Zemax光学设计：一个柯克物镜的Seidel像差系数的计算
Zemax光学设计：一个柯克物镜的Seidel像差系数的计算
引言：
Seidel像差系数中，五个单色三阶像差与两个一阶色差方程整合起来：
其中，A 等于ni ，i是近轴边际线的入射角度，A——等于 n i——，i——是近轴主光线的入射角度， h是近轴边际线的高度。H是 Lagrange 不变量，等于nuh=n`u`h`。
还有，
在光学设计中这七个公式非常重要。它们不仅简单易于理解，而且能够使设计者区分每个表面对特定像差的贡献量。
虽然，我们知道高级像差通常是限制镜头分辨率的主要因素，但是，对于一个具有好像质的镜头，校正以上七种像差却是必要条件。
柯克物镜seidel像差系数的计算过程：
以三片式的柯克物镜来举例，该实例来自ZEMAX自带的“Cooke 40 degree field”。
LDE结构参数如下：
2D Layout，如下图：
（1）计算Lagrange不变量H
该柯克物镜的焦距是100mm，入瞳直径是20mm，即入瞳半径为10mm，这就是在入射面的边际光线高度，即h=10mm；
该柯克物镜的半视场角为20°，那么像的尺寸大小为100mm×tan20°=36.397023mm。
像方孔径角u`=h/f`=10/100=0.1
Lagrange不变量H=nuh= n`u`h`=1×0.1×36.397023=3.6397023以上可以在ZEMAX MFE中直接计算与验证，如下图：
EFFL，有效焦距；
PARY，surf 1#，Py=1.0，第1面的近轴光线高度（注意：不要用REAY实际光线高度）；
PIMH，近轴像平面上的近轴像高；
DIVI，操作数5除以操作数6；
PROD，操作数3乘以操作数4；
以上从而计算得到Lagrange不变量H。
再用LINV直接计算Lagrange不变量H，两者结果一致。
（2）追迹一条近轴边际光线
利用以下两个公式追迹一条近轴边际光线：
例如：计算第2面的近轴光线高度h2。
第1面的近轴光线高度h1=10mm，u1=0，n=1.00，n`=1.6204，c1=1/R1=1/44.027185，d1=6.517912。
n`、R1和d1的数据可以在ZEMAX LDE中得到，代入上面两式中可以求出h2=9.433185mm。
可以在ZEMAX MFE中直接计算与验证，如下图：
两者计算结果一致。
由转面公式u2=u`1=-0.08696。
通过以上计算过程，可以依次求出各个面的u和h，列表如下：
可以在ZEMAX MFE中验证，如下图：
（3）计算折射不变量A
对于近轴边际线，我们还可以计算折射不变量A：
由已知的n、h、c和u可以求出各个面的A，如下表：
（4）计算每个面的球差系数S1
其中，
由已知的n、n`、h、c、u、u`和A可以求出各个面的球差系数S1，如下表：
具体计算过程，如下图：
再与ZEMAX Seidel Coefficient中的SPHA S1对比，如下图：
可以看出，该柯克物镜的球差系数S1的计算结果基本一致。（5）计算每个面的轴向色差系数C1
其中，
由已知的n、n`、v d、v`d、h、和A可以求出各个面的轴向色差系数C1，如下表：
具体计算过程，如下图：
再与ZEMAX Seidel Coefficient中的CLA（CL）对比，如下图：
可以看出，计算结果与ZEMAX给出的结果数值相同，符号相反。
（6）计算每个面的场曲系数S4
其中，
由已知的H、c和n可以求出各个面的场曲系数S4，如下表：
具体计算过程，如下图：
再与ZEMAX Seidel Coefficient中的FCUR（S4）对比，如下图：
可以看出，该柯克物镜的球差系数S4的计算结果基本一致。
（7）求解每个面的离心率E
为了计算剩下的像差系数S2、S3、S5、和C2，我们需要每个表面的主光线折射不变量A——。
对于光学系统中的一些表面定义一个常量 E ， E 通常称为离心率，如下方程：
如此定义，那么E可以测出表面到光阑的距离，因为在光阑处的 h 为零。通常，系统中每个表面的 E 都不一样。
近轴主光线入射角度A——的表达式：
只要知道一个表面的近轴边际线数据（ h , u 和 A ）以及常量E ，就完全确定近轴主光线的数据。
假设已知光学系统表面i和1+i的近轴边际线高度，它们分别是h i和h i+1。
假设我们还知道表面i和1+i的近轴主光线的高度h——i和h——i+1。
推导得到
根据定义，在光阑处E为零，所以可以利用上式来计算靠近光阑表面的E，接着可以利用该式计算系统中的其他表面的E。
然后由各个表面的E就可以求出主光线的h——，u——和A——。
这个柯克物镜的第 4 个面是光阑面，即根据定义E4等于零。
因为E4等于零，那就有
