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光学设计实验（一）望远镜系统设计实验1 实验目的（1）通过设计实验，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；（2）介绍光学设计ZEMAX 的基本使用方法，设计实验通过ZEMAX 来实现 2 设计要求(1) 设计一个8倍开普勒望远镜的目镜，焦距f’=25mm ，出瞳直径D ’=4mm ，出瞳距>22mm ，视场角2ω’=25︒；考虑与物镜的像差补偿，目镜承担轴外像差的校正，物镜承担轴上像差的校正。
（总分：30分）（2）设计一个8倍开普勒望远镜的物镜，其焦距、相对孔径D/f ’、视场角、像差补偿要求根据设计（1）的要求来确定，要求给出计算过程。
（总分：30分）（3）将上述物镜与目镜组合成开普勒望远镜，要求望远镜的出射光束角像差小约3’左右。
如不符合要求，可结合ZEMAX 中paraxial 理想光学面，通过控制视觉放大倍率和组合焦距为无限大（如f ’>100000）等手段。
（总分：30分）（4）回答和分析设计中的相关问题（总分：10分）所有设计中采用可见光（F ，d ，C ）波段。
问题1：望远光学系统和开普勒望远镜的特点问题2：目镜的光学特性和像差特点问题3：常用的目镜有哪些？常用的折射式望远物镜有哪些？ 问题4：望远镜系统所需要校正的主要像差有那些？提示：目镜采用反向光路设计，目镜包括视场光阑，注意目镜孔径光阑的设置。
判定出射光束角像差小约3’左右的方法：在像面前插入一个paraxial 类型的面，若该面焦距（即与像面之间的距离）为1000mm ，则Spot diagram 的Geo Radius 则应小1mm 。
m 91512.5COS 343831000COS 3438322'μω=⨯⨯=⨯⨯≤f R 3 设计流程所谓光学系统设计就是根据使用要求，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。
因此我们可以把光学设计过程分为4个阶段：外形尺寸计算、初始结构的计算和选择、象差校正和平衡以及象质评价。
光学系统设计范文光学系统设计是一门研究光学现象和原理的学科，主要应用于光学仪器和设备的设计、制造和优化。
在现代科技发展中，光学系统设计在通信、医疗、工业和科学研究等领域起着重要作用。
本文将介绍光学系统设计的基本原理、步骤以及一些常见的应用实例。
光学系统设计的基本原理包括光的传播、折射、反射、吸收等光学现象。
光线经过透镜、反射镜、光纤等光学元件的组合和配置，可以实现光束的聚焦、分束、调制、衍射等功能。
设计者通常会利用光学设计软件来模拟和优化光学系统的性能，以满足特定的应用需求。
需求分析是光学系统设计的起点，设计者需要明确系统的功能需求和性能指标。
例如，光学系统的工作波长范围、分辨率需求、光强要求等。
光路设计是根据需求分析，确定光学系统的结构和布局。
设计者需要选择适当的光学元件并进行系统的布置。
常用的光学元件包括透镜、反射镜、光纤等，不同的光路设计可以实现不同的光学功能。
光学元件选型是在光路设计的基础上，根据实际需求选择适合的光学元件。
通过光学元件的参数比较和性能评估，设计者可以选择最佳的光学元件，以满足系统的需求。
系统优化是指对光学系统进行性能优化，以提高系统的成像质量、光强等。
优化的方法可以采用参数调整、光学元件更换等手段，通过模拟和实验验证来提高系统的性能指标。
在通信领域，光学系统设计用于光纤通信和光网络的构建。
光学系统设计师需要设计和优化光纤传输链路、光放大器、光开关等光学元件，以实现高速、高容量的光纤通信。
在医疗领域，光学系统设计用于医疗影像设备的设计和制造。
例如，X射线、CT、MRI等医疗影像设备都需要光学系统来接收、聚焦和检测光信号，以获取生物组织的影像信息。
在工业领域，光学系统设计用于光学仪器的制造。
例如，显微镜、激光切割机、光学传感器等都需要精密的光学系统来实现高分辨率、高精度的成像和测量。
在科学研究领域，光学系统设计用于实验仪器和装置的设计。
例如，激光器、光谱仪、显微镜等科研仪器都需要光学系统来实现特定的实验操作和测量。
Zemax光学设计：热成像系统的设计实例红外光谱有三个大气“窗口”，在这三个波段大气吸收比较小。
其中一个是1到3um，另一个是3到5um，第三个是8到12um。
热成像也叫红外成像。
红外和可见光设计之间的最大区别是，在可见光中几乎都是物的反射光成像，而在红外则是物自身辐射成像。
红外物镜与可见光物镜的主要区别在于材料。
由于玻璃中含有羟基（OH-），在近红外有很强的吸收峰，普通光学玻璃最多只能工作到 2.8um左右的近红外，中远红外光学系统则完全依赖红外材料。
1.光子探测温度为 T（单位为K）的黑体，其辐射的光子数量为：其中，M 表示每秒钟、每平方厘米表面、每厘米波长的光子辐射量，c 表示真空中的光速，单位为厘米每秒，λ表示以厘米为单位的波长。
因为在多数热成像系统中，探测的是物所发射的光子数与其背景所发射的光子数之间的差值，因此信号探测与下式成正比其中ΔT表示物和背景的温差。
下表给出了物体在常温下293K(20 度)的辐射出射度，也给出了每度（单位为K）的信号。
由这个表格可以看出，物体在这个温度下，在大气窗口8-12um 的辐射出射度比 3-5um波段的大30倍左右，信号则大了15倍。
对于热成像，探测器探测的是辐射通量而不是光子数，所以这两个比例具有相同的意义。
在多数情况下，这两个波段的光学设计是明显不同的，因为它们所使用的透射材料是不同的。
