zemax光谱仪设计实例

ZEMAX光学设计：在非序列模式下仿真双折射实例
引言：
在非序列模式下，在物体类型（Object Type）中设置相关参数来仿真双折射偏振器件。

设计仿真：在ZEMAX非序列模式下仿真双折射偏振器件。

在波长设定对话框中，选择F,d,C（visible）自动加入三个波长，如下图：
在NSC Editor中输入结构参数，如下图：
第一行，设置一个椭球光源，Layout Rays设为100，Analysis Rays 设为100000，X Half Width和Y Half Width分别设为0.5mm，其他参数默认。

第二行，设置一个柱状双折射晶体，Z Position设为1，Material设为CALCITE（方解石），Front R和Back R分别设为20，Z Length设为100。

如上图，在第二行的Index对话框中，选择Birefringent，并在Ay 和Az分别设为0.707，Axis Length（轴线长度）为10mm。

第三行和第四行，分别设置两个Source Rectangle，用于分别探测o光和e 光。

查看NSC 3D Layout，如下图：
注意：需要勾选“Split NSC
Rays”。

查看探测器探测到的o光和e光的图像，如下图：。

zemax多重结构设计实例
Zemax是一种用于光学设计和仿真的软件工具，它可以用于设计多重结构。

以下是一个关于Zemax多重结构设计的实例：
假设我们要设计一个具有复杂光学要求的摄像头系统。

我们需要一个包含多个透镜元件的光学系统，以实现对焦、变焦和折射等功能。

在Zemax中，我们可以通过多种方法来设计这样的系统。

首先，我们可以使用Zemax的元件库来选择合适的透镜元件，例如球面透镜、非球面透镜等。

然后，我们可以使用Zemax的建模工具来排列这些透镜元件，以构建一个复杂的多重结构光学系统。

在设计过程中，我们可以利用Zemax的分析工具来优化系统的性能，例如使用光线追迹来模拟光线在系统中的传播路径，以及使用波前分析来评估系统的像差和光学质量等指标。

另外，Zemax还提供了丰富的数据输出和可视化工具，可以帮助我们对设计的多重结构进行全面的分析和评估。

我们可以查看光斑图、点扩散函数等图像，以及导出系统的性能数据进行进一步的处理和分析。

总之，Zemax可以帮助我们设计复杂的多重结构光学系统，通过其丰富的建模、分析和可视化工具，我们可以全面地了解系统的性能，并进行优化和改进。

这样的设计实例可以应用于各种领域，如摄像头、望远镜、显微镜等光学系统的设计与优化。

复眼阵列用于光学数字投影仪的均匀照明导言在数字投影仪的设计中，当我们要显示数字光源均匀辐射的一张照片或者一段视频的时候，我们希望投射在屏幕上相应的图片也是均匀辐射的。

为了达到投影图像照度的均匀性，我们需要有一个空间光调制器，比如均匀照明的LCD板。

由于从灯光装配处发出的光源的发光剖面是一个典型的高斯类型的发光剖面，所以空间光调制器平面不能由光源直接得到。

我们必须设法使发光剖面“消高斯型”，或者在空间域把它从不均匀转化为均匀的发光剖面，这可以通过一对复眼阵列排列的空间光线调制器来实现，现在我们就通过本文介绍，来看一下这些设置是怎样工作的。

什么是复眼阵列？复眼阵列就是一个用各独立光学元器件的二维阵列组合成一个单独的光学元件，它用来完成光线在照明板上由不均匀分布到均匀分布的空间转换。

在使用复眼阵列的数字投影仪上，它们几乎总是和具有可提供半准直光的抛物面镜的灯具装配一起应用。

就目前来看，在照明领域，它们主要应用在LCD数字投影仪灯光引擎上，用来把空间均匀光传递到空间光调制器光照面上。

复眼阵列从上图中可以看出来。

这幅图是由In Vision友情提供的，详情请查看网址www.in-vision.at。

阵列中每一个独立的光学元件的形状可以是长方形或矩形的，而它们的表面形状可能是球形或有一定的变形（垂直和水平方向上具有不同的光强），通常光焦度只分布在阵列的一面，另一面往往是平的。

