zemax设计 - 双胶合设计之令狐文艳创作

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。

应用光学谭峭峰tanqf@清华大学精密仪器系光电工程研究所Zemax光学设计商用光学软件：Zemax, Oslo, Code V (成像)TracePro, ASAP, LightTools(照明)FRED, Virtual Lab等Zemax是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。

Zemax不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。

可仿真Sequential 和Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。

Zemax的界面设计得比较容易被使用，稍加练习就能很快地进行交互设计。

大部分Zemax的功能都用选择弹出或下拉式菜单来实现。

抛物面镜1抛物面镜2棱镜中阶梯光栅二维色散像面入射孔高分辨率中阶梯交叉色散光路Zemax不能教你如何去进行镜头或光学系统的设计。

Zemax程序在进行光学系统的设计和分析的时候，可以做许多事情，但是设计者仍然是你。

Zemax不能完全代替工程实践。

在一个设计完成之前，必须对软件所得的计算结果进行检查，以判断结果是否合理。

设计实例一：单透镜设计参数要求：F/#＝4，f′=100mm，可见光，材料：BK7确定单位确定口径确定波长确定视场镜头数据编辑初始界面初步设计，注意符号规则全面反映细光束和宽光束的成像质量。

以光线在理想像面的交点和主光线在理想像面上交点间的距离，可以看出理想像面上像的最大弥散范围。

像面到光线与光轴交点之间的距离，仅用于旋转对称系统。

由于像差很大，传函计算结果不可信。

优化设置变量设置评价函数设计实例二：双胶合透镜设计参数要求：F/#＝4，f′=100mm，可见光，材料：BK7和SF1优化策略建议在设计的初期，优化时不需要追迹所有的视场和波长以节省计算时间。

使用视场点平衡（选择合适的视场点数目，划分为等面积的圆环，小视场：0和1；中视场：0、0.7和1；大视场：0，0.577，0.816和1）。

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2202.085.01.085.0W 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。

9K 的折射率5163.11=n ，2ZF 的折射率6725.12=n ，038319.00=P ,284074.40-=Q ,06099.00-=W ，009404.21=ϕ，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：AP 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：)(1200+-+=∞A P W Q Q 因为 0P P ≈∞，所以可近似为284074.40-==Q Q ,06099.00-==∞W W 。

2.要求设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：设计过程： 1.求h ，h z ，J1006.14365.7148.01'''4365.7)tan(''0621.335/5tan 58.12'/'tan 148.0502/tan 8.147.34'/tan '/'tan =⨯⨯===--==⇒==⇒===⨯==⨯=Γ=⇒=Γ==y u n J mmw f y mm h h mmh f h u D u mm D D D D uf h u z z o入入出入计算平行玻璃板的像差和数S 1、S 2、S 3 平行板入射光束的有关参数为：5912.0,0875.0)5tan(,148.0-=-=-==u u u u zz根据已知条件，平行玻璃板本身参数为：64.11.5163,n 31mm,d ===υ则平行平板的初级像差为：3.列出初级像差方程式求解双胶合物镜的C W P ,,∞∞ 根据整个系统物镜的像差要求：mmL SC mm L FC m m 05.0,001.0,1.0'''=∆-==δ系统的像差和数为：0010952.000220.0)(2200438.02S '2'''3''''''''2''''1-=∆-==-=-=-=-=FC m s m L u n S y SC u n k u n S L u n δ 由于S 系统=S 物镜+S 棱镜，双胶合物镜的像差和数为：0.00128480.00238-0.001095S -0.0010750.003275-0.0022S 0.001160.00554-0.00438S =+====+=I ∏I C列出初级像差方程，求P,W,C00238.0n1-n -dS 0.0032765/u)(u S S 00554.0n1-S 223z 124321-====-=⨯-=u du n υ00000812.0001285.000123.0001075.00000922.00016.058.1223=⇒===⇒-=-==⇒===∏I C C h S W JW P h S P P hP S z由P,W,C,求C W P ,,∞∞ 由于''1,85,58.12f f h ===ϕ所以00069.005591.0)(02846.0)('23======Cf C h WW h PP ϕϕ由于望远镜物镜对无限远物平面成像，无须对平面位置再进行优化。

