基于ZEMAX的红外光学系统设计与优化

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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。

基于Zemax的小型化车载红外夜视系统的设计

《工业控制计算机》2019年第32卷第1期∗2018年大学生创新创业训练计划项目(省级指导201810324009X )汽车中的照明系统虽然能够提供一定的照明,但在雨天、雪天或大雾等能见度低的环境下夜间视距不远。

虽然可以利用远光灯来改善,但会影响逆向车道上行驶车辆中驾驶员的视线,使司机眩目,眼睛疲劳,所以很少使用[1-2]。

车载红外夜视成像技术能够观察到比普通汽车前大灯远3倍至5倍的距离,将在很大程度上提高在特殊天气行驶时汽车驾驶员、乘客及第三方的安全性[3-5]。

车载红外夜视镜头作为安全防护设备,具有体积小、重量轻、安装简便等特点,可以安装在多种车型上。

2009年北京91917部队设计了一种基于半导体激光器的主动车载红外夜视系统[6];2014年燕山大学采用近红外光源与红外摄像机实现了主动红外夜视系统的设计[7];2017年芜湖职业技术学院设计了一种主动式车载红外夜视系统[8]。

对于主动红外夜视系统的研究较多,但是由于使用光源,其结构一般较复杂,有效探测距离有限。

长春理工大学提出了采用衍射光学元件实现折衍射混合被动车载红外夜视系统的无热化设计,但是并没有考虑衍射面上光线的入射角度对衍射效率的影响[9-10]。

单层衍射光学元件的衍射效率随入射角度的增加,衍射效率逐渐降低。

本文提出了斜入射时单层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率。

基于衍射光学元件的消色差和消热差特性,设计了一个含有单层衍射光学元件的车载红外夜视系统。

1车载红外夜视系统的设计原理工作在长波红外8~12μm 的车载红外夜视系统,为了在一定温度范围内实现光学系统的无热化设计,设计时要求光学系统满足光焦度分配公式、消色差和消热差公式[9,11-14],三个方程如下所示:ni →1∑h iϕi=ϕ(1)△f T b =(1h 1ϕ)2∑(h 2i ωi ϕi )=0(2)df T b /dt=(1h 1ϕ)2∑(h 2i χi ϕi )=αh L(3)式中,h i 为第一近轴光线在第i 个透镜上的入射高度;ϕi 为第i 个透镜的光焦度;ϕ为光学系统总的光焦度;f b 为光学系统的后焦距;ωi 为第i 个透镜的色散因子,即由色散引起的光焦度的相对变化,其值等于光学材料阿贝数的倒数;x i 为第i 个透镜的光热膨胀系数;αh 为外部机械结构的线膨胀系数;L 为机械结构的长度。

使用ZEMAX设计、优化、公差和分析

使用ZEMAX设计、优化、公差和分析使用ZEMAX?于设计、优化、公差和分析摘要光学设计软件ZEMAX?的功能讨论可藉由使用ZEMAX 去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。

简介 ZEMAX 以非序列性 (non-sequential) 分析工具来结合序列性 (sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光 (stray light) 和鬼影 (ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout)一直到优化和公差分析皆可达成。

根据过去的经验，对于光学系统的端对端 (end to end)分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。

一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的 (unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统分析，包括照明系统。

序列性描光程序这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。

所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。

在定义的顺序上，所有的光线一定会交到所有的表面，否则光路将终止。

光线不会跳过任何中间的表面；光线只能打在每一个已定义的表面一次。

若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光 (double pass) 中的组件，然后在序列性列表中，必须再定义超过一次的表面参数。

大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。

对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。

几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。

在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。

序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径 (即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。

红外光学系统成像分析与优化

红外光学系统成像分析与优化在现代军事、工业、医学等领域中，红外成像技术已经得到了广泛的应用。

红外成像技术可以通过检测目标物体在红外辐射区域中的辐射能量变化，来获取目标物体的信息，具有不受光照限制、探测距离远、具有隐蔽性等优点。

红外光学系统是红外成像技术的载体，因此如何优化红外光学系统的成像质量，是红外成像技术研究中非常重要的问题。

一、红外光学系统成像原理红外光学系统是由红外透镜、红外探测器、红外滤光片等部分组成。

当被测物体所辐射的红外线射向红外透镜时，会通过透镜聚焦成像在红外探测器上，红外探测器会对红外物体辐射进行探测并将其转化成电信号，通过信号处理后将其转化成图像信号，从而实现对红外物体的成像。

