zemax设计-双胶合设计

XX大学课程设计说明书201X/201X 学年第 1 学期学院：信息与通信工程学院专业：XXXXXXXX学生姓名：XXXXX 学号：XXXXX课程设计题目：双胶合望远镜头设计起迄日期：20XX年12月22日~20XX年01月02日课程设计地点：XX大学5院楼513、606指导教师：XXXX 职称: 教授摘要 (1)关键词 (1)第一章课题要求1.1课题背景 (2)1.2设计目的 (2)1.3设计内容和要求 (2)第二章方案分析2.1课题名称 (3)2.2主要数据 (3)2.3设计思路 (3)2.4实现原理 (3)2.5主要过程 (4)第三章光学系统设计3.1光圈参数设定 (5)3.2视场参数设定 (5)3.3波长设定 (6)3.4玻璃厚度的设定 (6)3.5像空间的设定 (7)第四章光学系统分析4.1 2D光路分布草图 (7)4.2 标准点列图Spot Diagram (8)4.3 光路图OPD FAN (9)4.4 光线相差图RAY FAN (10)4.5波前分布图 (11)第五章光学系统优化5.1光学系统调焦 (12)5.2设置可变参数 (13)5.3优化函数设定 (13)5.4最终优化 (14)第六章系统优化前后比较6.1优化后的2D草图 (15)6.2优化后的标准点列 (15)6.3优化后光路图 (16)第七章心得体会心得体会 (17)ZEMAX是一款多功能的光学设计软件，可建立反射、折射、绕射等光学模型，可以用来模拟、分析和辅助设计光学系统，并对光学系统进行优化。

双胶合透镜不仅有较好的横向分辨率，而且有较高的轴向分辨率，能够作为共焦3-D成像的一种理想光学元件，在光学领域得到了广泛的应用。

本次课程设计，我们将利用ZEMAX软件设计一个双胶合望远镜头，展示利用ZEMAX设计、分析和优化一个简单光学系统的过程，进一步掌握该软件。

关键词:ZEMAX双胶合望远镜头光学系统设计分析第一章课题要求1.1课题背景随着计算机技术的不断进步和发展，在光学系统的设计过程中越来越多得利用到计算机技术，其中ZEMAX就是一款应用十分广泛的的光学设计软件，具有功能完善、操作简单、准确性高、人机交互性好等特点，极大地简化了光学系统的设计过程。

光学设计zemax经典例题
1.单镜片
设计要求：设计一个F/4单镜片，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特(Schott) BK7或国产K9玻璃来作。

像差要求：波像差小于100中心波长。

2.双胶合透镜
设计要求：设计一个F/4双胶合透镜，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特BK7/ F2或国产K9/F4玻璃组合来实现。

像差要求：对C\D\F三种色光波像差均小于5个波长，焦点弥散斑小于10微米。

3.5X激光扩束镜
设计要求：分别设计两个用于He-Ne(632.8nm)和固体激光器（532nm）的激光扩束镜，扩束倍率5X，入瞳直径3mm，出瞳直径15mm，用同一牌号玻璃完成，镜片尽可能的少，系统总长度小于100mm，入射和出射均为准直平行光。

4.50mm标准镜头
可参照Cooke的三片结构，设计一个F/5焦距50mm的标准镜头，应用于可见光波段。

成像要求：在视场30°内的3种色光的波像差均小于2个波长，MFT大于0.3/30lp,畸变小于1%.
5.放大镜头
可参考双高斯结构（也可选用其他结构），设计一个用于光电检测的放大镜头，物像共扼距140mm，像面CCD尺寸（1024x1024，单个像素为12 m×12 m）,被检测物面为平面矩形（3mm×3mm），使用波长532nm。

成像要求：全视场内MFT大于0.5/40lp, 波像差小于2个波长，畸变小于0.5%.。

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 软件的根本应用和操作。

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构造的选定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确定根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 ,由此可得根本像差参量为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展计算,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 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 WQ Q因为 0P P ≈∞，所以可近似为284074.40-==Q Q ,06099.00-==∞W W 。