同样地，由E5可以求解E6。至于光阑前面的表面，可以从光阑往前计算，先求E3，然后求E2，最后求E1。
由已知的A、H、h和n可以求出各个面的E，h——和A——，如下表：
具体计算过程，如下图：
（8）计算每个面的彗差系数S2
其中，
由已知的n、n`、h、c、u、u`、A和A——可以求出各个面的彗差系数S2，如下表：
具体计算过程，如下图：
再与ZEMAX Seidel Coefficient中的COMA S2对比，如下图：
可以看出，计算结果与ZEMAX给出的结果数值相同，符号相反。（9）计算每个面的像散系数S3
其中，
由已知的n、n`、h、c、u、u`和A——可以求出各个面的像散系数S3，如下表：
具体计算过程，如下图：
再与ZEMAX Seidel Coefficient中的ANTI S3对比，如下图：
可以看出，计算结果与ZEMAX给出的结果数值基本一致。
（10）计算每个面的畸变系数S5
由已知的S3、S4、A和A——可以求出各个面的畸变系数S5，如下表：
具体计算过程，如下图：
再与ZEMAX Seidel Coefficient中的DIST S5对比，如下图：
可以看出，计算结果与ZEMAX给出的结果数值基本一致。（11）计算每个面的垂轴色差系数C2
其中，
由已知的S3、S4、A和A——可以求出各个面的垂轴色差系数C2，如下表：
具体计算过程，如下图：
再与ZEMAX Seidel Coefficient中的CTR（CT）对比，如下图：
Zemax光学设计：Petzval物镜的设计实例
Zemax光学设计：Petzval物镜的设计实例 引言： Petzval物镜，它是由两个被空气分离的正透镜组构成。1839年Joseph Petzval 设计了这个著名的“照相物镜”。其前组是一个双胶合，后组是一个双分离，两者之间有一个光圈。前组可以很好地校正球差，但会引入彗差。彗差由后组校正，光阑位置校正了大部分像散。然而，这会导致额外的场曲和晕影。因此，FOV限制在30度以内。f/3.6的f值是可以实现的，这比当时的其他镜头要快得多。Petzval首次根据光学定律计算透镜的组成，而之前的光学系统则是根据经验进行磨制和抛光的。为了计算，奥地利大公路易（炮兵司令）向匹兹瓦提供了8名炮兵和3名下士，因为火炮是进行数学计算的少数职业之一。1.Seidel分析双片式物镜的局限性在于单组元件无法校正像散，这大大限制了它的视场角范围。在光阑上的薄透镜组的像散为： 即其总是不为零。因此，只有一些透镜组不在光阑上，才能校正像散。因此，两个分离的透镜组可以用于产生等量反向的像散。这两个透镜组不一定是单透镜，也可以是消色差双片式或者更复杂的透镜组。若我们假设光阑在第一个透镜组上，第二个透镜组和它相距一段距离，那么会有光阑平移效应。只要第二个透镜组没有完全校
正球差和彗差，那么平移第二个透镜组远离光阑一定距离，就可以产生足够的像散来校正第一个透镜组的像散。我们可以得到任意的一个像散值S3，但是两个正透镜组都会对场曲产生贡献，即Petzval 物镜的 Petzval 和总是正值。这意味着像面总是朝向镜头弯曲。通常，我们想要零像散，则让总的S3为零，场曲会使子午和弧矢像重合于弯曲的像面上。但是，还有其他选择，由弧矢像差，只要S3=-S4，我们就可以使弧矢像面为平面。而且，若让S3=-S4/3，则就可以使子午像面为平面。在设计 Petzval 镜头中有一个很好的准则，那就是让前组(A)的光焦度为K /2，后组（B）的光焦度为K，为保证总光焦度为K，让它们之间的距离为1/K。可以证明，这个准则等价于使两个透镜组的轴上边际线的偏差相等，即每个透镜组的球差、彗差和像散的贡献都最小。在此必须校正色差。一个很好的方法是，使每一个镜组独立校正色差，即让每一个镜组都是消色差双胶合透镜。设每一个元件的S1都为零，则总彗差为： 若光阑在第一个镜组上，则利用光阑位移方程，总像散为： 若现在想要ΣS3为零，则有： 因为我们也想要让ΣS2为零，所以
Zemax光学设计：双片式透镜的Seidel像差及校正
Zemax光学设计：双片式透镜的Seidel像差及校正 双片式物镜适用于很多小口径（最大为f/4）和小视场角的情况。双片物镜的两个元件可以胶合在一起，也可以用空气间隔分开。在大多数情况下，两片透镜是胶合在一起的，因为这样公差更容易满足而且更牢固。双片镜可以单独使用，也可以用作准直镜或者望远镜的物镜。许多透镜系统都含有若干个双片镜。对单个双片式物镜探讨得到的大部分结果，也适用于复杂系统中的双片镜。 1.双片式物镜的Seidel分析1.1色差 2.由在光阑处的薄透镜的轴向色差的Seidel方程： 若要使双片式物镜的轴向色差得以校正，需要满足的条件为： 同时，两个透镜的光焦度的和等于总光焦度：