根据在ZEMAX软件中模拟这些元件，或许最简单的方法就是使用物体类型Lenslet Array1，它包含一排矩形物体，每一个矩形物体都有一个扁平的前表面和一个用户自定义数量的重复性弯曲表面。

阵列表面可以是平面，球面，圆锥面或多项式非球面；或者说一个球形的、圆锥形的或多项式非球面形的复曲面。

这样，在定义、优化阵列中透镜元件的精确表面时就有了很好的灵活性。

上图为我们展示的是一个单独的Lenslet Array 1物体，它由矩形透镜7 x 5阵列组成，每一个矩形透镜其实是球形透镜的矩形区域。

Zemax光学设计：人眼模型实例引言：人眼光学模型常常被用在如下场景中：设计用于人眼内部观察的仪器（如检查眼底相机的照明均匀性）、设计人眼视线会穿过的仪器（如研究眼科镜片、隐形眼镜和人造晶状体的特性）以及研究人眼本身（如研究角膜瘢痕、白内障等眼病对视网膜成像造成的影响）。

设计仿真：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”，并根据人眼瞳孔大小输入“4.0”；在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：因该模型通常用于评估视力，所以模型中对波长进行了加权。

并且也对0°、10°和20°的视场角分别进行了1.0、0.2和0.1的加权，以此来表示这些角度上的相对视力。

把视网膜当作像面时，相对视力在中心处权重为1.0，在2.5°时下降为0.5，在10°时下降为0.2，在20°时下降为0.1，在边缘处下降为0.025。

错误的加权会令优化结果不具参考意义。

在波长设定对话框中，输入0.470um、0.510um、0.555um、0.610um 和0.650um五个波长，如下图：该人眼模型中，使用带有相对照度权重的明视波长。

LDE的结构参数，如下图：该模型中还包含直径为一个4mm的虹膜瞳孔。

这个人眼模型中，将视网膜作为像面。

使用这些模型前，一定要将压缩文件中的EYE.AGF 文件拷贝到Zemax的玻璃库文件夹下。

玻璃库是根据已发表的真实眼睛中光学介质折射率的测量结果构建的，通常只适用于有限数量的波长，一般为F，d，C三个波长下的数据。

因此，适合使用Conrady公式，公式得出的结果范围限于可见光和近红外光谱，且Nd和Vd值不能够四舍五入。

如果波长范围需要扩展到紫外线或红外线，可以使用MISC玻璃库中利用Schott公式计算的334nm至2325nm的海水折射率数据。

Zemax光学设计：一个线性色散物镜的设计参考引言：光谱共焦位移传感器的核心元件是线性色散物镜。

仪器的测量范围、色散本领、分辨率首先决定于色散系统的性能。

数值孔径是色散镜头的主要指标，它决定了镜头的结构以及校正像差的复杂程度。

在共焦光学系统中,轴向共焦响应的半高全宽可表示为其中λ为波长，NA是数值孔径。

在光谱共焦系统中,由于各波长单色光在色散镜头后会聚的位置不同,因此各单色波长的数值孔径并不相等。

在折射式色散元件中，波长数值较小的单色像点距离镜头较近，波长较大的单色像点距离镜头较远，数值孔径将会随着波长的增大而减小。

各单色光共焦轴向响应半高全宽值将随着波长增大而逐渐增大。

由于光学系统出射光谱带宽是光源各波长组份共焦轴向响应在某一轴向位置的叠加，因此波长较小区域的出射光谱的光谱带宽会比波长较长区域的出射光谱带宽值小，相应分辨率也高。

