ZEMAX-光学设计实例

Zemax光学设计：一个胶囊内窥镜的设计实例引言：内窥镜是一种常用的医疗器械，可经由人体天然孔道或手术切口进入人体，用于检查人体内部难以触及的组织结构。

内窥镜可分为硬管式内窥镜、半可屈式内窥镜、纤维内窥镜、电子内窥镜等。

医用内窥镜不仅可以加装摄像系统，还可以进行手术治疗。

胶囊内窥镜属于电子内窥镜的一种，同一般的电子内窥镜一样，其成像依赖于CMOS或CCD 器件，且其成像效果优于纤维内窥镜，分辨率高。

胶囊内窥镜的工作系统由体内和体外两大部分组成，其中：体内部分是由摄像模块、电源模块、无线传输模块、照明模块构成的内窥镜胶囊；体外部分则由影像接收仪、影像与报告处理工作站、胶囊遥控单元组成。

胶囊内窥镜通过吞服进入体内，由肠道排出，具有一次性的特点。

与传统的多次使用的内窥镜相比，胶囊内窥镜杜绝了交叉感染的风险；同时,由于胶囊内窥镜外形圆润、体积小,可以降低检查时给患者带来的痛苦。

胶囊内窥镜的工作原理如下图所示。

传统的胶囊内窥镜由光学镜头、LED 、CMOS 图像传感器、控制电路、磁控开关、电池和发射装置组成。

物体通过胶囊前端的透明球罩成像CMOS图像传感器上,经CMOS 进行光电信号转换后，电磁信号通过发射装置传输到体外的影像接收仪上。

人类肠道最窄的幽门和小肠直径在15-25mm之间，故对胶囊内窥镜进行设计时应考虑系统的总长和像高。

若胶囊内窥镜过大，则胶囊可能会滞留于体内，需通过手术取出。

肠道结构幽深复杂，在一定的纵向深度内，清晰成像是内窥镜的重要指标。

对于像素阵列系统来说，其焦深为式中：p 为像素边长；u'为像方孔径角；NA为像方数值孔径；F 为近轴工作下的 F数。

F 数越大，焦深越大。

再由照度公式：式中：E为照度；B为发光强度；τ为成像损耗系数；D为口径；f'为焦距。

F数越大，照度越低。

故在选择F数时需要权衡。

技术指标：设计一个胶囊内窥镜，系统总长小于10mm，F数为6，视场角为0-64°。

Zemax光学设计：一个240度鱼眼镜头的设计参考主要设计指标：
（该设计参考《车载全景鱼眼镜头的设计与制造_刘言》。

）设计仿真：
.
1.初始结构
.
结合设计要求，选取专利US8873167B2中的一个设计。

初始结构如下图：
从上面的光学系统参数中可以看出该光学系统由七个玻璃镜片组成。

在初始结构的基础上，需要做如下优化：
（1）该专利的视场角为182°，需要进一步加大视场角达到240°；
（2）f-number修改为2.2；
（3）进一步提高像质；
.
2.设计与优化
.
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“Image Space F/#”，并根据设计要求输入“2.2”；
需要打开光线对准，如下图：
在视场设定对话框中设置5个视场，要选择“Angle”，如下图：
在波长设定对话框中，设定F,d,C，如下图：
查看LDE：
2D Layout：
点列图：
查看Ray Fan：
查看场曲/畸变：
相对照度：。

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：一个带校正器的卡塞格林望远镜的设计实例引言：折反射系统相比于折射系统的主要优点有：1.由于光路折叠而更紧凑；2.可以做到很大口径；3.可以很好校正色差，因为大多数的光焦度在反射镜而不是在透镜上。

4.可以做到从紫外到红外非常宽的波段。

5.反射镜与透镜的佩兹瓦尔曲面的曲率相反，可以实现较平的视场。

在两反射镜系统中，次镜构成的孔径的中心拦光（Central Obscuration），这不仅会造成能量的损失，也会使MTF的低频至中频部分随着中心拦光面积的增大而显著减小。

同时，因为两反射镜系统像的位置很接近于主镜位置，所以几乎所有的主镜都需要挖一个洞。

这个洞的大小限制了最大的像面尺寸，而且洞的大小必须远小于主镜的口径。

例如，通常中心拦光或洞的大小是主镜直径的30%，即线性拦光比为0.3，有效口径减小了0.09（0.32），此时MTF的中低频端变化不明显。

一般拦光比不要大于0.3。

典型的牛顿望远物镜仅用一个抛物凹面作为主反射镜，它可以形成一个直接用眼睛看的像。

在此基础上，添加一个凸双曲面的次反射镜，就成了卡塞格林望远镜（Cassegrain Telescope）。

由于主镜和次镜都是圆锥曲面，每个面上都没有球差，但是每个面都有彗差和像散，而这限制了可用的视场角。

另外，由于两个反射镜的半径不一样，还存在场曲。

设计仿真：.1.建立一个简单的卡塞格林望远镜系统.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”，并根据设计要求输入“3800”；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，设定0.365um、0.5876um和0.850um共3个波长，如下图：查看LDE：2D Layout：查看点列图：查看Ray Fan：从点列图和Ray Fan可以看出，这个系统有明显的彗差和像散。