双胶合设计设计一：透镜参数：1.焦距为 100mm。

2.相对孔径为 1/5 。

3.全视场 2ω为 10 度。

4.物距为无量远。

5.双胶合透镜一个采纳 BK7 玻璃，另一个采纳 F2 玻璃。

1. Prescription Date详细参数：1. Lens Data Editor2.系统二维图3.系统三维图4.点列图从图中我们能够看到，系统的弥散斑其实不太大，弥散斑跟着视场的增添而增添。

当ω =5 度时，系统的弥散斑半径为 60.847 ，保持在可接受的范围内。

将 Show Airy Disk 选中，并选择ω =2.5 度时作为察看对象，能够获得上边的图形。

固然大多数光芒其实不集中在中心地区，可是这类成效关于双胶合设计来说也足够了。

5.MTF曲线TS 5.0000 degree这条曲线在10(lp/mm) 时大概为 0.35 ，知足设计需求。

其余的曲线也较靠近最上边的黑线（衍射极限），且较为光滑。

S曲线（弧矢曲线）与T 曲线（子午曲线）也比较重合。

6. Ray Fan（光芒扇面）7. OPD Fan(光程差扇形图 )8. Field Curv/Dist（场曲）设计二：设计二的 MTF曲线更高，但弥散斑也比设计一高，当ω=5 度时，弥散斑半径为 69.830 。

透镜参数：6.焦距为 100mm。

7.相对孔径为 1/5 。

8.全视场 2ω为 10 度。

9.物距为无量远。

10.双胶合透镜一个采纳BK7 玻璃，另一个采纳F2 玻璃。

2. Prescription Date详细参数：3. Lens Data Editor4.系统二维图5.系统三维图6.点列图在上图中，当ω =5 度时，弥散斑半径为69.830 ，比设计一中的要高。

7. MTF曲线TS 5.0000 degree这条曲线在10(lp/mm)时大概为0.4，比设计一的成效要好。

8. Ray Fan（光芒扇面）9. OPD Fan(光程差扇形图 )10.Field Curv/Dist（场曲）。

基于Zemax的双胶合透镜设计张靓【摘要】本文基于Zemax光学设计软件,设计了一双胶合透镜,对于波长为632.8nm的光,其焦距为100mm,相对孔径为1:5,而波像差PV伏于1/4λ.文中,我们给出了透镜的具体设计参数、波前分布、评价函数、结构图、评价函数以及求差和点列图.【期刊名称】《无线互联科技》【年(卷),期】2011(000)002【总页数】2页(P32-33)【关键词】双胶合透镜;zemax【作者】张靓【作者单位】南京交通职业技术学院【正文语种】中文图1 设计参数透镜，作为光学系统中最普遍、最重要的元件之一，在光学领域得到了广泛应用。

但是，在很多时候，普通透镜已经激光器是比较常用的探测光源，所以本文就针对此波长设计了一个双胶合透镜。

无法满足实际测量、成像和高密度光存储的需要。

为了提高普通透镜的分辨率，有些研究者提出了多种在光学系统的透镜上加光瞳滤波器来实现高分辨的技术，包括：漏光型环形光瞳、相位型光瞳和光栅等。

这些光瞳提高了2-D成像的分辨率，但是由于采用在透镜上加光瞳的方法，使得光斑的强度均有所降低，有的甚至降低90%以上，这就使光学系统的信噪比大大降低。

双胶合透镜由两种不同折射率的正、负透镜胶合而成,他们对轴上和近轴点已校正了球差色差。

通常，它们有可能由冠玻璃或者燧石玻璃组成。

事实上,这种通过胶合而产生的透镜比一个简单的镜头具有短焦长、大放大率和较好成像质量的优点。

甚至，有研究表明，双胶合透镜不仅有较好的横向分辨率,而且有较高的轴向分辨率,能够作为共焦3-D成像的一种理想光学元件。

目前，Zemax是光学设计的软件之一，因此，本文就基于此软件进行了双胶合透镜的设计。

而氦-氖1 透镜设计在本设计中，具体的设计参数如图1所示，而波前分布则如图2所示。

图2 波前分布双胶合透镜的整体布局图如图3所示，为了说清楚，我们在图4中进行了详细说明。

图3 透镜的结构图图4 透镜的详细结构说明图设计参数说明及列表：1）设计参数说明：i）设图4中1、2和3三个边的半径分别为R1、R2和R3；ii）设厚度分别为d1、d2和d3；（即如图的横向距离）iii）设1、2和3边高度分别为D1、D2和D3。

Zemax基本操作和透镜设计一、实验目的学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。

设计一个单透镜和一个双胶合透镜。

二、实验要求1、掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。

2、掌握ZEMAX软件的用户界面。

3、掌握ZEMAX软件的基本使用方法。

4、学会使用ZEMAX的帮助系统。

三、实验内容○单透镜设计用BK7玻璃设计一个焦距为100mm的F/4单透镜，要求在轴上可见光范围内。

1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新建一个新的空白透镜。

2. 在主菜单-系统-光波长弹出的对话框中输入3个覆盖可见光波段的波长，设定主波长。

同样在系统-通用配置里设置入瞳直径值。

3. 在光阑面的Glass列里输入BK7作为指定单透镜的材料，并在像平面前插入一个新的面作为单透镜的出射面。

4. 输入相关各镜面的厚度和曲率半径。

5. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。

6. 利用Solve功能来求解镜片厚度，更新后观察各分析图的相应变化。

7. 利用主菜单-工具-优化-优化来对设计进行优化，更新后观察各分析图的相应变化。

8. 调用并建构优化函数（Merit Function），在优化后更新全部内容，然后观察各分析图的相应变化。

9. 分别调用点列图、OPD图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）来观察最优化后的成像质量。