而有些系统为了同时包括这两个波段，能够使用的适合材料就更加受限。
在8-12um 波段，常用材料如下表：锗是最广泛使用的材料，它的折射率高且色散小。
硒化锌和硫化锌可以作为校色差的负元件。
在3-5um波段，常用材料如下表：在这个波段，锗的色散就没有那么小了，所以在 8-12um 波段的非常有用的锗非球面单透镜，在 3-5um 就没有那么有效了，因为还要校正色差。
但是，可以利用双片式来校正色差，若我们以低色散的硅作为“冕牌”，则锗显然就是最好的“火石”材料。
2.单锗透镜由于在 8 到 12um 波段，锗具有高折射率和低色散的特殊性能，因此只要用锗材料就能制造高性能热成像物镜。
zemax激光光学设计实例与应用
ZEMAX是一种用于光学系统设计和分析的软件工具，它可以应用于激光光学设计与优化。
以下是一些激光光学设计实例及应用。
1. 二极流CO2激光器的光路设计
二极流CO2激光器是一种常见的光学器件，其光路设计需要考虑到多种物理效应。
使用ZEMAX进行二极流CO2激光器光路设计，可以优化光路的效率和性能。
例如，通过添加适当的激光束扩展器可以提高光束质量和稳定性；优化反射镜的性能可以提高激光器的输出功率和效率。
2. 红外光学系统的设计
使用ZEMAX进行光学系统设计可有效提高系统的性能和光学吸收率。
例如，在红外激光器中，设计合适的焦距和两个镜头之间的距离，并对光学系统进行优化，可以显著提高系统的分辨率和成像质量。
3. 光束仿真
另一种常见的激光光学设计应用是光束仿真。
ZEMAX可以用于模拟光束在特定光学系统中的传播和焦聚。
这可以帮助设计师更好地理解光线如何在光学系统中传播。
例如，在激光切割中，设计师可以使用ZEMAX来仿真光束的传播路径和聚焦质量，以优化切割效果。
4. 激光雕刻机的光路设计
激光雕刻机是一种常见的激光光学器件，用于刻蚀或切割材料表面。
在设计激光雕刻机时，需要考虑到多种物理效应，例如材料的吸收率和光束的聚焦度。
使用ZEMAX进行光路设计和优化，可以改善雕刻效果和机器的精度。
Zemax光学设计：一个显微镜照明系统的设计实例技术指标：设计一个中等倍率显微镜的照明系统。
显微镜的技术规格如下所述：放大倍率：10NA：0.2（CCD对角的1/2）无限远校正系统（infinity corrected ）: 12mm成像镜头焦点距离：200mm工作距离：45mm使用的光源：2mm NA=0.25设计仿真：1.显微物镜的设计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”，并按设计要求输入“8.0”：在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：在波长设定对话框中，输入F.d.C三个波长，如下图：LDE的结构参数，如下图：查看2D Layout：查看点列图：然后利用Hammer优化进行玻璃替代来决定玻璃材质。
Hammer优化后的LDE：此时，点列图为：查看波前差，可以看到在全视场内都在衍射极限之内。
2.目镜的设计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”，并按设计要求输入“8.0”：3.在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：在波长设定对话框中，输入F.d.C三个波长，如下图：LDE的结构参数，如下图：查看2D Layout：查看点列图：3.显微物镜与目镜的续接先物镜进行翻转，可以使用“Reverse Element”工具来进行翻转。
首先，将孔径类型修改为“Float ByStop Size”。
然后，即使原本的系统没有光瞳像差，翻转后的新系统也可能有光瞳像差。
所以，我们需要打开近轴光线瞄准。
我们可以在光线瞄准 (Ray Aiming) 中选择近轴 (Paraxial) 实现这一步操作。
第三，为了防止翻转后系统尺寸发生改变，我们把每个面的半径值锁定住。
第四，根据原系统点列图上的数值来更改视场类型与数值。
光学系统设计（Zemax初学手册）蔡长青ISUAL 计画团队国立成功大学物理系（第一版，1999年7月29日）前言整个中华卫星二号“红色精灵”科学酬载计画，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与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体作光学系统设计练习，整个需要Zemax光学系统设计软体。
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与“红色精灵”计画，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验，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）与后续更多的习作与文件，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这一栏上按滑鼠，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。
现在你的输入资料已大致完毕。
