变焦镜头zemax优化设计教学 实例
实验四 基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计
实验四 基于ZEMAX的牛顿望远镜的优化设计一．实验目的学会使用ZEMAX软件对典型牛顿望远镜进行优化设计。
二．实验要求1.掌握设立反射镜、使坐标中断的方法；2.学会使用圆锥系数来优化成像质量；3.学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。
三．实验原理1.牛顿望远镜基本结构：抛物面主反射镜+与光轴成45度的平面反射镜构成，是一种全反射式的望远镜物镜；2.对于球面凹面镜成像，有F=R/2的关系；3.圆锥系数（conic系数）：见于LDE窗口中每一行的第7列（Conic），这个系数是描述该行所代表的面的曲面函数中的非球面二次曲面系数，决定了该行代表的面的形状，典型值对应的面形状如下：Conic=0 球面；-1<Conic<0 主轴在光轴上的椭球面；Conic=-1 抛物面；Conic<-1 双曲面。
4.ZEMAX中关于在光路中新添加折叠反射镜仿真实现的步骤：定位置：：在所需要放置反射镜的位置添加一个虚构面（空面），由反射镜要（1） 定位置放置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；（2） 添加反射镜：从主菜单-工具-折叠反射镜里添加一个反射镜，设置相关合适的参数。
5.鬼像与挡光板：（1） 鬼像：成像系统中一些非设计中的反射光线最终沿着非期望的路径达到像面后，会形成鬼像，影响成像质量。
（2） 为了尽可能消除鬼像的影响，对于那些位于光路范围内的中间器件（尤其是口径小于主光路口径的），例如本例中的平面反射镜，一般需要在其前面加一块挡光板，消除这些器件对光线不需要的反射。
挡光板的口径通常要比被挡元件的口径稍大。
（3） ZEMAX中挡光板的具体实现步骤：定位置：：在所需要放置挡光板的位置添加一个虚构面（空面），由其要放a.定位置置的位置决定添加虚构面后相应各面的厚度值的改变；设置参数：：将面型surf：type双击后的Aperture中的光圈类型从noneb.设置参数改为所需要的挡光类型（如圆形挡光），设置合理的挡光半径值，以略大于被挡元件半径为宜。
15.-4利用ZEMAX像质优化与设计举例
15. 4利用ZEMAX 像质优化与设计举例ZEMAX 提供了十分强大的像质优化功能，可以对合理的初始光学系统结构进行优化设计。
设计中光学结构参变量可以是曲率、厚度、玻璃材料参数、圆锥系数、参数数据、特殊数据和多重结构数值数据。
本节首先，通过消色差双胶合望远镜物镜设计和参数分析，介绍利用ZEMAX 默认评价函数的优化设计过程。
然后，通过光路中有棱镜的望远物镜、显微物镜和目镜设计举例能，介绍像差补偿、几何像差控制等在ZEMAX 中的实现以及锤形( Hammer)优化的简单应用。
最后通过变焦物镜设计介绍ZEMAX 中多重结构设计实现。
15.4.1消色差双胶合望远镜物镜设计消色差双胶合物镜设计要求见表15.131)初始结构参数确定初始结构参数确定通常有两种方法，本设计采用初级像差理论求解初始结构方法。
望远系统一般由物镜、目镜和棱镜式或透镜式转像系统构成。
望远物镜是望远系统的一个组成部分，其光学特性的特点是:相对孔径和视场都不大。
因此，望远物镜设计中，校正的像差较少，一般不校正与像高的二次方以上的各种单色像差(像散、场曲、畸变)和垂轴色差，只校正球差、彗差和轴向色差。
在这三种像差中通常首先校正色差，因为初级色差和透镜形状 无关，校正了色差以后，保持透镜的光焦度不变，再用弯曲透镜的方法校正球差和彗差，对已校正的色差影响很小。
由初级像差理论可知，双胶合透镜成为消色差双胶合透镜的条件是，双胶合透镜的正负光焦度分配应满足下式:12φφφ=+，1112V V V φφ=-，2212V V V φφ=- （15.22）式中:φ、1φ，和2φ分别双胶合物镜、正透镜和负透镜的光焦度(焦距值的倒数)，1V 和2V 为正负透镜所选玻璃的阿贝数V 。
本示例中，正、负透镜的玻璃材料分别选用K9和ZF1，对应的n 1d =1.. 51637 , V 1=64. 07 , n 2d == 1. 64767 ,v 2=33. 87。
ZEMAX课程设计——照相机物镜设计
ZEMAX课程设计——照相机物镜设计一、(课题的背景知识，如照相机镜头的发展概况，类型及其主要技术参数的简要说明)二、课程设计题目设计一个照相物镜，1)光学特性要求：f’=100mm；2ω=30︒;；D/f’=1:3.5.2)成像质量要求：弥散斑直径小于0.05mm；倍率色差最好不超过0.01mm；畸变小于3%。
三、设计课题过程1、参考Ernostar和Tessar联合型物镜设计相关数据，对其进行相关改进。
Ernostar和Tessar联合型物镜设计相关数据如下表1（其中焦距f’=75.68mm；相对孔径D表12、根据焦距曲率镜片厚度之间的比例关系，即f1／f2=r1／r2=d1／d2,得到焦距100mm，相表23、启动ZEMAX，将表1数据输入到LDE，相关步骤由以下图给出（1）打开ZEMAX。
