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高级培训资料:ZEMAX光学设计及像差优化

高级培训资料:ZEMAX光学设计及像差优化
高级培训资料:ZEMAX光学设计及像差优化

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。

1、轴上球差LONA和SPHA

LONA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)。

经验:当选择LONA控制不住球差时,同时加入SPHA操作数,设置合理的权重,可以将轴向球差进一步改善。

2、轴向色差AXCL

定义为两个指定波长的近轴焦平面轴向距离。若光瞳尺寸(光束尺寸)定义为0,那么使用近轴焦平面进行色差计算,定义不为0,则使用实际的光线与轴交点位置进行色差计算。

3、垂轴色差(倍率色差)

在ZEMAX中没有直接定义垂轴色差的操作数,但是从垂轴色差的定义可以知道,它是指某视场、某指定光束尺寸的、两指定波长光束在像面上所成的理想像的垂向距离差。

在ZEMAX中有REAY(wav,Hy,Py)操作数。其定义为指定波长、指定视场、指定光束尺寸光在理想像面上的实际高度。

那么在同一视场选择两个不同波长的光束,其操作数数值之差就表明了理想像面上的垂轴色差大小。

Oprand#1REAY(wav=1,Hy=a,Py=b);

Oprand#2REAY(wav,Hy,Py);

DIFF(oprand#1,oprand#2);

DIFF操作数指两个操作数结果的差值。

4、彗差

彗差描述的是某视场、某尺寸的光线对对主光线的偏离情况,即描述光束失对称的情况。光线对彗差与视场和孔径均有关系,是两者的函数,因此全面描述系统的彗差情况需要选择若干个不同视场和不同孔径。

在ZEMAX中提供了一个操作数TRAY。TRAY定义为在像平面上,光线与像面交点到主光线的垂轴距离。

首先定义一个光线对:

oprand#1TRAY(wav=2,Hy=a,Py=b);

oprand#2TRAY(wav=2,Hy=a,Py=-b);

SUMM(oprand#1,oprand#2)

其中SUMM描述的是上述两个操作数的代数和,表征彗差的大小。虽然这个定义和彗差的定义有一定的区别(光线对交点到主光线上细光束交点之间的垂向距离),但是本质上是一样的。这也说明了在Ray图上将某波长曲线首尾两端连线起来,其连线和纵轴的交点大小可以表征彗差大小是同一个道理。

5、细光束场曲FCGS和FCGT

场曲定义为轴外细光束交点和焦平面之间的距离。细光束FCGS和FCGT可以用来描述任意视场、任意波长的弧矢和子午场曲数值。对于非对称系统也能够适用。给出的操作数不能够定义宽光束的场曲。

6、像散ASTI和(FCGT–FCGS)

像散定义为子午细光束场曲和弧矢细光束场曲之差。可以使用ZEMAX提供的操作数ASTI进行描述也可以使用(FCGT–FCGS)进行描述。

ASTI可以用来计算指定镜面上的像散贡献量,若指定面为0,那么计算两位各面的像散贡献量代数和。三级像散从seidal系数中求得。

而DIFF(FCGT,FCGS)也能够计算出指定视场、波长的像散值。在很多情况下,同时采用两种方式进行像散控制,能够取得更好优化控制效果。

7、畸变控制DIMX和DISG

DIMX定义了某视场下畸变的上限,而DISG指定了该视场下畸变的目标值。

由于畸变一般不影响像质的清晰度,因此一般不做严格的矫正,通常的系统只需要在一定范围即可。二其它常用于控制像差的操作数

很多时候,我们将以上七种基本像差用于像差控制中仍旧会遇到一些困难,那么在一开始或者操作进行当中会需要增加一些操作数,以对整个像质空间进行控制和描述。

第一类需要的操作数是:镜面的几何形状,从工艺上我们必须保证镜面的最小曲率半径适合生产,并且在尽可能的情况下选择较大的曲率半径,因为能否加工的出来、加工误差的影响率、产生的高级像差等等因素,都有制约作用,因此镜面曲率半径是我们要控制的参数,尤其是小光学系统的某些镜面。有效的控制也防止ZEMAX程序走火入魔。

这类操作数还有:镜面边缘最小厚度控制,空气间距控制。当然,如果一个镜面被矫正过程计算成了一个薄薄的玻璃泡,它的加工是困难的。无必要的无光焦度玻璃片的出现也要引起我们的注意:我们是否用它来仅仅校正场曲。