.2.在卡塞格林望远镜中加入像面校正器.临近焦面的双片式透镜可以校正彗差和像散。

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点击单位标签(Units Tab)，并确认透镜单位为Millimeters。

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xx视窗为透镜资料xx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。

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)。

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点击单位标签(Units Tab)，并确认透镜单位为Millimeters。

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点击单位标签(Units Tab)，并确认透镜单位为Millimeters。

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。

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。

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。

019：Zemax公差分析初步Zemax公差分析将有系统地分析些微扰动或色差对光学设计性能的影响。

公差分析的目的在于定义误差的类型及大小，并将之引入光学系统中，分析系统性能是否符合需求。

Zemax内建功能强大的公差分析工具，可帮助在光学设计中建立公差值。

公差分析可透过简易的设罝分析公差范围内，参数影响系统性能的严重性。

进而在合理的费用下进行最容易的组装，并获得最佳的性能。

Zemax公差分析是一个暗箱操作的过程，一般情况下我们不用去管他是怎么运作的，不过作为学习的严谨性，这里还是从一些简单的例子来研究他到底是怎么操作的。

Zemax公差分析也是一个很复杂的过程，一个系统中可能有非常多的数据需要分析，也可能只有几个重要的地方需要进行公差分析。

而且，一般来说，简单的情况下公差分析其实也可以自己手动分析，通过手动修改参数来分析结果。

但是，通过Zemax的公差分析功能，可以更快的分析更多的公差参数。

我们先从一个简单的例子入手，一个单透镜。

新建一个文件，打开LDE透镜数据编辑器，如图19-1所示，输入透镜参数。

系统参数设置中，入瞳直径设为6，系统波长选择0.6328（为了方便和后面的公差分析所用波长一致）。

其他参数默认。

图19-1 LDE透镜数据编辑器列表注意，我们将透镜的两个面的曲率半径设为变量Variable，像面位置也设为变量，然后用Zemax优化功能来自动搜寻最佳参数。

在评价函数编辑器中，用EFFL参数来控制有效焦距，假设为100，其他评价函数使用默认评价函数设置（Default Merit Function），不过要将优化目标选择为光斑半径Spot Radius，如图19-2所示。

然后运行优化工具，找到最佳面型参数。

得到优化后的LDE透镜数据编辑器如图19-3所示。

另外，可以打开3D Layout查看3D光路结构图，如图19-4所示；打开点列图分析窗口，查看焦平面上的点分布，如图19-5所示。

图19-2 默认评价函数编辑器设置图19-3 优化后的LDE透镜数据编辑器列表注意一下，在图19-5所示的点列图中，显示的RMS均方根光斑半径为0.585um。

ZEMAX光学设计：一个分束器（Beam Splitter）的设计引言：分束器（Beam Splitter）可以在 ZEMAX 的序列模式或非序列模式下进行建模。

在序列模式下，可以利用ZEMAX的多重组态对折射和反射的光线追迹进行建模。

设计一个分束器。

（该设计来自ZEMAX自带实例）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“15.0”；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0.550um一个波长，如下图：在LDE中输入初始结构参数，如下图：先查看此时的3D Layout：在第3面前后插入两个坐标断点，将其倾斜45°，此时的LDE如下图：再查看下3D Layout：默认情况下，所有表面都为圆形孔径。

要使分束器形状成立方体，需要在表面 2和表面6设置10×10的矩形孔径，在表面4设置一个 10×14.14的矩形孔径，如下图：查看此时的3D Layout：在3D Layout的设置对话框中勾选“Delete Vignetted（删除渐晕）”。

再次查看3D Layout：在表面4上放置理想的 50/50 涂层“I.50”，在表面2和表面6上放置“AR”涂层。

I.50是理想的50%透射镀膜，AR是四分之一波厚的MgF2减反射镀膜。

薄膜涂层的效果只有在计算或分析中考虑偏振效应时才能体现，即使涂层是理想的。

在像面上的透过率可以通过偏振分析/计算进行评估。

ZEMAX将使用偏振光线追迹来计算像平面上的透过率。

偏振光线追迹设置，如下图：偏振光线追迹的报告，如下图：从报告中，可以得到在像面上的总透过率约为0.4867。

偏振光线追迹考虑了所有损失机制：AR涂层的N-BK7表面，50/50分光和N-BK7体收，无论光线被追迹的波长如何，以及它与表面形成的任何角度。