（2）输入数据。
在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入所要的波长，同时可选用不同波长，本实验中在第一列键入0.486，单位为microns，第二第三列分别键入0.587、0.656。
在primary 中点击选1，即用第一个波长为近轴波长。
（3）输入孔径大小。
由相对孔径为1：3.5，焦距为100mm得到，孔径D=100／3.5=28.57143mm。
在主选单system 菜单中选择general data,在aper value上键入28.57143。
（4）输入视场角。
（5）输入曲率，面之间厚度，玻璃材质。
本实验中共有5组透镜，其中最后两组为双胶合透镜，故共有9个面，回到LDE，可以看到三个surface，STO（孔径光阑）、OBJ（物点或光源）、IMA（像屏），在STO前后插入几组surface，除IMA外共计9组surface,输入数据。
最后根据参考实验图确定STO在第6面上。
①点击layout,画出2D图形②点击spot diagram ,画出点阵图由图看出光波在波长1、2、3下的弥散斑直径大小分别为33.625、54.419、64.768（单位：微米），其中第2、3波长弥散斑大小大于50微米，不符合要求，故需要改进。
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。
15.-4利用ZEMAX像质优化与设计举例
15. 4利用ZEMAX 像质优化与设计举例ZEMAX 提供了十分强大的像质优化功能，可以对合理的初始光学系统结构进行优化设计。
设计中光学结构参变量可以是曲率、厚度、玻璃材料参数、圆锥系数、参数数据、特殊数据和多重结构数值数据。
本节首先，通过消色差双胶合望远镜物镜设计和参数分析，介绍利用ZEMAX 默认评价函数的优化设计过程。
然后，通过光路中有棱镜的望远物镜、显微物镜和目镜设计举例能，介绍像差补偿、几何像差控制等在ZEMAX 中的实现以及锤形( Hammer)优化的简单应用。
最后通过变焦物镜设计介绍ZEMAX 中多重结构设计实现。
15.4.1消色差双胶合望远镜物镜设计消色差双胶合物镜设计要求见表15.131)初始结构参数确定初始结构参数确定通常有两种方法，本设计采用初级像差理论求解初始结构方法。
望远系统一般由物镜、目镜和棱镜式或透镜式转像系统构成。
望远物镜是望远系统的一个组成部分，其光学特性的特点是:相对孔径和视场都不大。
因此，望远物镜设计中，校正的像差较少，一般不校正与像高的二次方以上的各种单色像差(像散、场曲、畸变)和垂轴色差，只校正球差、彗差和轴向色差。
在这三种像差中通常首先校正色差，因为初级色差和透镜形状 无关，校正了色差以后，保持透镜的光焦度不变，再用弯曲透镜的方法校正球差和彗差，对已校正的色差影响很小。
由初级像差理论可知，双胶合透镜成为消色差双胶合透镜的条件是，双胶合透镜的正负光焦度分配应满足下式:12φφφ=+，1112V V V φφ=-，2212V V V φφ=- （15.22）式中:φ、1φ，和2φ分别双胶合物镜、正透镜和负透镜的光焦度(焦距值的倒数)，1V 和2V 为正负透镜所选玻璃的阿贝数V 。
本示例中，正、负透镜的玻璃材料分别选用K9和ZF1，对应的n 1d =1.. 51637 , V 1=64. 07 , n 2d == 1. 64767 ,v 2=33. 87。
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。
设计实例zemax设计照相物镜详细过程
照相物镜设计实例
照相物镜的技术指标要求：
焦距：f’=9.6mm； 焦距：f’=9.6mm； 相对孔径D/f’不小于1/2.8； 图像传感器为1/2.5英寸的CCD， 成像面大小为4.32mm×5.76mm； 后工作距>5mm 在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波 长)； 1m成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm 轴外0.707 >35%@100 lp/mm ������ 最大畸变<1%
在镜片厚度（Thickness）列顺序输入表1-2中的 镜片厚度；在第七个面厚度处单击右键，选择面 型为Marginal Ray Height。在镜片类型（Glass） 列输入镜片参数，方法是:在表中点右键对话框 Solve Type选中Model，Index nd中输入n值， Abbe Vd中输入v值。结果如下图2-1在systemgeneral-aperture中输入相对孔径值2.8，在 system-wavelength中输入所选波段，根据要求选 d光为主波长。然后在tools-make focus中改焦距 为12mm进行缩放。
照相物镜镜头设计与像差
分析
设计实例
光学设计流程
光学设计初始结构方法
1、计算法
2、计算结合经验法
3、经验法
4、查资料法(孔径、视场、波长、 焦距，整体缩放)