联立上面两式可以求出： 在常规的光学设计中，常用玻璃库中，折射率范围在1.5至1.8之间，V值范围在90至20之间例如，取V1=60，V2=36，代入上式可得： 1.2像散与场曲的横向光线像差 三阶像散与场曲的横向光线像差为： 注意，δη`表示y分量（即y-z平面或子午面内的光线，），δξ`表示x分量（即x-z平面或弧矢面内的光线）。又因为薄透镜在光阑上， 当n=1.5时，
则上式可以简化为： 例如，一个双片式透镜，焦距f`=100mm，即光焦度K=0.01mm-1，孔径为f/5，透镜的数值孔径（在空气中）u`=n`sinU`约为0.1，半视场角为1°，那么像高η`=f`tam(1°)≈1.74mm。因此，可以计算得到： 在ZEMAX中模拟上述这个例子。 在MFE中可以使用操作数查看透镜的数值孔径（在空气中） u`=n`sinU`约为0.1，和像高η`：
再查看Seidel Coefficient： 1.3同时校正 Petzval 和与轴向色差同时校正镜头的所有像差是不可能的。对于可见光波段的双片式透镜，这点更为明显。双片式透镜可以改变的设计参数非常少，而且很多可以产生更好结果的玻璃不能用。例如，两个贴在一起的双片式透镜的场曲为： 其轴向色差为： 这两个方程非常类似，若我们可以找到一对玻璃满足以下条件：
基于ZEMAX的照相物镜的设计
燕山大学 课程设计说明书 题目：基于ZEMAX的照相物镜设计 学院（系）：电气工程学院 年级专业：10级仪表三班 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：副教授 燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系 学号学生姓名专业（班级） 10级仪表三班设计题目 设计技术参数1、焦距：f’=15mm； 2、相对孔径：1/2.8； 3、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光） 4、视场角2w=74° 设计要求 1、简述照相物镜的设计原理和类型； 2、确定照相物镜的基本性能要求，并确定恰当的初始结构； 3、输入镜头组数据，设置评价函数操作数，进行优化设计和像差结果分析； 4、给出像质评价报告，撰写课程设计论文 工作量查阅光学设计理论和像差分析的相关文献和资料，提出并较好地的实施方案设计简单透镜组，并用zemax软件对初级像差进行分析和校正，从而对镜头进行优化设计
工作计划第一天、第二天：熟悉ZEMAX软件的应用，查阅资料，确定设计题目进行初级理论设计 第三天、第四天：完善理论设计，运用ZEMAX软件进行设计优化，撰写报告 第五天：完善过程，进行答辩 参考资料《光学设计》，西安电子科技大学出版社，刘钧，高明，2006，10 《几何光学像差光学设计》，浙江大学出版社，李晓彤，岑兆丰，2003.11 《实用光学技术手册》，机械工业出版社，王之江，2007.1 指导教师签字基层教学单位主任 签字 目录 摘要 (1) 第一章简述照相物镜的设计原理和类型 (2) 第二章设计过程 (4) 2.1根据参数要求确定恰当的初始结构 (4) 2.2优化设计过程 (5) 2.3优化结果像差结果分析 (8) 第四章课设总结 (13) 参考文献
zemax操作详解
ZEMAX光学设计软件操作说明详解 找到一些资料希望对大家有用！ 【ZEMAX光学设计软件操作说明详解】 介绍 这一章对本手册的习惯用法和术语进行说明。ZEMAX使用的大部分习惯用法和术语与光学行业都是一致的，但是还是有一些重要的不同点。 活动结构 活动结构是指当前在镜头数据编辑器中显示的结构。详见“多重结构”这一章。角放大率像空间近轴主光线与物空间近轴主光线角度之比，角度的测量是以近轴入瞳和出瞳的位置为基准。 切迹切迹指系统入瞳处照明的均匀性。默认情况下，入瞳处是照明均匀的。然而，有时入瞳需要不均匀的照明。为此，ZEMAX支持入瞳切迹，也就是入瞳振幅的变化。 有三种类型的切迹：均匀分布，高斯型分布和切线分布。对每一种分布（均匀分布除外），切迹因素取决于入瞳处的振幅变化率。在“系统菜单”这一章中有关于切迹类型和因子的讨论。 ZEMAX也支持用户定义切迹类型。这可以用于任意表面。表面的切迹不同于入瞳切迹，因为表面不需要放置在入瞳处。对于表面切迹的更多信息，请参看“表面类型”这一章的“用户定义表面”这节。 后焦距 ZEMAX对后焦距的定义是沿着Z 轴的方向从最后一个玻璃面计算到与无限远物体共轭的近轴像面的距离。如果没有玻璃面，后焦距就是从第一面到无限远物体共轭的近轴像面的距离。
