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
zemax光谱仪设计实例
Zemax是一款非常强大的光学设计软件，广泛应用于光学系统的设计和分析。以下是一个使用Zemax设计光谱仪的实例：
1. 首先，打开Zemax软件，创建一个新的光学设计文件。
2. 在Zemax的Optics Tab中，选择Wavefronts > Define Source来定义光源。根据需要选择光源的类型（如点源、线源等），并设置其位置和大小。
3. 在Geometry Tab中，添加反射镜和面镜。反射镜用于收集光线，面镜用于改变光线的路径。使用Zemax的Curvature工具来定义反射镜的形状，使用Plane工具来定义面镜。
4. 在System Tab中，添加光谱仪。光谱仪是一个探测器，用于测量光线的波长。在Zemax中，光谱仪通常用一个探测器模型来表示。
5. 在Optics Tab中，选择Optics > Assemble系统来组装光学系统。这将使得光线从光源发出，经过反射镜和面镜的反射和折射，最后被光谱仪探测到。
6. 在Results Tab中，选择Simulation > Analyze来分析光学系统。这将计算光线的传播路径，包括反射、折射、干涉等，并显示在Optics Data Tab中。
7. 在Optics Data Tab中，可以查看光线的波前图、光线图、能流图等，以评估光学系统的性能。例如，可以查看光线的聚焦情况，以评估反射镜的面形精度。
8. 在Results Tab中，选择Simulation > Propagate来传播光线。这将模拟光线在整个光学系统的传播过程，并显示在Optics Data Tab中。
9. 在Optics Data Tab中，可以查看光线的传播路径，以评估光学系统的性能。例如，可以查看光线的聚焦情况，以评估反射镜的面形精度。
10. 根据分析结果，可以调整反射镜和面镜的位置和形状，以优化光学系统的性能。可以使用Zemax的Optimize工具来自动优化光学系统。
ZEMAX课程设计——照相机物镜设计
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一、 (课题的背景知识，如照相机镜头的发展概况，类型及其主要技术参数的简要说明)
二、课程设计题目
设计一个照相物镜，
1) 光学特性要求：f’=100mm；2=30;；D/f’=1:3.5.
2) 成像质量要求：弥散斑直径小于0.05mm；倍率色差最好不超过0.01mm；畸变小于3%。
三、设计课题过程
1、参考Ernostar和Tessar联合型物镜设计相关数据，对其进行相关改进。
Ernostar和Tessar联合型物镜设计相关数据如下表1（其中焦距f’=75.68mm；相对孔径D／f’=1：2.4；视场角2ω=56）
Radius/r
Thickness/d
折射率/n 玻璃阿贝数/ν
38.339 3.57 1.71289 53.9
50.988 0.32
35.192 5.49 1.71289 53.9
197.94 4.83
-96.144 1.87 1.6362 35.3
26.53 8
-1074.1 1.38 1.53246 45.9
37.053 7.6
-49.135 1.72904 54.8
表1
2、根据焦距曲率镜片厚度之间的比例关系，即f1／f2=r1／r2=d1／d2,得到焦距100mm，相对孔径D／f’=1：3.5的透镜数据如下表2。
Radius/r
Thickness/d
折射率/n 玻璃阿贝数/ν
50.659 4.717 1.71289 53.9
67.373 0.423
46.501 7.254 1.71289 53.9
261.548 6.382
-127.040 2.471 1.6362 35.3
35.055 10.571
-1419.262 1.824 1.53246 45.9
48.960 10.042
-64.925 1.72904 54.8
zemax光学设计案例
Zemax光学设计案例。
在光学设计领域，Zemax是一个非常优秀的光学设计软件，它能够帮助工程师们进行光学系统的设计、优化和分析。下面，我们将介绍一个使用Zemax进行光学设计的案例，以便更好地了解Zemax软件的应用和优势。
在这个案例中，我们需要设计一个具有特定光学性能的摄像头透镜系统。首先，我们需要明确设计要求和约束条件，然后利用Zemax软件进行光学系统的建模和优化。在建模过程中，我们需要考虑透镜的曲率、厚度、材料等参数，同时还需要考虑系统的光路布局、光学元件的位置和角度等因素。
利用Zemax的光学设计工具，我们可以对透镜系统进行快速而准确的建模和分析。通过Zemax的光学优化算法，我们可以对系统的光学性能进行优化，以满足设计要求。同时，Zemax还提供了丰富的光学分析工具，可以对系统的像差、光学传递函数、热像模拟等进行全面的分析和评估。
在这个案例中，我们利用Zemax软件成功设计出了一个具有优秀光学性能的摄像头透镜系统。通过对系统的建模、优化和分析，我们实现了对系统光学性能的精确控制和调节，最终达到了设计要求。这充分展示了Zemax软件在光学设计领域的强大功能和广泛应用价值。
总的来说，Zemax是一款非常优秀的光学设计软件，它能够帮助工程师们实现复杂光学系统的设计、优化和分析。通过这个案例，我们可以更好地了解Zemax软件的应用和优势，相信在未来的光学设计工作中，Zemax将会发挥越来越重要的作用，为光学工程领域的发展做出更大的贡献。
