007)
像差的起源
• 另一种常见的像差表示法Zernike多项式
垂直倾斜
45°像散
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
–p: 优化函数结果，v: 变量；
• 为了使残余结果的平方和最小(最小二乘法)，对每个变 量联立方程求解；
• 重复上述过程直至实现最优化。
4
• 公差计算
（由于时间关系，后面几个常规的设计实例不一定能讲完）
2
• 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。 • ZEMAX 可以模拟序列性（Sequential）和非序列性（nonsequential）系统，分别针对成像系统和非成像系统。 • 可设计光学镜头、照明系统，模拟激光束传输、杂光分析， 自由曲面光学设计…… • ZEMAX 有两种不同的版本：
Modulation Transfer Function
或
PSF Analysis 或
Mtf PSF Psf FFT Point Spread Function
9
光学性能分析(Analysis)
ZEMAX-SE：标准版，用于成像光学系统（序列光学系统）的设计； ZEMAX-EE：工程版，在ZEMAX-SE基础上，增加了物理光学、非序 列光线追迹、偏振光线追迹等先进功能计过程
• 计算机的出现，极大地促进了光学设计进程，但设计 者的知识与经验是获得优良光学系统的基本条件； • 大多数光学设计程序（优化功能）的本质如下：
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求（需求分析） 2. 选择具有代表性的切入点
• 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-r、厚度-d、空气隙-d、玻璃特性-n、 • 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 • 另一种方法是返回步骤2——选择的初始结构可能不合理，达不到预期要 求
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
5
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
输入孔径（有几种方式，如F#（物方或像方），NA （物方或像方）， Aperture，… ） • 在屏上找到Button Gen ，按出Dialog box，按Aperture，挑选Aperture type，并输入数值。 • 可以从System内选General ，按出Dialog box 。 • 可从File 内选择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 输入视场： System Gen Field Aperture
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。
1
主要内容
• 光学设计软件ZEMAX简介 • 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非球面单透镜 4-激光扩束镜 5-显微镜物镜 6-双高斯照相物镜
7
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，这主要 是Analysis菜单中的各种功能。 ＊系统结构和光路图（Layout）：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内是否 存在显著错误、光路与预期相符，等。 2D Lay out Analysis 或即按Button 几何像差与波像差：
Analysis
Lay out Lay L3d Ele Fan Ray Opd
or 3D Lay out Element drawing （零件图） Ray aberration
Optical Path
或即按Button 各个视场的波像差均方值
Analysis
RMS
RMS vs Field
8
或 RMS
视场：半视场角、物高、近轴像高、实际像高
6
用ZEMAX进行光学系统设计
输入波长 System 输入半径、厚度、玻璃 Editor Lens data Wav
可用Select选定常用谱线；
可直接输入波长值（单位：微米） 设定谱线weight 设定主波长（Primary）
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”; • 修改Radius，由Fixed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。 Glass catalogs 所选玻璃表是在 Gen 内选定，可同时 挑多个表；也可打入玻璃牌号，程序自动找玻璃库 • 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)
畸变和像散、像面弯曲 Analysis 或 Miscellaneous Fcd Calculations 或 MTF Analysis MTF Sei Seidel coefficients Field Curv/Dist
Seidel 像差系数 Analysis