基面 基面（又称叫基点）指一些特殊的共轭位置，这些位置对应的物像平面具有特定的放大率。基面包括主面，对应的物像面垂轴放大率为＋1；负主面，垂轴放大率为－1；节平面，对应于角放大率为+1；负节平面，角放大率为－1；焦平面，象空间焦平面放大率为0，物空间焦平面放大率为无穷大。 除焦平面外，所有的基面都对应一对共轭面。比如，像空间主面与物空间主面相共轭，等等。如果透镜系统物空间和像空间介质的折射率相同，那么节面与主面重合。ZEMAX列出了从象平面到不同象方位置的距离，同时也列出了从第一面到不同物方平面的距离。 主光线 如果没有渐晕，也没有像差，主光线指以一定视场角入射的一束光线中，通过入瞳中央射到象平面的那一条。注意，没有渐晕和像差时，任何穿过入瞳中央的光线也一定会通过光阑和出瞳的中心。 如果使用了渐晕系数，主光线被认为是通过有渐晕入瞳中心的光线，这意味着主光线不一定穿过光阑的中央。 如果有瞳面像差（这是客观存在的），主光线可能会通过近轴入瞳中心（如果没有使用光线瞄准）或光阑中央（如果使用光线瞄准），但一般说来，不会同时通过二者中心。 如果渐晕系数使入瞳减小，主光线会通过渐晕入瞳中心（如果不使用光线瞄准）或者渐晕光阑中心（如果使用光线瞄准）。 常用的是主光线通过渐晕入瞳的中心，基本光线通过无渐晕的光阑中心。ZEMAX 不使用基本光线。大部分计算都是以主光线或者中心光线作为参考。优先使用中心光线，因为它是基于所有照射到象面的光线聚合效应，而不是基于选择某一条特殊光线。 坐标轴（系） 光轴为Z 轴，正方向为光线由物方开始传播的方向。反射镜可以使传播方向反转。坐标系采用右手坐标。在标准系统图中，弧矢面内的X 轴指向显示器以里。子午面内的Y 轴垂直向上。 通常传播方向沿着Z 轴正方向从左至右。当有奇数个反射镜时，光束的物理传播沿－Z 方向。因此，经过奇数反射镜之后，所有的厚度是负值。 衍射极限
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15.13 1)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。由式(15. 22)得φ1=0. 00849，2φ=-0. 00449，对应的f 1=117. 84mm,/ 2f =-222. 91 mm 。由于初级色差和透镜形状无关，为方便起见， 选双凸(r 2=-r 1)透镜为正透镜，利用薄透镜的光焦度公式()121(1/1/)n r r φ=--计算，最后确定光学系统初始结构参数见表15: 14。 表15.13消色差双胶合物镜设计要求
Zemax光学设计：一个柯克物镜的Seidel像差系数的计算
Zemax光学设计：一个柯克物镜的Seidel像差系数的计算 引言： Seidel像差系数中，五个单色三阶像差与两个一阶色差方程整合起来：
其中，A 等于ni ，i是近轴边际线的入射角度，A——等于 n i——，i——是近轴主光线的入射角度， h是近轴边际线的高度。H是 Lagrange 不变量，等于nuh=n`u`h`。 还有， 在光学设计中这七个公式非常重要。它们不仅简单易于理解，而且能够使设计者区分每个表面对特定像差的贡献量。 虽然，我们知道高级像差通常是限制镜头分辨率的主要因素，但是，对于一个具有好像质的镜头，校正以上七种像差却是必要条件。 柯克物镜seidel像差系数的计算过程： 以三片式的柯克物镜来举例，该实例来自ZEMAX自带的“Cooke 40 degree field”。 LDE结构参数如下：
2D Layout，如下图： （1）计算Lagrange不变量H 该柯克物镜的焦距是100mm，入瞳直径是20mm，即入瞳半径为10mm，这就是在入射面的边际光线高度，即h=10mm； 该柯克物镜的半视场角为20°，那么像的尺寸大小为100mm×tan20°=36.397023mm。 像方孔径角u`=h/f`=10/100=0.1
Lagrange不变量H=nuh= n`u`h`=1×0.1×36.397023=3.6397023以上可以在ZEMAX MFE中直接计算与验证，如下图： EFFL，有效焦距； PARY，surf 1#，Py=1.0，第1面的近轴光线高度（注意：不要用REAY实际光线高度）； PIMH，近轴像平面上的近轴像高； DIVI，操作数5除以操作数6； PROD，操作数3乘以操作数4； 以上从而计算得到Lagrange不变量H。 再用LINV直接计算Lagrange不变量H，两者结果一致。 （2）追迹一条近轴边际光线 利用以下两个公式追迹一条近轴边际光线： 例如：计算第2面的近轴光线高度h2。 第1面的近轴光线高度h1=10mm，u1=0，n=1.00，n`=1.6204，c1=1/R1=1/44.027185，d1=6.517912。
毕业论文(设计)基于zemax的光学系统设计报告—内调焦望远物镜的设计