在红外成像中，透镜的选择和设计成为影响成像质量的关键。

透镜的质量和焦距可以影响红外成像的分辨率和透镜的成像能力，因此要根据具体情况选择合适的透镜材料和设计。

同时，光机系统中还需要加入红外滤光镜，其作用是阻挡不同波长的红外光线，避免零件发热和热噪声干扰，同时也可以加强对红外辐射的探测和成像。

二、红外光学系统成像质量分析在红外成像技术中，分辨率是反映成像质量的一个非常重要的指标。

分辨率是指被测物体在红外成像中的最小可辨别细节，英语中称之为Modulation Transfer Function(简称MTF)，是评估系统性能的重要指标。

且MTF曲线是描述成像质量一个具有详细的曲线，可以从理论和实验两方面描述成像质量表现情况。

同时，噪声也是影响红外光学系统成像质量的因素之一。

在红外成像中，一些光学仪器和检测器将会发射高斯噪音，这些噪音会影响系统成像的信号质量，导致成像质量不可靠，因此在实际应用中还需要采用抑制系统噪声，以提高系统成像的性能。

三、红外光学系统成像优化策略在红外光学系统中，优化透镜传递函数、优化光学系统结构等是提高成像质量的重要策略之一。

优化透镜传递函数时，需采用透镜各个面的形状、曲率、孔径、玻璃材料等参数来构建一种最优化的传递函数，以达到最佳成像效果。

光学设计-ZEMAX的基本像差控制与优化

ZEMAX的基本像差控制与优化ZEMAX已经成为光学设计人员最常用的工具软件了。

光学设计中，描述和控制一个光学系统的初级像差结构，通常使用轴上球差、轴向色差、彗差、场曲、畸变、垂轴色差、像散等像差参数。

当我们企图更为详细的描述和控制轴外指定视场、指定光束的像差结构时，常常会使用轴外宽光束球差、彗差和细光束场曲等三个像差参数。

然而，ZEMAX并不能像SOD88那样直接引用相对应的像差操作数来指定像差目标大小，更没有描述高级像差数的像差操作数，这些通常都需要设计者自行分析和定义。

描述和控制系统光束结构的方法因习惯而有一定的差异，由于某些像差变量之间有某种相关性，而设置的优化权重又可以不同，因此常常都能够达到相同的效果，只是所计算的数学步骤不同而已。