10. 将此设计起名保存，生成报告。

优化前优化后○双胶合透镜设计以前一个实验内容设计优化后的单透镜为基础，添加一块材料为SF1玻璃的透镜来构建双透镜系统，进一步优化成像质量。

1. 插入新的平面作为第二块透镜的出射面，输入相关镜面的厚度、曲率半径以及玻璃类型值（BK7、SF1）。

2. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。

3. 沿用前例的优化函数，在优化更新后观察各分析图的相应变化，并分别对比单透镜时的点列图、OPD图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）的相应变化，观察双透镜此时的成像质量。

设计双胶合望远物镜设计性实验一、实验目的掌握zemax光学设计软件的使用，能进行光学器件的设计和仿真，理解各种光学设计的基本分析原理，了解像差的基本概念、意义。

二、实验内容1．设计要求：焦距：f’＝250 mm通光孔径：D＝35 mm视场角：2ω＝6°，工作中心波长为在可见光波段，入瞳与物镜重合，物镜后棱镜系统的总厚度为150 mm，要求：δL’m＝0.1 5mm，SC’m、＝－0.003，ΔL’FC＝0.05 mm2．给出设计结果，并对设计结果进行分析和评价。

三．实验1.总体思路和基本方法与其他光学自动设计软件相似，Zemax软件进行光学系统设计时的基本流程如图1-1其中，光学系统模型的建立是光学系统设计的第一步。

其中各个参数的取值可以采用标准的PW算法，同时也可以通过查阅光学设计的镜头手册来选择一组合理的初始化数据。

在Zemax中，光学系统建模分为两个方面：系统特性参数的输入和初始结构的输入。

Zemax软件同时还具有非常强大的像质分析功能。

可以在主窗口中的Analysis下拉菜单中选择相应的像质评价工具。

一些常用的分析功能也能通过工具栏中的图标按钮来快速选择。

使用者可以通过对这些图形和文本窗口提供的菜单命令进行操作，设置需显示或计算的内容。

Zemax中的分析窗口都具有“Update(刷新）”菜单命令，当系统特性参数或结构参数改变时，可以通过刷新命令使Zemax重新计算并重新显示当前窗口中的数据。

Zemax的优化功能可以根据设定的一系列目标值去自动改变光学系统的曲率﹑厚度﹑玻璃﹑二次曲面系数及其他附加参数和多重结构数据等，以满足光学系统的光学特性和像差的要求。

在优化过程中，使用者可以根据需要，对系统设定约束条件和目标。

Zemax通过构造评价函数（Merit function)，并采用一定的算法计算评价函数的取值，由取值的大小判断实际系统是否满足约束条件及目标的要求。

2.初始结构的选择Surf:Type Radius Thickness Glass Semi-Diameter OBJ Standard Infinity Infinity InfinitySTO Standard 153.10000 6.0000000 K9 20.0692362 Standard -112.93000 4.0000000 ZF1 20.0391343 Standard -361.6800 50.000000 20.0633294 Standard Infinity 150.00000 K9 18.6284755 Standard Infinity Infinity M 15.818629IMA Standard Infinity 13.2204113.优化函数的确立及Zemax实现（一）建立光学系统的模型（1）初始结构的输入；其中因为没有告诉后工作距，将厚度设为Marginal Ray Height（边缘光线高度）（2）系统特性参数的输入；（主要是对孔径﹑视场﹑波长进行设定）（二）像质评价(1) 焦距：（2）球差：Analysis—Miscellaneous—Longitudinal aberration—text所以可得δL’m=-0.06974mm；（3）正弦差：根据初级彗差和初级正弦差的关系SC’m= K’s/y’=-6.276404μm/13.154mm=-0.000477K’s:y’(4)轴向色差ΔL’FC一般指0.707h的轴向色差，可以由Chormatic Focal Shift 获得，即ΔL’FC= L’F-L’C设置Setting中的孔径：观察text：所以可得ΔL’FC= L’F-L’C=0.17395333-0.08541441=0.08853892mm（三）优化(1)像差控制：显然我们所得的像差与要求的像差数据有差距，所以必须要进行进一步的像差优化。