查资料法:确定初始结构
查资料法
E.F.L----Effective Focus Length （有效焦距） B.F.L----Back Focus Length （后工作距） FNo.----F Number （相对孔径） F.A.----Field Angle (视场角)
该镜头不仅体积小, 结构紧凑, 而且像质较 好。在此次设计中，发现光阑面使用非球 面能够很好的平衡像差，只进行了对玻璃 厚度和曲率的简单优化，查阅相关资料后 设想如果将第一面的透镜换为鼓形透镜， 第二面换为弯月透镜或换成折射率更高的 玻璃，还可以进一步做出深度优化，使之 获得更好的性能 。
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。
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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。
键入多组态参数
• 键入参数。将游标置于MCE的最 左行的第一列并且按下左键。这将 开启多组态操作数1(Multi-Config Operand 1)的对话框。用来设罝表 面三的厚度。以下是键入资料的快 速方式。
镜； • 4、透镜厚度：中心与边缘厚度须大于
2 mm，中心厚度须小于10 mm；
• 5、透镜间距：中心与边缘距离必 须大于1 mm；
• 6、视场角度：近轴像高为0、15.1、 21.6 mm（针对35 mm的胶片）；
• 7、波长范围：F、d、C（可见光 波段）。
设罝系统参数
• 开启系统(System)，一般(General) 对话框。
定义多组态透镜
• MC的参数将设罝于多组态编辑器 (Multi-Configuration Editor(MCE))。 选择编辑器(Editor)，然后从主选 单列中挑选多组态(MultiConfiguration)，开启MCE（或使 用功能键F7）。
• 从MCE主选单列中挑选Edit，然后 插入组态(Insert Config)两次。现 在MCE将有三行组态。只有被键 入进MCE的参数才会在组态间有 所差异。没有被键入进MCE的参 数将保持为定值。
变焦透镜 (Zoom Lens)
• ZEMAX中MC(MultiConfiguration，F7)功能的一个 常见应用为变焦透镜设计。这 个例子将涵盖变焦透镜的基本 设罝与优化。
变焦透镜系统的简易规格：
• 1、有效焦距：75、100、125 mm； • 2、入瞳直径：25 mm（F/3、F/4、
F/5）； • 3、三群镜组：皆为BK7与F2的胶合透
• 6、Enter - 「M」- Enter – 向下键 (Down Arrow)
• 7、等等...
• （Samples\Tutorial\Tutorial zoom 2.zmx的透镜文件显示到这里的所有内 容）
设罝透镜尺寸
• 所有组态的镜组必须有同样的 尺寸(半高(Semi-Diameter))。 这里可以透过解(Solve)来进行 限制。
• 「最大(Maximum)」半高的 解将被设罝每个组态中，每 个表面半高的最大要求，这 将确保边缘厚度的边界条件 不被违反，不会产生异常的 透镜。
• 解设罝：
• 1、选择：RMS – Spot Radius – Centroid
• 出瞳积分方法(Pupil Integration Method)选择 Gaussian Quadrature
• 2、厚度边界条件 • 玻璃：2、10、2 • 空气：1、200、1
增加限制条件
• 注意在MFE的第一个操作数为 「CONF」。所有MC的优化函 数将以此操作数开头， 「CONF」操作数指示的操作 数参照哪个组态。
Tab、7、Enter • 3、右键、「T」、「T」、「T」、
Tab、10、Enter • 在下拉式选单里搜寻第一个字符。
「10」是第二个被选择的。
设罝多组态变数 设罝编辑器内所有项目为MCE变数。
(Ctrl+Z)
在LDE，也设罝所有透镜的曲率与 厚度为变数。
建立多组态优化函数
• 开始建立默认的优化函数 (Default merit Function)。开 启MFE(功能键F6)，在MFE 主选单挑选Tools\Default Merit Function
• 1、将游标置于表面一的半高栏 上，并且按下Enter。
• 2、按下「M」以选择 「Maximum」的解型态。
• 3、按下Enter接受设罝
• 4、按下向下键(Down Arrow)到表面二。
• 重复其余的面，除了孔径以及成像面。 快速设罝如下所示：
• 5、Enter - 「M」- Enter – 向下键 (Down Arrow)
• 1、按下「T」键三次。在「操作 数类型(Operand Type)」下拉式选 单内将选择「THIC」。
• 2、按下Tab。游标将被移置「表 面(Surface)」栏。
• 3、按下3以选择表面三。
• 4、按下「OK」。
• 针对其它三个表面再设罝三次： • 1、右键、「T」、「T」、「T」、
Tab、4、Enter • 2、右键、「T」、「T」、「T」、