到底选择多少个参数来描述一个系统，虽无统一规定，但是还是要因系统像差特性不同而区别选择。

经验表明，最少最准确的参数描述量，能够尽可能的提高优化的效率，并且减少掉入效果较差的局部优化的次数。

经验丰富的工程师，轻车熟路，在这个环节上少走了很多的弯路，从而其设计效率和设计出来的产品品质要比通常的设计人员有些得多，成功率高的多。

笔者撰写本文的目的就是企图浅显的探讨光学设计中，ZEMAX中光学结构的描述方法以及权重选择的问题。

这些都是笔者在设计当中积累的经验，可能这个文章的论断会由于经验的多寡有一定的局限性，所以希望读者当作参考，不要照搬。

一基本像差描述和控制1、轴上球差L ONA 和SPHALONA表示的是轴上物点指定波长，指定光束尺寸(光线对)的轴上成像交点到近轴焦平面之间轴向距离。

这个定义和我们定义的轴向球差相同。

光瞳尺寸(光束尺寸)在0~1之间，那么将追迹实际的光束汇交点计算轴向球差。

SPHA常用于指定面产生的像差数值。

若不指定特殊面(取值为0)，则计算所有面产生球差总和。

注意这个总合不是像差计算公式中的经过各面逐个放大之后的加权和，而是代数和(有待读者进一步验证)。

ZEMAX实验报告

ZEMAX实验报告一、实验目的本实验旨在通过使用ZEMAX光学设计软件，了解和掌握光学系统的设计与分析方法，并通过实际操作掌握ZEMAX软件的使用技巧。

二、实验原理三、实验内容1.安装和熟悉ZEMAX软件。

首先进行软件的安装和启动，并浏览和熟悉软件的界面和功能按钮。

2.构建简单光学系统。

根据实验要求，通过添加光学元件和定义其参数，构建一个简单的光学系统。

3.分析光学系统的性能。

使用ZEMAX软件对光学系统的像差、光斑大小等性能进行分析。

4.优化光学系统的设计。

根据分析结果，对光学系统进行调整和优化，以使其性能达到要求。

四、实验步骤1.打开ZEMAX软件，并新建一个光学系统文件。

2. 添加光学元件。

点击“Add Surface”按钮，在光学系统中添加透镜、曲面、衍射光栅等光学元件。

3.定义光学元件的参数。

根据实际需求，输入光学元件的曲率、厚度、折射率等参数。

4. 设置光学系统的光源。

点击“Source”按钮，并设置光源位置和光束发散角度等参数。

5. 进行光线追迹。

点击“Ray Trace”按钮，在光学系统中发射光线并追踪光线的传播路径。

6.分析光学系统性能。

根据光线追踪结果，使用ZEMAX软件对光学系统的像差、光斑大小等性能进行分析。

7.优化光学系统设计。

根据分析结果，适当调整光学系统中的光学元件参数，使光学系统性能达到要求。

8.导出分析结果。

最后可以将优化后的光学系统性能结果导出为报告或图表。

五、实验结果和分析通过使用ZEMAX软件进行光学系统设计和分析的实验，我们可以得到光学系统的像差、光斑大小等性能指标。

通过分析结果，可以发现光学系统的设计是否满足了要求，并根据需求对光学系统进行调整和优化。

在优化光学系统设计的过程中，我们可以通过改变曲率、厚度和折射率等参数来调整光学元件的性能。

通过不断迭代优化，可以使光学系统的准确度和性能得到改善。

六、实验总结通过本次实验，我们了解和掌握了ZEMAX光学设计软件的使用方法，并通过实际操作进行了光学系统的设计和分析。

（整理）用Zemax进行优化设计.

（整理）用Zemax进行优化设计.目录摘要 (1)ABSTRACT (2)引言 (3)1 光学传递函数和点列图 (4)1.1光学传递函数 (4)1.1.1利用MTF曲线来评价成像质量 (5)1.1.2利用MTF曲线的积分值来评价成像质量 (5)1.2点列图 (5)2 像差综述 (6)2.1轴上点球差 (7)2.1.1球差的定义和表示方法 (7)2.1.2球差的校正 (8)2.2像散与像面弯曲（场曲） (8)2.2.1像散 (8)2.2.2场曲 (9)2.3正弦差和彗差 (10)2.3.1正弦差和彗差的定义 (10)2.3.2彗差的校正 (12)2.4畸变 (12)2.5色差 (13)2.5.1位置色差 (14)2.5.2倍率色差 (15)2.6波相差 (15)3 表面类型 (17)3.1简介 (17)3.2内含表面 (17)3.3非球面镜片 (20)3.3.1简介 (20)3.3.2非球面镜片光学原理 (20)4 用ZEMAX进行优化设计 (21)4.1由抛物反射镜产生的初级球面像差: (21)4.2求由抛物面反射镜和两单透镜组成的初始光学系统 (22)4.3计算抛物面反射镜和两单透镜组成的初始光学系统 (23)5 结论 (28)致谢 (29)参考文献................................................................................................................ 错误！未定义书签。

摘要本文研究了用Zemax设计非球面补偿系统的优化。

非球面抛物面反射镜在许多光学系统中被采用, 但加工检验较难。

在Zemax中优化控制设计零位补偿系统。

设计既方便, 加工又容易, 是一种较好的方法。

文中介绍了七种像差的定义和表示方法以及对于像差的校正方法；波像差的定义、形成原因及其与像差的关系；由于涉及到面型，本文还介绍了Zemax中包含的面型以及重要面型的简介。

ZEMAX光学设计报告

ZEMAX光学设计报告一、引言ZEMAX是一种广泛应用于光学设计和仿真的软件工具，它提供了一系列功能强大的工具和算法，可以帮助光学工程师进行光学系统的设计、优化和分析。