第二类需要提到的操作数:镜面入射和出射光线的入射角控制,每一个镜组能够承受的相对孔径和偏折角是有限度的,大的入射高度和角度以及出射角度都是我们设计当中要避免的,有的时候在校正过程中需要加入这样的操作数RAID/OPLT/RAED对光线进行控制。不加控制的光线,将可能因为某个面上的入射角或者高度太大而产生高级像差,而以后的优化工作陷入为了平衡这个高级像差而努力。很遗憾的,但多数情况下,ZEMAX又走火入魔了。通常的系统,设计初始结构的时候,高级像差产生位置,如何产生的都是我们要考虑的。对于特殊光学系统例如广角、大相对孔径系统尤其如此。

第三类操作数:有些时候,将MTF参数,光斑尺寸作为一个操作数加入优化序列中也能够起到一定的作用,当然我们不是很常用。然而,事情总是相对的。

ZEMAX提供的优化计算方法基于最小二乘法,其对于我们的优化变量并没有严格的控制,实际上往往许多的变量是一定程度的相关的。相关的多少还与权重有关。我们总是尽可能的不把矛盾的相关量引入最小二乘法中,这样效率会更高些。

三关于操作数权重

操作数全重的作用,笼统地说,可以起到引导优化方向、控制操作数的作用。上一节中提到的使用权重减弱负相关的两个操作数的矛盾。实际上,权重的修改和优化过程是同时进行的。一开始就选用全局优化进行设计成功的例子几乎是没有的。

理由有以下几个:首先这个系统他的极限在那里,设计人员是不清楚的,因此选用操作数描述系统就有一些困难;其次在优化的过程中,通过调整优化结构的权重,增减优化操作数,引导和建立一个更为优秀的优化目标结构,从而指导计算过程朝这个更为优秀的结构进行。不断的进行调整和修改,这已证明是目前最为有效的方法了。因此,一开始就抱着逐步修改权重和增减操作数、同时监控优化情况的方法是笔者向初学者推荐的。

也许有一天真正的高效率的全局计算已经找了出来,并且计算机能够满足计算速度要求,但是我还是怀疑如果一开始就偏差较大的初始结构和初始优化结构,能否在有生之年把想要的符合实用的结果计算出来。那一天,就是我们光学设计人员的末日。在此之前,我们都应当充满自信。

zemax自聚焦透镜设计

目录 摘要................................................................ I Abstract........................................................... II 绪论. (1) 1 自聚焦透镜简介 (2) 1.1自聚焦透镜 (2) 1.2 自聚焦透镜的特点 (2) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3) 2 自聚焦透镜的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8) 3.1 确定透镜模型 (8) 3.2 设置波长 (8) 3.3数值孔径设定 (9) 3.4 自聚焦透镜光路 (9) 4 优化参数 (10) 4.1光线相差分析 (10) 4.2聚焦光斑分析 (12) 4.3 3D模型 (12) 结束语 (13) 致谢 (14) 参考文献 (15)

摘要 本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜(GRIN lens),自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于,自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射,并使折射率的分布沿径向逐渐减小,从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性,G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单,体积小的特点更适用于小型光学器材中,例如窥镜系统。 关键词:梯度折射率,自聚焦,光耦合,准直

Abstract This article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation

ZEMAX光学设计报告

光学设计报ZEMA 一、设计目 通过对设计一个双胶合望远物镜,学zema软件的基本应用和操作 二、设计要 的双胶合望远物镜,且相对孔径1:1设计一个全视场角1.56°,焦距1000m=13.6m要求相高三、设计过 1双胶合望远物镜系统初始结构的选 1.选 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 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 型双胶合透镜组,且孔径光阑与物镜框相重合 1.确定基本像差参 根据设计要求,假设像差的初级像差值为零,即球;正弦;位置色s 由此可得基本像差参量。那么按初级像差公式可F 1.冕牌玻璃在前0.0.80.0.8火石玻璃在前 0.008因为没有指定玻璃的种类,故暂选用冕牌玻璃进行计1.选定玻璃组 鉴玻璃的性价比较好,所以选作为其中一块玻璃。查表发现0.00 0.030.008Z组合,此时对应最接近的组合。此系统选 Z组合 的折射的折射0.038311.6721.516Z 1.74.284070.0609 2.009402.4 求形状系1.