ZEMAX文档背景：大部分光学仪器都不是在理想条件下使用的，大多受到外界条件或安装时的影响，从而改变了玻璃自身的一些性质以及玻璃在仪器中的位置。

如温度及压力的变化会引起玻璃的折射率、曲率半径、厚度的变化；安装玻璃时，使玻璃产生一个位移，这些参数的变化将引起成像质量的波动，因此需要对设计好的结构进行温度和压力分析。

高精密的空间光学仪器必须在严酷的空间环境下具备可靠的光学性能。

这些空间环境体现在火箭发射阶段的冲击、振动、过载环境和在轨运行的空间微重力环境及空间热环境，使光机结构中产生刚体位移和表面畸变, 对光学系统必将造成光学误差, 影响成像质量, 甚至有时还会导致光学系统失效。

透镜受力的各种情况：•透镜装入镜框内通过注胶外加压板受到的压力•受到透镜自身重力的作用•地域的改变造成气压的改变从而对透镜压力的改变•进入不同的环境如在水里进行拍照、录像目标：步骤1：将理想的玻璃（未受外界条件影响）参数输入ZEMAX中得到一个分析文件。

步骤2：利用有限元分析软件将玻璃受到外界条件影响转变成玻璃的具体位移以及外界给玻璃的具体压力（玻璃自身参数的改变）。

步骤3：改变玻璃的几何变化使其产生的变化等效于步骤2中位移和压力产生的变化。

步骤4：生成程序（输入力和位移的变化，程序自动生成新的变化）ZEMAX简介•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 有三种不同的版本：ZEMAX-SE（标准版）；ZEMAX-XE（扩展版）；ZEMAX-EE（工程版）。

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。

用于光学组件设计及照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、绕射等光学模型。

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。

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设计要求设计一个照相物镜，系统焦距f’=9mm，相对孔径1:4设计过程1.系统建模1.1选取初始结构从《光学设计手册》（李士贤，郑乐年编，北京理工大学出版社，1990）中选取了一个1.2系统特性参数输入在General系统通用数据对话框中设置孔径和玻璃库，如图1-1，图1-2。

打开视场设定对话框设置5个视场，如图1-3。

打开波长设定对话框点击“Select>>F,d,C(visible)”自动加入三个波长，如图1-4。

表1-1图 1- 1图 1- 2图1- 3图1- 41.3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 1-71.4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。

3D max 教程令狐文艳第一章用户界面1.1 用户界面当启动3ds max后，显示的主界面见图1.1。

图1.1初看起来，大量的菜单和图标着实令人不知从何处着手。

但随着我们对界面各个部分的深入讨论，将可以通过实际操作逐步熟悉各个命令。

1.1.1 界面的布局用户界面的每个部分都有固定的名称，在所有标准的3ds max 教材和参考资料中，这些名称都是统一的。

视口（Viewports）3ds max用户界面的最大区域被分割成四个相等的矩形区域，称之为视口（Viewports）或者视图（Views）。

视口是主要工作区域，每个视口的左上角都有一个标签，启动3ds max 后默认的四个视口的标签是Top（顶视口）、Front（前视口）、Left（左视口）和Perspective（透视视口）。

每个视口都包含垂直和水平线，这些线组成了3ds max的主栅格。

主栅格包含黑色垂直线和黑色水平线，这两条线在三维空间的中心相交，交点的坐标是X=0、Y=0和Z=0。

其余栅格都为灰色显示。

Top视口、Front视口和Left视口显示的场景没有透视效果，这就意味着在这些视口中同一方向的栅格线总是平行的，不能相交，参见图 1.1。

Perspective视口类似于人的眼睛和摄像机观察时看到的效果，视口中的栅格线是可以相交的。

菜单栏（Menu Bar）用户界面的最上面是菜单栏（参见图1.1）。

菜单栏包含许多常见的菜单（例如File/Open和File/ Save等）和3ds max 独有的一些菜单（例如Rendering / Ram Player和Customize/ Preferences等）。

主工具栏（Main Toolbar）菜单栏下面是主工具栏（参见图 1.1）。

主工具栏中包含一些使用频率较高的工具，例如变换对象的工具、选择对象的工具和渲染工具等。

命令面板（Command Panels）用户界面的右边是命令面板（见图1.2左图），它包含创建对象、处理几何体和创建动画需要的所有命令。