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，它的输入变数为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数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的parameter即为angle，而补足pick up solves的parameters为surface，scale factor两项，所以parameters本身不是solves，要调整的变数才是solves的对象。
在surface 2栏中的thickness项上点两下，把solve type从fixed变成Marginal Ray height，然后OK。
这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0，即paraxial focus。
再次update ray fan，你可发现defocus已经不见了。
但这是最佳化设计吗？再次调整surface 1的radius 项从fixed变成variable，依次把surface 2的radius，及放弃原先的surface 2中thickness的Marginal Ray height也变成variable。
再来我们定义一个Merit function，什么是Merit function 呢？Merit function就是把你理想的光学要求规格定为一个标准(如此例中focal length为100mm)，然后Zemax会连续调整你输入solves中的各种variable, 把计算得的值与你订的标准相减就是Merit function值，所以Merit function值愈小愈好，挑出最小值时即完成variable 设定，理想的Merit function值为0。
现在谈谈如何设Merit function，Zemax 已经default 一个内建的merit function，它的功能是把RMS wavefront error 减至最低，所以先在editors中选Merit function，进入其中的Tools，再按Default Merit Function 键，再按ok，即我们选用default Merit function ，这还不够，我们还要规定给merit function 一个focal length 为100的限制，因为若不给此限制则Zemax会发现focal length为∞时，wavefront aberration的效果会最好，当然就违反我们的设计要求。
所以在Merit function editor第1列中往后插入一列，即显示出第2列，代表surface 2，在此列中的type项上键入EFFL(effective focal length)，同列中的target项键入100，weight 项中定为1。
跳出Merit function editor，在Tools中选optimization项，按Automatic键，完毕后跳出来，此时你已完成设计最佳化。
重新检验ray fan，这时maximum aberration已降至200 microns。
其他检验optical performance还可以用Spot Diagrams及OPD等。
从Analysis中选spot diagram中的standard，则该spot大约为400 microns上下左右交错，与Airy diffraction disk 比较而言，后者大约为6 microns交错。
而OPD为optical path difference(跟chief ray作比较)，亦从Analysis中挑选，从Fans中的Optical Path，发现其中的aberration大约为20 waves，大都focus，并且spherical，spherochromatism及axial color。
Zemax 另外提供一个决定first order chromatic abberation 的工具，即the chromatic focal shift plot，这是把各种光波的back focal length跟在paraxial上用primary wavelength 计算出first order的focal length之间的差异对输出光波的wavelength 作图，图中可指出各光波在paraxial focus上的variation。
从Analysis中Miscellaneous项的Chromatic Focal Shift即可叫出。
(回内容纲目)●习作二：双镜片你将学到：画出layouts和field curvature plots,定义edge thickness solves, field angles等。
一个双镜片是由两片玻璃组成，通常黏在一起，所以他们有相同的curvature。
藉著不同玻璃的dispersion性质，the chromatic aberration可以矫正到first order所以剩下的chromatic aberration主要的贡献为second order，于是我们可以期待在看chromatic focal shift plot图时，应该呈现出parabolic curve的曲线而非一条直线，此乃second order effect的结果（当然其中variation的scale跟first order比起来必然小很多，应该下降一个order）。
跟习作一一样，我们仍然要设计一个在光轴上成像，focal length为100mm的光学系统，只不过这次我们用两块玻璃来设计。
选用BK7和SF1两种镜片，wavelength和aperture如同习作一所设，既然是doublet，你只要在习作一的LDE上再加入一面镜片即可。