考虑到任何实际的透镜组总是有一定的厚度,因此需要把薄透镜组转换成后透镜组 100m1/110m。选用压圈方式根据设计要,则通光口 3.m,由此可求得透镜组定透镜组,该方式所需余量由《光学仪器设计手册》查得103.m外径 对于凸透镜而言;假分别为球面矢高为折射球面曲率半径为透镜外径如图所示, 由上式可求。将所求的的结果代入下式中可求得凸透镜最小2.62.1 缘厚103.4.88.m11 利用下式可求得凸透镜的最小中心厚 m10.01.02.611.6 对于凹透镜而言:先求,再代入下式中可求得凹透镜最小边缘厚1.0.02.6103.11.6m11利用下式可求得凹透镜的最小中心厚不变的条件下进行薄透镜变换成后透镜时,应保

zemax实例

课程1:单透镜(a singlet) 开始ZEMAX,输入波长和镜片数据,生成光线 特性曲线(ray fan),光程差曲线(OPD),和点列图 (Spot diagram),确定厚度求方法和变量,进行简 单的优化。 假设需要设计一个F/4的镜片,焦距为100mm,在轴上可见光谱范围内,用BK7玻璃,该怎样开始呢? 首先,运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑(LDE)。你可以对LDE(你工作的场所)窗口进行移动或重新调整尺寸,以适合你自己的喜好。LDE由多行和多列组成,类似于电子表格。半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的,其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。 1、基本设置:开始,我们先为我们的系统输入波长。这不一定要先完成,我们只不过现在选中了这一步。在主屏幕菜单条上,选择“系统(System)”---“通用配置(general)”----“单位units”,先确定单位。再选择“系统(System)”菜单下的“波长(Wavelengths)”。屏幕中间会弹出一个“波长数据(Wavelength Data)”对话框。ZEMAX中有许多这样的对话框,用来输入数据和提供你选择。用鼠标在第二和第三行的“使用(Use)”上单击一下,

将会增加两个波长使总数成为三。现在,在第一个“波长”行中输入0.486,这是氢(Hydrogen)F谱线的波长,单位为微米。 Z EMAX全部使用微米作为波长的单位。现在,在第二行的波长列中输入0.587,最后在第三行输入0.656。这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作,转到适当的区域,然后键入数据。在屏幕的最右边,你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长,当前为0.486微米。在主波长指示器的第二行上单击,指示器下移到587的位置。主波长用来计算近轴参数,如焦距,放大率等等。“权重(Weight)”这一列用在优化上,以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL率。现在让所有的权为1.0,单击OK保存所做的改变,然后退出波长数据对话框。 选择“系统(System)”---“视场(fields)”----“角度”将X、Y都设为零。表示光线平行于主光轴入射。 2、为镜片定义一个孔径。这可以使ZEMAX在处理其他的事情上,知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个F/4镜头,我们需要一个25mm的孔径(100mm的焦距除F/4)。设置这个孔径值,选择“系统”---“通用配置(General)”---“aperture(孔径)”输入“光圈数值”:25。注意孔径类型缺省时为“入瞳直径(Entrance Pupil Diameter)”,也可选择其他类型的孔径设置。 3、加入一些重要的表面数据。ZEMAX模型光学系统使用一系列的表面,每一个面有一个曲率半径,厚度(到下一个面的轴上距离),和玻璃。一些表面也可有其他的数据,我们以后将会讨论到。

使用ZEMAX设计的典型实例分析

使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 武汉光迅科技股份有限公司宋家军(QQ:41258981)转载并修改 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(optimization)和公差分析(tolerance analysis)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,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,所有的光线一定会相交到所有的表面,否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面,且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,必须在序列性列表中,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。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影,甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中,光线入射到光学系统后,是自由的沿着实际光学路径追迹;一条光线可能打到一个对象(object) 许多次,而且可能完全未打到其它对象。此外,非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter),以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中,混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统,是相当有用的,如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。

ZEMAX光学设计报告材料

ZEMAX 光学设计报告 一、设计目的 通过对设计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,要求相高为y`=13.6mm 。 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确定基本像差参量 根据设计要求,假设像差的初级像差值为零,即球差0'0=L δ;正弦差0'0s =K ;位置色差 0'0=FC l δ。那么按初级像差公式可得0===∑∑∑I I I I C S S ,由此可得基本像差参量为 0===I ∞ ∞C W P 。 1.3求0P )(() ?? ?? ?+-+-=∞∞∞∞ 火石玻璃在前时 冕牌玻璃在前时 2 2 02.085.01.085.0W P W P P 因为没有指定玻璃的种类,故暂选用冕牌玻璃进行计算,即0085.00-=P 。 1.4选定玻璃组合 鉴于9K 玻璃的性价比较好,所以选择9K 作为其中一块玻璃。查表发现当000.0=I C ,与 0085.00-=P 最接近的组合是9K 与2ZF 组合,此时对应的038.00=P 。此系统选定9K 与