目录 一、前言 (1) 二、设计技术参数 (1) 三、外形尺寸计算 (2) 四、初始结构的选型和计算 (6) 五、利用zemax优化及评价 (8) 六、设计心得体会 (12) 七、参考文献 (13)
内调焦望远物镜的设计 一、前言 内调焦望远镜是一种具有多种用途、使用方便的光学检调仪器,它可以作为自准直仪和可调焦望远镜使用。因此它广泛地应用于光学实验室、光学加工车间和光学装校车间作为检验和调校工具。例如,作为内调焦望远镜使用时：可以用来检验导轨、平面或直尺的“直线性”,基面之间的“垂直性”,平面之间的“平行性”以及不同直径孔径之间的“同轴性”；作为自准直仪使用时：可检测平面间的角度,光学平行平板两表面的楔角以及观测星点等等。 内调焦是针对外调焦而言的，外调焦是指通过直接移动目镜或者物镜进行调焦，内调焦是指移动镜头组之间的一组镜片来调焦.内调焦广泛运用在某类结构的防水产品上，优点是密封性好一些，但是若设计不当视野会相对窄。 二、设计技术参数 技术条件如下： 相对孔径D/f’=1/6.58 合成焦距f’=250mm 物镜筒长L=165mm（薄透镜筒长） 物方半视场角w=-2°
三、外形尺寸计算 根据上图进行光路计算 2'(101)12012 /'l f d d L f Q ϕϕϕϕϕϕ=-=+-= 式中，L ，f ’已知，当假设d0后便可由上述三式求得φ1、φ2、和l2’。 相应地，φ1、φ2可按下述二式求得 11/1'1/0/0'1/'21/2'(')/0(0)f d L d f f f f L d d L ϕϕ==-+==-- 计算结果如表所示 d0/mm 25 50 75 82.5 100 125 150 165 f1’/mm 56.818 92.595 117.18 123.13 135.14 148.81 159.57 165
ZEMAX光学设计报告
ZEMAX 光学设计报告 一、 设计目的 通过对设讣一个双胶合望远物镜，学会zemax 软件的基本应用和操作。 二、 设计要求 设计一个全视场角为1.56° ,焦距为1000mm,且相对孔径为1:10的双胶合望远物镜, 要求相髙为y x =13. 6mmo 三、 设计过程 1.双胶合望远物镜系统初始结构的选定 1.1选型 由于该物镜的全视场角较小，所以其轴外像差不太大，主要校正的像差有球差、正弦差和位 置色差。又因为其相对孔径较小，所以选用双胶合即可满足设计要求。本系统采用紧贴型双 胶合透镜组，且孔径光阑与物镜框相重合。 1. 2确左基本像差参量 根据设计要求，假设像差的初级像差值为零，即球差忆)=o ；正弦差Ko=0：位置色差 ^co = 0 3那么按初级像差公式可得工Si=》S n =》Ci=O,由此可得基本像差参量为 —X — X — P =W =Ci=0o 1.3求仇 P -0・85( W +0.1 ) F-0.85(矿+0.2 ) 因为没有指泄玻璃的种类，故暂选用冕牌玻璃进行讣算，即仇=-0.0085 . 1.4选左玻璃组合 鉴于K9玻璃的性价比较好，所以选择K9作为英中一块玻璃。查表发现当C 】=0.000，与 P {) = -0.0085最接近的组合是K9与ZF2组合，此时对应的仇=0.038。此系统选定K9与 ZF2 组合。 K9 的折射率①=1.5163 , ZF2 的折射率 n 2 = 1.6725 , 化=0.038319 , = -4.284074 , % =—0.06099 , (p { = 2.0094M , A = 2.44, K = 1.72。 1・5求形状系数0 冕牌玻璃在前时 火石玻璃在前时
ZEMAX-光学设计实例
ZEMAX-光学设计实例 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。 主要内容 光学设计软件ZEMAX简介单透镜双胶合透镜非球面单透镜显微镜物镜双高斯照相物镜公差计算 (具体的应用实例――视情况而定) ZEMAX简介 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 有两种不同的版本：ZEMAX-SE和ZEMAX-EE, 有些功能只在EE版本中才具有。 ZEMAX 可以模拟序列性(Sequential)和非序列性(non-sequential)系统，分别针对成像系统和非成像系统。 光学设计过程 计算机的出现，极大地促进了光学设计进程；大多数光学设计程序的本质如下： 每个变量发生少量改变或增减； 计算每个变量对结果的影响；计算结果是一系列导数，p/ v1, p/ v2, p/ v3,……, p: 优化函数结果，v: 变量；为了使残余结果的平方和最小，对每个变量联立方程求解；重复上述过程直至实现最优化。 光学设计人员的任务1. 2.
