光学设计软件ZEMAX简介

双胶镜头是个比较好的练习： 几乎所有光学设计都有双胶合透镜，其中一块正透镜常用冕玻璃，负 透镜用火石玻璃， 通过正确选择玻璃，可以校正 球差、彗差和轴向色差，


有些设计，可以通过将单透镜分裂为双胶合透镜得到改进。
3个曲率半径，
双胶合透镜包含的结构参数有：


3个厚度值，
2种玻璃的折射率和V-number， 光栏的位置。
照度 像分析 双目分析 其它 畸变系数 计算 渐变折射率 偏振 膜层 物理光学
工具菜单

优化 公差 套样板 玻璃库 镜头库
报表菜单
表面数据 系统数据 规格数据 图形4/6报告
表面数据
包括表面和单元的光焦度、焦距、边缘厚度、 折射率等信息。
系统数据
包括光瞳位置与大小、倍率、F数等信息。
规格数据
包含了镜头的几乎所有数据。 包含总体数据、表面数据、表面细节、边缘 厚度、多重结构数据、解答和变量、折射率 数据、全局顶点、元素体积、F数、主点等 信息。
宏菜单和扩展菜单
练习
题目：光线通过一个透镜，遇到一个反射镜 以后，反射回来，再次通过这个透镜。 具体要求
物距100，光栏在反射镜上； 透镜厚度10，玻璃为BK7，NA=0.1，两个面的曲 率半径初始值分别为100，－100 透镜到反射镜的距离为100 物高为10，一个视场点；光源波长0.55 对spot radius进行优化 使用pick up保持曲率半径的一致
系统孔径
决定入瞳大小，决定光学系统在物空间收集 多少光线 孔径类型
Entrance Pupil Diameter 入瞳大小 Image Space F/# 像空间近轴F数(f/D) Object Space Numerical Aperture 物空间边缘光线数值孔径 Float by Size 入瞳大小由光栏半径决定 Paraxial working F/# 像空间近轴工作F数(1/2ntg) Object Cone Angle 物空间边缘光线的半角
增加边界约束条件
优化玻璃
第一步：系统General data设置
选择“Gen”按钮，在aperture type中选择Entrance pupil diameter，Aperture value为50。
第二步：视场和波长的设置
点“Fie” 和“Wav”按钮， 视场角为0，7，10三个， 波长直接选择可见光。
选中此项，则存储每个窗口的设置和它们在 屏幕上的大小位置等所有信息。 除了.ZMX文件外，还产生一个.SES文件。
两种光线追迹模式
Sequential or Mixed Sequential/Non-Sequential Mode 序列和混合序列与非序列模式（共轴模式）
Non-Sequential Mode 非序列模式（非共轴模式）
用ZEMAX进行设计需要你的光学设计知 识和经验。

参考书目
几何光学.像差光学.设计 李晓彤著 浙江大学出版社 工程光学设计 萧泽新著 电子工业出版社 工程光学基础 徐家骅著 机械工业出版社 应用光学 安连生著 北京理工大学出版社 工程光学 郁道银、谈恒英著 机械工业出版社
ZEMAX界面
ZEMAX界面
ZEMAX是焦点公司的产品，在大陆的代理 商是讯技光电科技(上海)有限公司。 共有三个版本 Zemax-se (标准版) Zemax-xe (完整版) Zemax-ee (专业版)
Hale Waihona Puke ZEMAX能够辅助你设计光学系统，但不 能教你如何去进行镜头或光学系统的设计， 更不能自动智能设计。
第三步：建立surface data
建立6个面，包括Obj, Stop,3 lens和image surface。
输入玻璃牌号，前面为BK7,后面为火石F2。
第四步：为F/#添加Solve
在光学面4的curvature上，增加solve： 将surface 4的radius栏上点右键， 选择F/#的solve type，输入其值为8 ， ZEMAX会自动调整这个面的曲率半径的值。
分析：此功能不是用于改变镜头数据，而是根 据这些数据进行数字计算和图像显示分析。 工具：用来改变镜头数据，可以从总体上对系 统进行计算。包括优化、公差、样板匹配等。 报告：提供镜头设计的相关文档。 宏：用于编辑运行ZPL宏。 扩展功能：提供Zemax提供的扩展功能。
文件菜单
使用session文件
Optimization使用建议
在设计初期优化时不需要追迹所有视场和波 长的光线，这样可以节省时间。 使用视场点平衡 使用solve 尽可能用默认优化函数 要搞清楚哪些量在变 用比较好的初始结构
使用视场点平衡
选择适当的视场点数目，使视场划分为等面 积的圆环。 对比较小的视场，就用0，1两个视场 对中等视场（小于20度），就用0，0.7和 1三个视场 对大的视场，就用0，0.577，0.816和1 四个视场
第五步：建立优化函数
打开Editor>>Merit function，
打开Default merit function对话框，选择 RMS spot radius作为优 化数据，加入边界约束条件。
第六步：设置变量并优化
将2个曲率半径和4个厚度都设置为变量， 优化计算。 结果的2D layout和ray fan如下：
设计要求
用F，d, C光
EPD=50mm F/8 FOV=10度 最小的边缘/中心厚度为4mm，最大中心厚度为 18mm 使用合适的标准 选择合适的玻璃
设计过程
定义系统的孔径
定义视场和波长(各3个) 定义正确的面数
增加F/# solve
假定初始玻璃为常用的冕玻璃和火石玻璃：BK7和F2 建立优化函数，用RMS spot radius优化
编辑菜单
镜头数据 评介函数 多重结构 公差数据 附加数据
系统菜单
通用数据 视场 波长 下一重结构 最后结构
分析菜单