2ZF 组合。 9 K 的 折 射 率 5163 .11=n , 2 ZF 的折射率 6725 .12=n , 038319.00=P ,284074.40-=Q ,06099.00-=W ,009404.21=?,44.2=A ,72.1=K 。 1.5求形状系数Q 一般情况下,先利用下式求解出两个Q 的值: A P P Q Q 00-±=∞ 再与利用下式求的Q 值相比较,取其最相近的一个值: ) (1 20 0+-+ =∞ A P W Q Q 因为 0P P ≈∞ ,所以可近似为284074.40-==Q Q ,06099.00-==∞ W W 。 1.6求归一化条件下的透镜各面的曲率 ()()?????????-=--+-==-=-+=+===-+-?=+-==77370.011 1127467 .2284074.4009404.21 61726.1284074.415163.1009404 .25163.111221233 12211111n Q n n r Q r Q n n r ?ρ?ρ?ρ 1.7求球面曲率半径 ???? ?????-=-='=-=-='==='=491.129277370.01000 624.43927467.21000330.61861726.110003322 11ρρρf r f r f r 1.8整理透镜系统结构数据 视场0136.0tan -=ω(负号表示入射光线从光轴左下方射向右下方),物距-∞=L (表示物体在透镜组左侧无穷远处),入瞳半径mm h 50=,光阑在透镜框上,即入瞳距第一折射

ZEMAX光学设计讲义

实验一:单镜头设计(Singlet) 实验目的: 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长(wavelength)、镜头数据(lens data) 3、学习如何察看系统性能(optical performance),如ray fan,OPD,点列图(spot diagrams), MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量(variables) 5、学习如何进行优化设计(optimization) 实验仪器:微机、zemax光学设计软件 实验步骤: 1、设计一个孔径为F/4的单镜头,物在光轴上,其焦距(focal length)为100mm,波长为可见光, 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX,将出现ZEMAX的主页,然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢?它 是你要的工作场所,在LDE的扩展页上,可以输入选用的玻璃,镜片的radius,thickness,大小,位置等。 3、然后输入波长,在主菜单的system下,点击wavelengths,弹出波长数据对话框wavelength data, 键入你要的波长,在第一行输入0.486,它是以microns为单位,此为氢原子的F-line光谱。在第 二、三行键入0.587及0.656,然后在primary wavelength上点在0.587的位置,primary wavelength 主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics,即first-order optics)下的几个主要参数,如focal length,magnification,pupil sizes等。 4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜,所谓的F/#是什么呢?F/#就是光由无限远入射所形 成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture 就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data,aperture type里选择entrance pupil,在apervalue上键入25,然后点击ok。 5、回到LDE,可以看到3个不同的surface,依序为OBJ,STO及IMA。OBJ就是发光物,即光源, STO即孔径光阑aperture stop的意思,STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜,你在设计一组光学系统时,STO可选在任一透镜上,通常第一面镜就是STO,若不是如此,则可在STO这一栏上按鼠标,可前后加入你要的镜片,于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane,即成像平面。回到我们的singlet,我们需要4个面(surface),于是点击IMA栏,选取insert,就在STO后面再插入一个镜片,编号为2,通常OBJ为0,STO为1,而IMA为3。 6、输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上,直接键入BK7即可。 7、孔径的大小为25mm,则第一镜面合理的thickness为4,在STO列中的thickness栏上直接键入4。 Zemax的默认单位是mm 8、确定第1及第2镜面的曲率半径,在此分别选为100及-100,凡是圆心在镜面之右边为正值,反之为 负值。再令第2面镜的thickness为100。

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

光学系统设计zemax初级教程

光学系统设计(Zemax初学手册) 内容纲目: 前言 习作一:单镜片(Singlet) 习作二:双镜片 习作三:牛顿望远镜 习作四:Schmidt-Cassegrain和aspheric corrector 习作五:multi-configuration laser beam expander 习作六:fold mirrors和coordinate breaks 习作七:使用Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces 前言 整个中华卫星二号「红色精灵」科学酬载计划,其量测仪器基本上是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计和测试是整个酬载发展重要一环。 这份初学手册提供初学者使用软件作光学系统设计练习,整个需要Zemax光学系统设计软件。它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译,由蔡长青同学完成,并在Zemax E. E. 7.0上测试过。由于蔡长青同学不在参和「红色精灵」计划,所以改由黄晓龙同学接手进行校稿和独立检验,整个内容已在Zemax E. E. 8.0版上测试过。我们希望藉此初学手册(共有七个习作)和后续更多的习作和文件,使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。(陈志隆注) (回内容纲目) 习作一:单镜片(Singlet)