出射光谱带宽随单色光共焦轴向响应的减小而减小。

对于固定波长的情况，增大数值孔径可以减小共焦轴向响应的。

因此可以得出结论，增大色散镜头的数值孔径可以减小光谱共焦光学系统出射光谱带宽，进而提高传感器系统分辨率。

但是数值孔径的提高会使色散物镜的结构和像差校正变得更为困难，不利于镜头的设计。

此外,数值孔径的增大还会减小位移传感器的起始工作距离，设计时应综合考虑。

由于共焦小孔的存在极大的限制了轴外光束，且共焦光学系统中出入射小孔的尺寸在微米量级，而光学系统孔径的尺寸在毫米量级，可将入射小孔处的光当点光源处理。

因此可认为光谱共焦系统只对轴上点成像，主要考虑轴上像差。

其中单色光像差主要是球差，复色光像差是轴向色差。

球差会导致谱峰定位偏差。

此外，球差的存在还会使单色光在相应近轴像面上的光斑尺寸增大。

这会造成单色轴向共儀响应曲线增宽进而展宽共焦小孔出射光信号的光谱带宽，降低传感器系统分辨率。

因此在光谱共焦位移传感器系统色散位移镜头的设计中，应严格校正系统工作波段内各波长单色光对应的球差。

引言● 在我们要求具焦的能● 所谓变同范围变焦距● 由于一是使用大家通变焦镜头我们知道说一个系统大小、视场I 为像高im变焦镜头对孔径保持变焦时采取通过改变ZE 们成像镜头设具备变焦的能能力便可以应变焦，即镜头围景物的成像距来改变拍摄一个系统的焦用类似定焦镜通过举一反三头设计原道，设计好的统的接收面尺场和焦距三者mage, f 为焦头的变焦倍数持不变，但对取相对孔径（变镜片与镜片焦EMAX 设计要求中，能力，如CCT 应用于多种环头的焦距在一像。

我们通常所摄范围，因此焦距在某一范镜头的分析优三的练习可掌理介绍：的一组镜头如寸大小是固定有如下关系焦距，theta 为数为长焦距和于实际的高变即F/#)也跟片之间的间隔焦距变化，视角相应改变X 基础通常分两种：TV 监控镜头，环境条件，放大定范围可调节所说的变焦镜此非常利于画面范围可变，相当优化方法，本节掌握变焦镜头在如果变化镜片定不变的(像： 为视场角度。

和短焦距比值变倍比系统，跟随变化的方隔达到设计的视场变础实例-：定焦镜头与，红外探测镜大缩小或局部节，通过改变镜头一般指摄面构图。

当于由无数多节我们将带领在ZEMAX中片与镜片之间像面:CCD 或。

如下图所不值，也称为“，由于外形尺方案。

的焦距要求，变焦镜与变焦镜头。

镜头，摄影镜部特写，这是变焦距从而改摄像镜头，即多个定焦系统领大家使用Z 中的设计优化间的空气厚度COMS 或其它不:“倍率”。

理尺寸不希望过当系统的入镜头设成像镜头在镜头，双筒望是一个定焦镜改变系统视场即在不改变拍统组成的。

我ZEMAX 来设计化方法。

度，镜头的焦它探测面)，理论定义下，过大或二级光入瞳直径D 固设计在很多实际应望远镜等等，镜头所无法完场大小，达到拍摄距离的情我们在设计变计一个完整的焦距会随之变在基础光学在变焦过程光谱校正等问固定时，即系像面尺寸相同应用中通常也镜头具备变完成的。