获得并考虑技术要求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、厚度、空气隙、玻璃特性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. 5. 6. 使用程序对结果进行优化评价设计结果重复步骤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 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 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#,NA,Aperture,… ) 在屏上找到Button Gen ,按出dialog box,选按Aperture,挑选Aperture type,并输入数值。可以从System内选按General ,按出dialog box 。可从File 内选择按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 Gen Aperture 输入视场： System Fie 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
Zemax光学设计：ZEMAX中的初级像差描述
Zemax光学设计：ZEMAX中的初级像差描述 引言： 实际的光学系统都是不完美的，光线经过光学系统各个表面的传输都会形成多种像差。光学设计的一个重要任务就是校正、优化与平衡这些像差，使成像质量达到技术要求。常见的初级像差包括5种单色像差（球差、彗差、像散、场曲与畸变）和2种色差（轴向色差与倍率色差）。 1.ZEMAX中的球差描述以一个简单的单透镜为例。首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入 “50.0”； 在视场设定对话框中设置1个视场，要选择“Angle”，如下图：
在波长设定对话框中，设定0.55um一个波长，如下图：LDE的结构参数，如下图： 查看2D Layout：
查看Ray Fan：
Ray Fan图中可以定量分析球差在不同孔径的大小，可以看出球差曲线具有旋转对称性；而且由于不存在离焦的情况，其在中央区域很平坦。查看点列图： 可以看出，不同环带（孔径）的光线会聚于光轴的不同点。球差是和孔径相关的像差。查看波前图：
从光程差上分析，球差的产生其实是波前相位的移动，即出瞳参考球面与实际球面波前的差异。当实际波前和参考波前分离时，光程差不再相等，这样物面同一束光经实际透镜和理想透镜后，相当于
产生了牛顿干涉环。查看Seidel Coefficients： 也可以在MFE中使用操作数查看球差值。 Surf若不指定某一个面(取值为0)，则计算所有面产生球差总和。 2.ZEMAX中的彗差描述使用一个带Binary 2面型的单透镜来模拟彗差。首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，
ZEMAX光学设计软件操作说明详解_光学设计
ZEMAXt学设计软件操作说明详解 介绍 这一章对本手册的习惯用法和术语进行说明。ZEMAX使用的大部分习惯用法和术语与 光学行业都是一致的，但是还是有一些重要的不同点。 活动结构活动结构是指当前在镜头数据编辑器中显示的结构。详见“多重结构”这一章。 角放大率像空间近轴主光线与物空间近轴主光线角度之比，角度的测量是以近轴入瞳和出瞳的位置为基准。 切迹切迹指系统入瞳处照明的均匀性。默认情况下，入瞳处是照明均匀的。然而，有时入瞳需要不均匀的照明。为此，ZEMAX^持入瞳切迹，也就是入瞳振幅的变化。 有三种类型的切迹：均匀分布，高斯型分布和切线分布。对每一种分布（均匀分布除外），切迹因素取决于入瞳处的振幅变化率。在“系统菜单” 这一章中有关于切迹类型和因子的讨论。 ZEMAX 也支持用户定义切迹类型。这可以用于任意表面。表面的切迹不同于入瞳切迹，因为表面不需要放置在入瞳处。对于表面切迹的更多信息，请参看“表面类型” 这一章的“用户定义表面”这节。 后焦距 ZEMAX 对后焦距的定义是沿着Z轴的方向从最后一个玻璃面计算到与无限远物体共轭的近轴像面的距离。如果没有玻璃面，后焦距就是从第一面到无限远物体共轭的近轴像面的距离。 基面基面（又称叫基点）指一些特殊的共轭位置，这些位置对应的物像平面具有特定的放大率。基面包括主面，对应的物像面垂轴放大率为＋1；负主面，垂轴放大率为－1；节平面， 对应于角放大率为+1；负节平面，角放大率为－1；焦平面，象空间焦平面放大率为0，物空 间焦平面放大率为无穷大。 除焦平面外，所有的基面都对应一对共轭面。比如，像空间主面与物空间主面相共轭，等等。如果透镜系统物空间和像空间介质的折射率相同，那么节面与主面重合。 ZEMAX 列出了从象平面到不同象方位置的距离，同时也列出了从第一面到不同物方平面的距离。 主光线如果没有渐晕，也没有像差，主光线指以一定视场角入射的一束光线中，通过入瞳中央射到象平面的那一条。注意，没有渐晕和像差时，任何穿过入瞳中央的光线也一定会通过光阑和出瞳的中心。 如果使用了渐晕系数，主光线被认为是通过有渐晕入瞳中心的光线，这意味着主光线不一定穿过光阑的中央。如果有瞳面像差（这是客观存在的），主光线可能会通过近轴入瞳中心（如果没有使用光线瞄准）或光阑中央（如果使用光线瞄准），但一般说来，不会同时通过二者中心。