你将学到:启用Zemax,如何键入wavelength,lens data,产生ray fan,OPD,spot diagrams,定义thickness solve以及variables,执行简单光学设计最佳化。 设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用,其focal length 为100mm,在可见光谱下,用BK7镜片来作。 首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE),什么是LDE呢?它是你要的工作场所,譬如你决定要用何种镜片,几个镜片,镜片的radius,thickness,大小,位置……等。 然后选取你要的光,在主选单system下,圈出wavelengths,依喜好键入你要的波长,同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486,以microns为单位,此为氢原子的F-line 光谱。在第二、三列键入0.587及0.656,然后在primary wavelength上点在0.486的位置,primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics,即 first-order optics)下的几个主要参数,如focal length,magnification,pupil sizes 等。 再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜,所谓的F/#是什么呢?F/#就是光由无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data,在aper value上键入25,而aperture type被default为Entrance Pupil diameter。也就是说,entrance pupil的大小就是aperture的大小。 回到LDE,可以看到3个不同的surface,依序为OBJ,STO及IMA。OBJ就是发光物,即光源,STO即aperture stop的意思,STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜,你在设计一组光学系统时,STO可选在任一透镜上,通常第一面镜就是STO,若不是如此,则可在STO这一栏上按鼠标,可前后加入你要的镜片,于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA 就是imagine plane,即成像平面。回到我们的singlet,我们需要4个面 (surface),于是在STO栏上,选取insert cifter,就在STO后面再插入一个镜片,编号为2,通常OBJ为0,STO为1,而IMA为3。 再来如何输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上,直接打上BK7即可。又孔径的大小为25mm,则第一面镜合理的thickness为4,也是直接键入。再来决定第1及第2面镜的曲率半径,在此分别选为100及-100,凡是圆心在镜面之右边为正值,反之为负值。而再令第2面镜的thickness为100。 现在你的输入数据已大致完毕。你怎么检验你的设计是否达到要求呢?选analysis中的fans,其中的Ray Aberration,将会把transverse的ray aberration对pupil coordinate 作图。其中ray aberration是以chief ray为参考点计算的。纵轴为EY的,即是在Y方个的aberration,称作tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration称为XZ plane 或sagittal。 Zemax主要的目的,就是帮我们矫正defocus,用solves就可以解决这些问题。solves 是一些函数,它的输入变量为curvatures,thickness,glasses,semi-diameters,conics,以及相关的parameters等。parameters是用来描述或补足输入变量solves的型式。如curvature的型式有chief ray angle,pick up,Marginal ray normal,chief ray normal,Aplanatic,Element power,concentric with surface等。而描述chief ray angle solves

ZEMAX光学设计讲义资料讲解

Z E M A X光学设计讲义

实验一:单镜头设计(Singlet) 实验目的: 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长(wavelength)、镜头数据(lens data) 3、学习如何察看系统性能(optical performance),如ray fan,OPD,点列图(spot diagrams), MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量(variables) 5、学习如何进行优化设计(optimization) 实验仪器:微机、zemax光学设计软件 实验步骤: 1、设计一个孔径为F/4的单镜头,物在光轴上,其焦距(focal length)为100mm,波 长为可见光, 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX,将出现ZEMAX的主页,然后点击lens data editor(LDE)。什么 是LDE呢?它是你要的工作场所,在LDE的扩展页上,可以输入选用的玻璃,镜 片的radius,thickness,大小,位置等。 3、然后输入波长,在主菜单的system下,点击wavelengths,弹出波长数据对话框 wavelength data,键入你要的波长,在第一行输入0.486,它是以microns为单位, 此为氢原子的F-line光谱。在第二、三行键入0.587及0.656,然后在primary wavelength上点在0.587的位置,primary wavelength主要是用来计算光学系统在近 轴光学近似(paraxial optics,即first-order optics)下的几个主要参数,如focal length,magnification,pupil sizes等。 4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜,所谓的F/#是什么呢?F/#就是光由 无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比 值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选 general data,aperture type里选择entrance pupil,在apervalue上键入25,然后点击 ok。 5、回到LDE,可以看到3个不同的surface,依序为OBJ,STO及IMA。OBJ就是发 光物,即光源,STO即孔径光阑aperture stop的意思,STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜,你在设计一组光学系统时,STO可选在任一透镜上,通常第一面镜就是STO,若不是如此,则可在STO这一栏上按鼠标,可前后加入你要的镜片,于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane,即成像平面。回到我们的singlet,我们需要4个面 (surface),于是点击IMA栏,选取insert,就在 STO后面再插入一个镜片,编号为2,通常OBJ为0,STO为1,而IMA为3。