本报告将介绍使用ZEMAX进行的光学设计，并详细阐述设计的目的、方法和结果。

二、设计目的本次光学设计的目的是设计一种能够产生高质量成像的透镜系统。

通过使用ZEMAX软件进行光学设计和优化，我们希望能够在保持高分辨率和低畸变的同时，尽可能减小像差和光能损失，实现最佳成像效果。

三、设计方法1.初始设计：根据设计要求和限制条件，我们首先进行了初步的系统设计。

选取了适当的光学元件，如凸透镜、凹透镜、平面镜等，通过摆放和调整位置来搭建初始的光学系统。

2. Ray Tracing：使用ZEMAX的Ray Tracing功能，我们可以模拟光线在光学系统中的传播和反射。

通过调整折射率、半径和曲率等参数，我们可以对光线进行控制和优化，实现所需的成像效果。

3. Aberration Analysis：使用ZEMAX的Aberration Analysis功能，我们可以对系统的像差进行分析。

通过查看球差、色差、像散、畸变等参数，我们可以对光学系统进行调整和优化，以提高成像的质量和准确性。

4. Optimization：在初步设计和光线追迹分析的基础上，我们使用ZEMAX的优化功能来调整光学系统的各个参数，以达到最佳的成像效果。

通过设置目标函数和约束条件，优化算法可以在设计空间中最优解，帮助我们找到最佳的设计方案。

5. Iterative Refinements：根据优化结果，我们进行了反复的调整和优化，以进一步改善光学系统的成像效果。

通过多次迭代，我们逐渐接近最优解，达到了设计要求。

四、设计结果通过使用ZEMAX进行光学设计和优化，我们成功地设计出了一种可以产生高质量成像的透镜系统。

经过多次优化和迭代，我们达到了如下设计目标：1.高分辨率：经过系统优化，我们成功降低了球差和色差等像差，提高了光学系统的分辨率。

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ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｂｌａｃｋｂｏｄｙｔｒａｃｋｉｎｇｔａｒｇｅｔｇｒｏｕｎｄｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｅｓｔｉｎｇｉｓｐｒｏｍｏｔｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｈａｒｄｗａｒｅｓｕｐｐｏｒｔｔｏｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＺＥＭＡＸ；ｉｎｆｒａｒｅｄ；ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｓｉｇｎ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
ｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｓｅｖａｌｕａｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｉｓｄｒａｗｎ．Ｔｈｅｉｅｆｌｄｔｅｓｔｉｓｓｕｅｓｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｇｕｉｄｅｄｓｙｓｔｅｍｄｙｎａｍｉｃｔｒａｃｋｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｒｅｓｏｌｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ
ｍｉｎｅｄ．Ｇａｕｓｓｉａｎｏｐｔｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆａｃｏｌｌｉｍａｔｏｒａｎｄａｔｅｌｅｓｃｏｐｅａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄ
吴彦卓，马洪霞
（９２９４１部队，辽宁葫芦岛１２５００１）
摘
要：阐述了该光学系统研究的意义，确定了基本设计原则。然后进行了平行光管和望远镜的高斯光学结构模型及设计，
建立了具体的数学模型并进行求解。最后根据目标耦合光路结构，利用ＺＥＭＡＸ软件对该光学系统进行了优化设计，对优化结果
高速导弹的红外末制导过程伴随着强烈的湍流
统，用来转换红外黑体目标的信号，以此生成适合导引头生成图像的信号，实现模拟系统与导引头间的
进行了像质评价，得出了结论。该系统解决了红外光学精确制导系统动态跟踪特性的内场测试的一系列问题，促进了红外黑体
跟踪目标地面等效测试的发展，对提升仿真试验技术能力提供了重要的硬件支撑。
关键词：ＺＥＭＡＸ；红外；光学系统；设计；优化
中图分类号：ＴＮ２１６
ＷＵＹａｎ — ｚｈｕｏ．ＭＡＨｏｎｇ－ｘｉａｆ９２９４１ＡｒｍｙＵｎｉｔ，Ｈｕｌｕｄａｏ１２５００１，ＣｈｉｎａＪ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｇｎｉｉｃｆａｎｃｅｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄｔｈｅｂａｓｉｃｄｅｓｉｇｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｓｄｅｔｅｒ —
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７３－０００５ — ０６
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＩｎｆｒａｒｅｄＯｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＺＥＭＡＸ
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔａｒｇｅｔｃｏｕｐｌｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＺＥＭＡＸｓｏｆｔ－
第３０卷第３期２０１５年６月
光电技术应用
ＥＬＥＣＴＲＯ— ＯＰＴＩＣＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹＡＰＰＬＩＣＡＴ１０Ｎ
Ｖｏ１．３０．ＮＯ．３
Ｊｕｎｅ，２０１５
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光电系统・
基于ＺＥＭＡＸ的红外光学系统设计与优化