如果渐晕系数使入瞳减小，主光线会通过渐晕入瞳中心（如果不使用光线瞄准）或者渐晕光阑中心（如果使用光线瞄准）。 常用的是主光线通过渐晕入瞳的中心，基本光线通过无渐晕的光阑中心。ZEMAX不使 用基本光线。大部分计算都是以主光线或者中心光线作为参考。优先使用中心光线，因为它是基于所有照射到象面的光线聚合效应，而不是基于选择某一条特殊光线。 坐标轴（系） 光轴为Z 轴，正方向为光线由物方开始传播的方向。反射镜可以使传播方向反转。坐 标系采用右手坐标。在标准系统图中，弧矢面内的X轴指向显示器以里。子午面内的Y轴垂 直向上。 通常传播方向沿着Z 轴正方向从左至右。当有奇数个反射镜时，光束的物理传播沿－Z 方向。因此，经过奇数反射镜之后，所有的厚度是负值。 衍射极限 衍射极限指光学系统产生象差的原因不是设计和制造缺陷，而是由于衍射物理效应。 要判断系统是否是衍射极限，可以计算或者测量光程（OPD。如果OPD勺峰一谷差值小于波
2018-2019-zemax实验报告-实用word文档 (12页)
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图 1- 2 图 1- 3 图 1- 4 1.3初始结构输入 对照表1-1，在Lens Data Editor中输入初始结构，如图1-5。利用Zemax中 的“solve”功能，求解透镜组最后一面的厚度。选取需要设计的单元格，在“Solve”中选取“Thickness”，弹出“Thickness Solve on surface 7”求 解对话框。在对话框“Solve type”中选择“Marginal ray height”，将“Height”值输入为“0”，表示将像面设置在边缘光线聚焦的像方焦平面上，如图1-6，图1-7。 图 1-5 图 1-6 图 1-7 1.4调整系统焦距 打开“System Data”系统数据报告窗口，查看系统现有焦距，为65.65414mm，如图1-8，与设计要求不符，需要通过缩放功能进行调整。选择 “Tools>>Scale Lens”,缩放因子为9/65.65414=0.137082，在Scale By Factor缩放因子后填入0.137082，如图1-9。点击“OK”，Lens Data Editor 中的结构数据发生变化，如图1-10。 篇二：ZEMAX实验报告 ZEMAX实验——双胶合镜头（a doublet） 摘要 一个双胶合镜头是由两片玻璃组成，通常粘在一起，所以他们有相同的曲 率。利用不同玻璃的色散性质，一阶色差可以被矫正。也就是说，需要得到抛 物
赛德尔像差系数
赛德尔像差系数 1. 什么是赛德尔像差系数？ 赛德尔像差系数（Seidel aberration coefficient）是光学系统中用来描述光线偏差的一个重要参数。它通过对光线的像差进行分类和量化，用于评估光学系统的成像性能。赛德尔像差系数的具体定义和计算方法与光学系统的设计和性质有关。 2. 赛德尔像差系数的分类 根据光学系统中的光线偏差特点，赛德尔像差系数可以分为以下几类： 2.1 球差（Spherical aberration） 球差是指由于透镜的曲率不均匀或光线入射角不同而导致的成像位置偏差。球差会使得像点不能完全聚焦在焦平面上，造成图像模糊和失真。 2.2 彗差（Coma） 彗差是指光线在非轴上通过透镜时的偏差。由于彗差的存在，非轴上的像点会呈现出一种彗星状的形态。 2.3 焦散（Astigmatism） 焦散是指由于透镜的形状不规则或光线入射角不同而导致的成像位置偏差。焦散会使得不同方向上的像点无法同时聚焦在焦平面上，造成图像模糊和失真。 2.4 弧差（Curvature of field） 弧差是指由于光线通过透镜时，成像平面不在一个平面上而引起的像差。弧差会导致不同位置的像点聚焦在不同的位置上，使得图像边缘失真。 2.5 像散（Distortion） 像散是指由于透镜的形状不规则或光线入射角不同而引起的像差。像散会使得图像中的直线变形，出现弯曲或拉伸的现象。 3. 赛德尔像差系数的计算方法 赛德尔像差系数的计算方法主要基于光线的轴向和非轴向偏差。下面是常见的赛德尔像差系数的计算公式： 3.1 球差系数计算公式 球差系数可通过将光线通过透镜的光路计算得到，其计算公式为：
zemax光学设计软件的使用说明
光学设计软件简介 光学设计软件 成像设计： CodeV（ORA 公司产品，USA） Zemax（ZEMAX Development Corporation OSLO( Lambda Research Corporation 公司，USA) 照明设计： Lightools（ORA 公司产品） ASAP Tracepro ODIS 光通讯设计软件：OptiWave 薄膜设计：TFCalc, Filmstar 等n CodeV（ORA 公司产品，USA）——成像光学设计分析软件CodeV（ORA 公司产品，USA）——功能 Zemax（Zemax 公司，USA）——光学设计分析软件
Oslo（Lambda Research Corporation 公司，USA）——成像设计分析软件Lightools（ORA 公司产品，USA）——照明光学设计分析软件 ASAP(Breault Co.) ——照明光学设计分析软件 3) 光学设计应用广泛眼镜照相机、CD、VCD/DVD 、DC、DV等扫描仪、复印机、投影仪等显微镜、内窥镜、X光机等日常照明、汽车车灯等望远镜、瞄准仪、测量仪器激光、卫星等光纤通讯等非成像光学、太阳能利用等 Zemax 简介 Zemax 公司开发光学设计软件 •功能完整（设计、分析、优化、公差分析等） •使用方遍 •光线追迹算法 —序列光线追迹 —非序列光线追迹（蒙特卡罗算法） 完整的数据表格式输入，编辑方便 多功能分析（MTF 、点列图等） 多种优化方式 公差分析能力 其他CAD 文件格式转换等