使用ZEMAX设计的典型实例分析

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(optimization)和公差分析(tolerance analysis)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,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,所有的光线一定会相交到所有的表面,否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面,且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,必须在序列性列表中,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。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影,甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中,光线入射到光学系统后,是自由的沿着实际光学路径追迹;一条光线可能打到一个对象(object) 许多次,而且可能完全未打到其它对象。此外,非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter),以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中,混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统,是相当有用的,如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。 序列性系统需定义视场角(field of view)、波长范围(wavelength range)和表面数据(surface date)。序列性设计的最重要参数之一,为系统孔径(system aperture)。系统孔径,常指入瞳(entrance pupil) 或孔径光栏(STO),它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。光学表面可以是折射、反射或绕射。透镜可以是由均匀或渐变折射率材质所制成。表面的下弯(sag) 可以是球面、圆锥面(conic)、非球面(aspheric)或藉由多项式或其它参数函数

ZEMAX仿真实例详解

第四章设计教程 简介 这一章将要教你如何使用ZEMAX,这一章的每一节将会让你接触一个不同的设计问题。第一个设计例子是非常简单的,如果你是一个有经验的镜片设计师,你也许觉得它并不值得你去费心,但是,如果你花费一点点时间去接触它,你可以学到如何运行ZEMAX,然后你可以继续你自己特别感兴趣的设计。 前几个例子中,提供了一些关于镜片设计理论的教程内容,用来帮助那些对专用术语不是很了解的人。但在总体上来说,这本手册,以及其中的这些特例,目的都不是要将一个新手培养成为一个专家。如果你跟不上这些例子,或者你不能理解程序演示时与计算有关的数学知识,可以参考任何一本“简介”这一章中所列出的好书。在开始课程之前,你必须先通过正当手段安装ZEMAX。 课程1:单透镜(a singlet) 你将要学到的:开始ZEMAX,输入波长和镜片数据,生成光线特性曲线(ray fan),光程差曲线(OPD),和点列图(Spot diagram),确定厚度求解方法和变量,进行简单的优化。 假设你需要设计一个F/4的镜片,焦距为100mm,在轴上可见光谱范围内,用BK7玻璃,你该怎样开始呢? 首先,运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑(LDE)。你可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸,以适合你自己的喜好。LDE由多行和多列组成,类似于电子表格。半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的,其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。 LDE中的一小格会以“反白”方式高亮显示,即它会以与其他格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。如果没有一个格子是高亮的,则在任何一格上用鼠标点击,使之高亮。这个反白条在本教程中指的就是光标。你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE,使光标移动到你想要停留的地方,或者你也可以只使用光标键。LDE的操作是简单的,只要稍加练习,你就可以掌握。 开始,我们先为我们的系统输入波长。这不一定要先完成,我们只不过现在选中了这一步。在主屏幕菜单条上,选择“系统(System)”菜单下的“波长(Wavelengths)”。 屏幕中间会弹出一个“波长数据(Wavelength Data)”对话框。ZEMAX中有许多这样的对话框,用来输入数据和提供你选择。用鼠标在第二和第三行的“使用(Use)”上单击一下,将会增加两个波长使总数成为三。现在,在第一个“波长”行中输入486,这是氢(Hydrogen)F谱线的波长,单位为微米。 ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。现在,在第二行的波长列中输入587,最后在第三行输入656。这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作,转到适当的区域,然后键入数据。在屏幕的最右边,你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长,当前为486微米。在主波长指示器的第二行上单击,指示器下移到587的位置。主波长用来计算近轴参数,如焦距,放大率等等。ZEMAX一般使用微米作为波长的单位“权重(Weight)”这一列用在优化上,以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL率。现在让所有的权为1.0,单击OK保存所做的改变,然后退出波长数据对话框。 现在我们需要为镜片定义一个孔径。这可以使ZEMAX在处理其他的事情上,知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个F/4镜头,我们需要一个25mm的孔径(100mm 的焦距除F/4)。设置这个孔径值,选择“系统”中的“通常(General)”菜单项,出现“通