到不同矩离不情况下通过改变焦镜头时也的变焦镜头，变化。

第二章 基础实例设计ZEMAX基础实例 ‐ 单透镜设计引言• 在成像光学系统设计中，主要指的是透镜系统设计，当然也有一些反射系统或棱镜系统。

• 在透镜系统设计中，最基础、最简单的便是单透镜设计。

但我们不要小看这样的单透镜系统，因为它也代表了一个光学系统设计的完整流程。

麻雀虽小，五脏俱全！• 本节中，我们通过手把手的操作，为大家展示使用 ZEMAX 进行成像光学设计的完整流程。

使初学者快速领略到ZEMAX光学设计的风采，在轻松的设计中感受到光学设计的乐趣。

• 通过单透镜设计，可以使大家学习到Z EMAX 序列编辑器建模方法，光束大小设置方法，视场设置方法，变量的设罝方法，评价函数设置方法，优化方法，像差分析方法和提髙像质的像差平衡方法等，单透镜系统参数设计任何一个镜头，我们都必须有特定的要求，比如焦距，相对口径，视场，波长，材料，分辨率，渐晕，MTF等等，根据系统的简易程度客户给的要求也各不相同。

由于单透镜最简单的系统，要求也就很少。

本例中我们设计单透镜规格参数如下：EPD = 20mmF/#=10FFOV= 10 degreeWavelength 0.587umMaterial BK7Best RMS Spot Radius首先我们需要把知道的镜头的系统参数输入软件中，系统参数包括三部分：光束孔径大小，视场类型及大小，波长。

在这个单透镜的规格参数中，入瞳直径(EPD)为20mm，全视场(FFOV)为10度，波长0.587微米，分别如下说明。

1、点击System » General或点快捷按扭Gen打开通用设置对话框：入瞳直径即到还有其它像空间F 数互转换。

物空间数值直接定义物随光阑尺寸用这种类型本例中，我2、点击打开即用来直接确它几种光束孔(Image Space 值孔径(Object 物点发光角度寸漂移(Float B 型来计算入瞳我们只需选择开视场对话框定进入系统光孔径定义类型e F/#)，用于t Space NA)，来约束进入系By Stop Size)，瞳的大小。

第十三章表面类型§1 简介ZEMAX 模拟了许多种类型的光学元件。

包括常规的球面玻璃表面，正非球面，环带，柱面等。

ZEMAX 还可以模拟诸如衍射光栅、“薄”透镜、二元光学、菲涅耳透镜、全息元件之类的元件。

因为ZEMAX 支持大量的表面类型，用常用的电子表格形式安排用户界面就比较困难。

例如，对于一个没有发生衍射的表面，开辟“衍射阶数”一列就没什么必要。

为了使用户界面尽可能不显得乱，ZEMAX 使用了不同的类型界面以便指出定义某一种类型的表面时，需要哪一些数据。

§2 参数数据一个标准的表面可以是一个紧随着一均匀介质（如空气，反射镜或玻璃）的平面、球面或圆锥非球面。

所要求的参数仅仅是半径（半径也可以是无穷大，使之成为一个平面），厚度，圆锥系数（缺省值为0，表示是球面），和玻璃类型的名字。

其他的表面类型除使用一些其他值外，同样使用这些基本数据。

例如，“偶次非球面”表面就是使用所有的“标准”列数据再加上八个附加值，这些附加值是用来描述多项式的系数的。

这八个附加值被称为参数，且被称为参数1，参数2，等等。

要理解的参数值的最重要特性是它们的意思会随着所选择的表面类型的不同而改变意思。

例如，“偶次非球面”表面类型用参数1 来指定非球面近轴抛物线项的系数，而“近轴”面则用参数1 来指定表面焦距。

两个表面同样使用参数1，但用途却不同，因为这两个表面类型永远不会同时在同一个面上使用。

数据存储的共享性简化了ZEMAX 界面，也减少了运行程序时所要求的总内存。

但由于你必须去记每一个参数的作用，是否这样的共享反而会使ZEMAX 用起来变得麻烦呢？回答是否定的，因为ZEMAX始终掌握着你所定义的每一面上的每一个参数代表什么的记录。