Zemax 软件特点 版本 SE：标准版 XE：完整版 EE：专业版（可算非序列） Zemax 用户界面 主要有四种用户界面 —Editors: 编辑各种光学面参数或其他参数 —Graphic Windows: 显示各种图形数据 —Text Windows: 显示各种文本数据 —Dialog Boxes: 编辑其他各种Window 的数据或报告错误信息。1）Editors Lens Data Editor：输入透镜参数 Merit Function Editor ：优化函数构建 Multi-Configuration Editor：多重结构参数定义 Tolerance Data Editor ：公差分析函数设定 Extra Data Editor：附加数据 Non-Sequential Components Editor: 非序列光学系统 Lens Data Editor Merit Function Editor
光学设计软件ZEMAX的基本操作
实验一光学设计软件ZEMAX的基本操作 评分：批阅教师： 学号: 2018080××姓名：卟卟班级： 181 【实验目的】 1.熟悉光学设计软件Zemax操作界面； 2.学会输入光学系统光阑（aperture）、波长（wavelength)、视场（field）、镜头数据 (Lens Data)等； 3.学会查看Ray fan，OPD fan，像差系数、点列图等； 4.学会设置系统默认优化函数，执行简单光学设计最佳化； 【实验内容】 【实验步骤】 完成一个双高斯物镜参数输入，入瞳直径50.8mm，有效焦距127mm，在可见光谱范围 内使用，视场角20 。 镜头参数如下： 图1.1 镜头参数 镜头共由六个镜片组成，其中的2和3、4和5分别组成双胶合透镜。玻璃以及空气厚度
如表1.1所示： 表1.1 镜头厚度参数 一. 初始结构 系统孔径：入瞳直径 = 50.8mm 根据实验内容，使用了“角”类型设置了3个视场，如表1所示，波长设置如表2所示。 表1 视场（角） 表2 波长（μm） 根据初级像差理论计算了透镜的初始结构数据，具体数据如表3所示，镜头的结构如图1所示。 表3 透镜面数据
图1 镜头结构图 二. 初始结构的镜头质量评价 在ZEMAX 中利用光学特性曲线图对镜头的像差进行判断分析，结果如图 2 所示 P y P x e x e y 物面:0.00 (d e g ) P y P x e x e y 物面:14.14 (d e g ) P y P x e x e y 物面:20.00 (d e g ) C A D -201808021-李小艳-L a b 1-O r i g i n a l .z m x 1的组态1 横向光扇图 2020/12/22最大缩放比例: ± 5000.000 µm .0.4860.5880.656面: 像
第六章 像差计算
第六章像差计算 6.1 光学系统的像差 这里将提供像差的数值计算。掌握各种像差的基本概念．特别是初级像差。以及各种表面和薄透镜的三级像差贡献。 光学计算通常要求6位有效数字的精度，这取决于光学系统的复杂程度、仪器精度和应用的领域。三角函数应在小数点后面取6位数，这相当于0.2弧秒。这样的精度基本上满足了绝大多数使用要求。当然，结构尺寸较大的衍射极限光学系统要求的精度比这还要向些。 光学计算所花费的时间明显地取决于设计者的技巧和所使用的计算设备的先进程度。计算技术发展到今天，就是使用普通的个人计算机，光学计算所需的时间也已经很少了。但要对一个复杂的系统进行优化设计，特别是全局优化设计时．还是要花费一定的时间的。 关于如何进行光学设计，一直有两种观点。一种观点主张以像差理论为基础，根据对光学系统的质量要求，用像差表达式，特别是用三级像差表达式来求解光学系统的初始结构，然后计算光线并求出像差，对其结果进行分析。如果不尽人意，那么就要在像差理论的指导下，利用校正像差的手段(弯曲半径，更换玻璃、改变光焦度分配等)，进行像差平衡，直到获得满意的结果。如果最后得不到满意的结果，那么就要重新利用像差理论求解初始结构，而后再重复上述的过程，直到取得满意的结果。 另一种观点是从现存的光学系统的结构中找寻适合于使用要求的结构，这可从专利或文献中查找，然后计算光线，分析像差，采用弯曲半径，增加或减少透镜个数等校正像差的手段，消除和平衡像差，直到获得满意的结果。对于常规物镜，如Cooke三片，双高斯、匹兹瓦尔物镜等．常采用这种方法。这种方法需要计算大量的光线(计算机发展到今天。这已不成问题)，同时需要光学设计者有较丰富的设计经历和经验．以便对设计结果进行评价。 通常我们可以把二者结合起来，以像差理论为指导，进行像差平衡。特别是计算机发展到今天，光学计算已经不是干扰光学设计者的问题了。对于常规镜头，通常不再需要像以前那样从求解初始结构开始，而是根据技术指标和使用要求、从光学系统数据库或专利目录中找出合适的结构，然后进行计算和分析。采用自动光学设计程序和优化方法，再加上人的丰富经验。常总会得到令人满意的结果的。但对于非寻常的物镜结构，或者特殊要求的物镜，采用现成结构很可能满足不了要求，这时就要从技术指标和像差要求出发，求解初始结构。