用zemax设计光学显微镜 光学系统设计实验报告

课 程 设 计 光学显微镜设计 设计题目 学 号 专业班级 指导教师 学生姓名 测量显微镜

根据学号得到自己设计内容的数据要求: 1.目镜放大率10(即焦距25) 2.目镜最后一面到物面距离110 3.对准精度1.2微米 按照实验步骤,先计算好外形尺寸。然后根据数据要求选取目镜与物镜。 我先做物镜。因为这个镜片比较少。按物镜放大率选好物镜后,将参数输入。简单优化,得到比较接近自己要求的物镜。 然后做目镜,同样的做法,这个按照焦距选目镜,将参数输入。将曲率半径设为可变量,调入默认的优化函数进行优化。发现“优化不了”,所有参数均没有变化。而且发现把光源放在“焦点”位置,目镜出射的不是平行光。我百思不得其解。开始认为镜头库的参数可能有问题。最后我问老师,老师解释,那个所谓的“焦点”其实不是焦点,我错误的把“焦点”到目镜第一个面的距离当成了焦距。这个目镜是有一定厚度的,不能简单等效成薄透镜。焦点到节点的距离才是焦距。经过老师指点后,我尝试调节光源到目镜第一面的距离,想得到出射平行光,从而找到焦点。但这个寻找是很费力气的,事倍功半。老师建议我把目镜的参数倒着顺序输入参数。然后用平行光入射,然后可以轻松找到焦点。 但是,按照这个方法,倒着输入参数,把光源放在无限

远的地方(平行光入射),发现光线是发散的。不解。还是按照原来的方法。把光源放在目镜焦点上,尽量使之出射平行光。然后把它与优化好的物镜拼接起来。后来,加入理想透镜(会聚平行光线),加以优化。 还有一个问题,就是选物镜的时候,发现放大倍率符合了自己的需求,但工作距离与共轭距,不符合自己的要求。这个问题在课堂上问过老师,后来经老师指点,通过总体缩放解决。 物镜参数及优化函数

zemax设计实例之手机镜头汇编

zemax设计实例之手机镜头 2012.03.13 评论关闭4,757 views 随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大,利用Zemax光学设计软件设计一款大相对孔径800万像素的广角镜头。该镜头由1片非球面玻璃镜片,3片非球面塑料镜片,1片滤光镜片和1片保护玻璃构成。镜头光圈值F为2.45,视场角2ω为68°,焦距为4.25mm,后工作距离为0.5mm。采用APTINA公司的MT9E013型号800万像素传感器,最大分辨率为3264×2448,最小像素为1.4μm。设计结果显示:各视场的均方根差(RMS)半径小于1.4μm,在奈奎斯特频率1/2处大多数视场的MTF值均大于0.5,畸变小于2%,TV畸变小于0.3%。 关键词:手机镜头;光学设计;800万像素;Zemax 引言 手机镜头的研发工作始于20世纪90年代,世界上第一款照相手机是由夏普JPHONE(现在的日本沃达丰)在2001年推出的JSH04手机,它只搭载了一个11万像素的COMS数码相机镜头。随后各大手机知名制造厂商纷纷开始研发手机摄像功能。2003年5月22日夏普制造了100万素的JSH53,目前照相手机的市场占有率几乎是100%,特别是带有高像素2M、3M、5M、8M的镜头就成为镜头研发的热点[1]。目前800万像素的手机市场占有率还不是太多,但随着人们对高端手机的需求量越来越大,800万像素手机肯定是主流趋势。鉴于此,在选用合理初始结构的基础上,优化出了一款800万像素的手机镜头。 1感光器件的选取 感光器件有CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)两种。CMOS器件产生的图像质量相比于CCD来说要低一些,到目前为止,大多数消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感光元件;CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像镜头上,目前随着CMOS技术的日益成熟,也有一些高端数码产品使用CMOS器件。CMOS相对于CCD有很多优点,比如价格低、集成化程度高、体积小、质量轻、功耗低、无光晕、高读出速率等[6]。