当你将一个表面从“标准的”改成其他的表面类型后，ZEMAX 会自动改变参数列的列头以使你知道你对表面上的每一个参数作了什么改动。

所有需要你做的只是在正确的格子中键入适当的数据。

当你将光标从一个格子移动到另一个时，列头会一直显示该格是用来作什么的。

013：迈克尔逊干涉仪仿真在这一节的实例中，我们要采用干涉分析等工具来仿真物理光学现象。

下面，我们一边建模一边讨论。

图13-1 理想成像LDE 编辑器列表图13-2 理想成像结构及像差分析图列表我们先建立一个简单的理想光学成像系统（4F 系统），系统设置中，物方类型选择物面数值孔径（随意设置一个合理的值）；波长为默认；视场为默认0 度。

在透镜数据编辑器中输入如图13-1 所示的数据。

停止面（Surface 1）的类型选择“Paraxial XY”（傍轴光线），这样就可以将这个面设置为“理想薄透镜”。

注意，“Paraxial”为旋转对称理想透镜，“Paraxial XY”为两轴分离理想薄透镜，可以分别设置两个轴不同的光焦度，即单独设置一个轴就成为“理想柱面镜”。

其参数“X-Power”和“Y-Power”分别为两个轴的光焦度，即理想焦距的倒数。

然后打开3D Layout 查看光路结构，同时调出各种像差分析图，例如点列图、光扇图、光程差OPD 图表等等，看看理想情况想的像差分析图表是什么样子的。

如图13-2 所示，像差图分析结果像差均为0，点列图为理想点。

再来看看理想情况下的成像效果。

点击Analysis→Image Simulation→Image Simulation打开成像仿真器，默认情况下的成像仿真为网格线条模式，如图13-3 所示。

图13-3 理想成像仿真分析（网格线条模式）点击设置菜单，更改输入文件，根据自己的喜好选择物方图像。

软件自带了一个BMP 格式的演示图片（高一点的版本才有），可以用来模拟拍照实际成像效果。

参数设置如图13-4所示，其中视场高度（Field Height）选项与系统设置中的视场类型有关，如果系统设置中视场类型为视场角度，那么这里应该是指物面对停止面STO 的张角（全角），所以视场高度若再设为0，则表示物面尺寸为0，可能无法看到成像。

将视场高度（Field Height）的值设为5（度），表示物面高度（Y 方向）尺寸设定为tan5*50=4.4mm。

ZEMAX光学设计：一个沃拉斯顿棱镜的设计实例引言：沃拉斯顿棱镜（Wollaston prism），一种偏振光学器件，能产生两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光。

它是有由两个直角棱镜组成的。

在光刻照明、双频激光干涉仪、光谱仪、偏振分析仪等精密加工、测量等领域应用非常广泛。

沃拉斯顿棱镜所用材料可以是方解石、石英、KDP，YVO4、氟化镁和α-BBO等。

，中间可以用甘油或蓖麻油粘合，也可以用光胶或键合的方式制成（这个方式的抗损伤阈值更高）。

设计一个沃拉斯顿棱镜。

设计仿真：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“10.0”；在视场设定对话框中设置1个视场，Field Type为“angle”，如下图：在波长设定对话框中，选择0.400um一个波长，如下图：LDE的结构参数，如下图：两个棱镜的材料选用KDP。

第2面BirefringentIn设置中，Draw Axis填入“75”；参数Mode，填入“0”；X-Cosine填入“0”、Y-Cosine填入“1”。

第4面设置为Birefringent Out；第5面BirefringentIn设置中，Draw Axis填入“75”；参数Mode，填入“1”；X-Cosine填入“1”、Y-Cosine填入“0”。