系统外形图 扇形曲线图 点列图 调制传递函数 点扩散函数 波前 表面 均方根 包围圆能量

共轴模式（常用）
以光学面来建构模型。 计算时考虑光学面之顺序。 各光学面只计算一次。 计算速度快,时间短。 可作优化计算(Optimization) 及
公差分析(Tolerance)
非共轴模式
以物件之观念建构模型。 无顺序之考虑。 对同一物件可同时计算穿透,反射,吸收及散 射。 需模拟大量光线(需较长时间)。 最接近真实光线之行为。 无法作优化及公差分析。
使用solve
尽量用solve的功能 如： 在曲率半径上用MRA或F/#控制F/#或EFL 在厚度上用MRH控制焦点的位置 用Pick up 使不同面的对应量之间保持联系
标题栏及快捷键
文件：用于镜头文件的打开、关闭等。 编辑：用于调用其它的编辑窗口。 系统：用于确定整个光学系统的属性。
第七步：分析
哪些像差已经校正了？哪些没有校正？哪个是主要的像差？光 栏的位置如何？
本设计中： (1)不需要专门指定色差的目标值 (2)缺省优化函数对轴上色差有比较好的校正 (3)将光栏向离开透镜的方向移动，会引入横向色差 (4)边界条件基本满足 (5)可以将stop向透镜的方向移动，以减小横向色差。
光学设计软件ZEMAX简介
赵晨光
什么是ZEMAX？

设计工具，助手
ZEMAX是一个用来模拟、分析和辅助设 计光学系统的程序。 同类型的光学设计软件还有Code V， Tracepro，Oslo等。
ZEMAX特点
界面友好，容易上手，资料丰富 可建立反射、折射、衍射及散射等模型 可进行偏振、镀膜和温度、气压等分析 有强大的像质评价和分析功能 丰富的资料库，大量现成的镜头和玻璃、样 板数据，可供用户选择。
设定视场（Field)
可以设置12个视场，可以是下面四种形式： ﹡物方视场角（Angle(Degree)） ﹡物高（Object Height） ﹡近轴像高（Paraxial Image Height） ﹡实际像高（Real Image Height）
工作波长（Wave）
ZEMAX最多可以定义12个工作波长。 必须设定一个主波长（Primary,也称作参 考波长），它是用来计算系统的effective focal length, system apertures, F/#等数值。其它波长可用来计算色差。 根据不同波长的重要性，权重可以不同。 波长单位为微米。
优化（Optimization）
Optimization是Zemax最重要的功能之一 Optimization是通过改变光学系统中的结 构参数的值来提高系统的成像质量的。
Zemax提供了默认的评价函数
Zemax提供了200多种操作数（用4个大 写字母缩写组成），如EFFL，可以控制包 括系统参数、像差、MTF、圆内能量集中 度、光线约束、边界条件约束、玻璃材料的 范围等。
镜头数据
面形 注释 曲率半径 厚度 材质 孔径 镀膜
练习
目的：练习如何建立初始结构、设定视场和 工作波长。 题目：建立一个单透镜，入瞳直径20mm， 两个面的曲率半径分别为50mm，-70mm， 中心厚度为4mm 视场0，7，10度 波长：可见光 玻璃材料：BK7
例子：双胶镜头设计