ZEMAX光学辅助设计简明教程 2

ZEMAX光学辅助设计简明教程 沈常宇 中国计量学院光电子技术研究所

目录 第一章引言 (3) 第二章ZEMAX的基本界面及文件菜单 (4) 第三章编辑菜单 (6) 第四章系统菜单 (12) 第五章分析菜单 (17) 第六章工具菜单 (29) 第七章报告菜单 (36) 第八章宏指令菜单 (38) 第九章扩展命令菜单 (39) 第十章表面类型简介 (40) 第十一章设计优化实例 (46) 第一章引言 对于实际的光学系统来说,它的成像往往是非完善成像,对于怎样来判断一个光学系统的性能的优劣,是光学设计中遇到的一个重要问题.在当前计算机辅助科研、教学的迅猛发展过程中,计算机辅助光学系统设计已成为光学设计不可缺少的一种重要手段.其中,由美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件ZEMAX,可做光学组件设计与照明系统的照度分析,也可建立反射,折射,绕射等光学模型,并结合优化,公差等分析功能,是套可以运算Sequential及Non-Sequential的软件.其主要特色有分析:提供多功能的分析图形,对话窗式的参数选择,方便分析,且可将分析图形存成图文件,例如:*.BMP, *.JPG...等,也可存成文字文件*.txt;优化:表栏式merit function 参数输入,对话窗式预设merit function参数,方便使用者定义,且多种优化方式供使用者使用;公差分析:表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数,方便使用者定义;报表输出:多种图形报表输出,可将结果存成图文件及文字文件. 但是,这里必须强调一点的是,ZEMAX软件只是一个光学设计辅助软件,也就是说,该软件不能教你怎么去进行光学设计,而只是能对你设计的光学系统进行性能的优化以达最佳成像质量.所以,在应用本教程进行光学辅助设计之前,您最好先学习一下光学设计的有关知识:首先是几何光学基础,几何光学是光学设计的基础.要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理,外形尺寸计算方法,了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程.实际光学系统大多由球面和平面构成.记住共轴球面系统光轴截面内光路计算的三角公式,了解公式中各参数的几何意义是必要的,具体公式可参考有关光学书籍,在此就不一一介绍了.对于平面零件有平面反射镜和棱镜,它们的主要作用多为改变光路方向,使倒像成为正像,或把白光分解为各种波长的单色光.在光学系统中造成光能损失的原因有三点:透射面的反射损失、反射面的吸收损失和光学材料内部的吸收损失.其次是像差理论知识,对于一个光学系统,一般存在7种几何像差,他们分别是球差、彗差、像散、场曲、畸变和位置色差以及倍率色差.另外,还必须了解一点材料的选择和公差的分配方面的知识,以及一些光学工艺的知识,包括切割,粗磨,精磨,抛光和磨边,最后还有镀膜和胶合等. 第二章 ZEMAX的基本界面及文件菜单 §2.1 ZEMAX的基本界面 ZEMAX的基本界面比较简单,如下图所示. 包括一系列文件菜单和工具按钮.以及一个镜头数据编辑对话框.

zemax光学设计书汇总

广东工业大学物理与光电工程学院 ZEMAX软件和像差设计 [光学器件CAD] 应用光学和光学工程教研组 2013/9/2 1

前言 广东省的经济发展环境和产业分布特点吸引了众多的光学光电相关企业的进驻。国家的“节能减排”政策又大力促进了材料,半导体和照明产业的新一轮的改革和投入。例如,在LED节能照明,激光制版和光电子信息产业方面,无论是企业的数量还是企业对经济发展的贡献,都有可观的增长。所以,今后几年行业对专门应用型人才的旺盛需求。广东工业大学物理与光电工程学院及时地注意到行业发展的大趋势,进行了专业培养方案的调整,增设了光学工程教研组,旨在培养光学和光机电行业企业所需光学工程方面的人才。 光学工程的课程体系包含《应用光学》(2学分),《光学器件设计》(3学分)和《光学器件CAD课程设计》(2学分)。《应用光学》主要讲授高斯光学光束变换、成像原理;《光学器件设计》主要讲授像差理论和像质评价,为后续的课程设计打基础;《光学器件CAD课程设计》主要讲解光学系统设计,性能分析和优化方法。 ZEMAX光学设计软件,被广泛用于公司、研究所和高校用于产品设计,研究和教学培训。2007年被引进我校的光学设计教学当中,我们在像差教学以及课程设计教学中完全使用ZEMAX软件作为分析和优化工具。ZEMAX软件让学生得到直观和形象地感知透镜光学系统的建立,像质评价指标的物理表述,像差优化和系统成形等各个过程。 内容安排:第一章ZEMAX软件简介,讲述软件的用户界面,工具栏,透镜系统的建立的基本方法,像质评价的物理意义和相关举例。第二章ZEMAX优化操作符,介绍评价函数,操作符的定义和使用。第三章ZEMAX像差设计和优化,讲解建立像差控制的评价函数,如轴上和轴外像差的评价函数以及设计实例。第四章典型光学系统的设计。 i

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