在第4面和第5面的前后插入坐标断点，旋转45°。

第7面设置为Birefringent Out。

ZEMAX不能同时追迹两条光线，但是可以容易地创建一个多重组态镜头。

打开MCE，设置如下：查看3D Layout，如下图：此时，寻常光和非寻常光就可以同时追迹了。

偏振光瞳图，表示偏振椭圆关于曈面位置的函数。

这可以帮助观察整个光瞳上的偏振变换情况。

这个功能也可以用于计算系统中的透射率，该系统用独立的组态模拟重叠光路,例如双目偏振光束分光镜和干涉仪。

在偏振光瞳图的参数设置，如下图：Jx与Jy为琼斯电场，用于定义初始偏振；X-Phase和Y-Phase分别为用角度表示的琼斯电场X和Y分量的相位；Surface为数据所显示的表面。

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。

Zemax课程实例讲解1您将学会: 开始使用Zemax, 怎么进入波长, 透镜数据, 生产光芒风扇, OPD, 斑点图, 定义厚度以及可变物解决, 执行简单的光学设计优化。

设想您必须设计F/4 唯一透镜使用在光学轴, 它焦点长度是100mm, 在可看见的光谱之下, 做与BK7 透镜。

第一呼喊ZEMAX 透镜数据编辑(LDE), 什么是LDE? 它是您想要的操作的站点, 例如您决定了必须使用什么透镜, 几透镜, 透镜半径, 厚度, 大小, 位置...... 等等。

然后选择您想要的光, 选择根据名单系统在主人, iriss 在波长之外, 根据喜欢波长哪些进入您要, 可以同时选择另外波浪长度等等。

现在进入0 。

在第一列486, 作为微米作为单位, 这是氢原子F 线光谱。

在第二, 三列输入0 。

587 和0 。

656, 然后在主要在波长在0 。

486 个位置, 主要波长主要是用途为计算paraxial 光学(即优先处理的光学) 几主要各种各样的元, 象焦点长度, 放大, 学生大小等等。

再来我们必须决定开口有在大的透镜方式。

因为分配想要F/4 透镜, 什么所谓的F 是/#? F/# 是轻有效形成由无限远的发生焦距F 以paraxial 入口学生直径比率。

所以我们现在需要开口是100/4=25 (毫米) 。

于是从系统在菜单选择一般数据, 输入25 在aper 价值, 但开口键入是Eatrance 学生直径。

换句话说, 入口学生大小是开口大小。

回归到LDE, 也许看对3 不同表面, 在有条有理是OBJ, STO 并且IMA 。

OBJ 是发光物, 即photosource, STO 是开口中止意思, STO 不一定是的第一透镜照明来见面, 您当设计小组光学系统, STO 也许选举在任一个透镜, 通常第一个镜子是STO, 如果不是为如此, 愿然后按老鼠在STO 这篱芭, 也许加入您想要的透镜, STO 于是不是秋天在第一透镜。

zemax实例手册
Zemax实例手册是一本详细介绍Zemax光学设计软件使用的指南。

Zemax是一款广泛应用于光学设计和光学系统仿真的软件工具，它提供了丰富的功能和工具，帮助光学工程师进行光学系统的设计、分析和优化。

在Zemax实例手册中，你可以找到各种实际的案例和示例，这
些案例涵盖了不同类型的光学系统设计和应用。

手册中的实例旨在
帮助用户更好地理解和掌握Zemax软件的使用方法，并提供实际问
题的解决方案。

实例手册通常会从基础知识开始，介绍Zemax软件的基本操作
和界面布局。

然后，它会逐步引导用户学习如何创建光学系统模型、定义光学元件的属性、设置光源和检测器等。

手册还会详细介绍如
何进行光学系统的分析和优化，包括像差分析、光斑图、MTF曲线等。

此外，实例手册还可能包含一些特定应用领域的案例，例如光
学显微镜设计、光学通信系统设计、光学传感器设计等。

这些案例
将展示如何使用Zemax软件解决实际的光学设计问题，并给出相应
的步骤和技巧。

总的来说，Zemax实例手册是一本帮助用户学习和应用Zemax 软件的重要参考资料。

通过学习手册中的实例，用户可以更加熟悉软件的功能和操作方法，提高光学系统设计的效率和准确性。