基于ZEMAX的红外光学系统设计与优化

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。

《工业控制计算机》2019年第32卷第1期∗2018年大学生创新创业训练计划项目(省级指导201810324009X )汽车中的照明系统虽然能够提供一定的照明,但在雨天、雪天或大雾等能见度低的环境下夜间视距不远。

虽然可以利用远光灯来改善,但会影响逆向车道上行驶车辆中驾驶员的视线,使司机眩目,眼睛疲劳,所以很少使用[1-2]。

车载红外夜视成像技术能够观察到比普通汽车前大灯远3倍至5倍的距离,将在很大程度上提高在特殊天气行驶时汽车驾驶员、乘客及第三方的安全性[3-5]。

车载红外夜视镜头作为安全防护设备,具有体积小、重量轻、安装简便等特点,可以安装在多种车型上。

2009年北京91917部队设计了一种基于半导体激光器的主动车载红外夜视系统[6];2014年燕山大学采用近红外光源与红外摄像机实现了主动红外夜视系统的设计[7];2017年芜湖职业技术学院设计了一种主动式车载红外夜视系统[8]。

对于主动红外夜视系统的研究较多,但是由于使用光源,其结构一般较复杂,有效探测距离有限。

长春理工大学提出了采用衍射光学元件实现折衍射混合被动车载红外夜视系统的无热化设计,但是并没有考虑衍射面上光线的入射角度对衍射效率的影响[9-10]。

单层衍射光学元件的衍射效率随入射角度的增加,衍射效率逐渐降低。

本文提出了斜入射时单层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率。

基于衍射光学元件的消色差和消热差特性,设计了一个含有单层衍射光学元件的车载红外夜视系统。

1车载红外夜视系统的设计原理工作在长波红外8~12μm 的车载红外夜视系统,为了在一定温度范围内实现光学系统的无热化设计,设计时要求光学系统满足光焦度分配公式、消色差和消热差公式[9,11-14],三个方程如下所示:ni →1∑h iϕi=ϕ(1)△f T b =(1h 1ϕ)2∑(h 2i ωi ϕi )=0(2)df T b /dt=(1h 1ϕ)2∑(h 2i χi ϕi )=αh L(3)式中,h i 为第一近轴光线在第i 个透镜上的入射高度;ϕi 为第i 个透镜的光焦度;ϕ为光学系统总的光焦度;f b 为光学系统的后焦距;ωi 为第i 个透镜的色散因子,即由色散引起的光焦度的相对变化,其值等于光学材料阿贝数的倒数;x i 为第i 个透镜的光热膨胀系数;αh 为外部机械结构的线膨胀系数;L 为机械结构的长度。

使用ZEMAX设计、优化、公差和分析使用ZEMAX?于设计、优化、公差和分析摘要光学设计软件ZEMAX?的功能讨论可藉由使用ZEMAX 去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。

简介 ZEMAX 以非序列性 (non-sequential) 分析工具来结合序列性 (sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光 (stray light) 和鬼影 (ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout)一直到优化和公差分析皆可达成。

根据过去的经验，对于光学系统的端对端 (end to end)分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。

一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的 (unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统分析，包括照明系统。

序列性描光程序这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。

所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。

在定义的顺序上，所有的光线一定会交到所有的表面，否则光路将终止。

光线不会跳过任何中间的表面；光线只能打在每一个已定义的表面一次。

若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光 (double pass) 中的组件，然后在序列性列表中，必须再定义超过一次的表面参数。

大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。

对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。

几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。

在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。

序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径 (即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。

红外光学系统成像分析与优化在现代军事、工业、医学等领域中，红外成像技术已经得到了广泛的应用。

红外成像技术可以通过检测目标物体在红外辐射区域中的辐射能量变化，来获取目标物体的信息，具有不受光照限制、探测距离远、具有隐蔽性等优点。

红外光学系统是红外成像技术的载体，因此如何优化红外光学系统的成像质量，是红外成像技术研究中非常重要的问题。

一、红外光学系统成像原理红外光学系统是由红外透镜、红外探测器、红外滤光片等部分组成。

当被测物体所辐射的红外线射向红外透镜时，会通过透镜聚焦成像在红外探测器上，红外探测器会对红外物体辐射进行探测并将其转化成电信号，通过信号处理后将其转化成图像信号，从而实现对红外物体的成像。

在红外成像中，透镜的选择和设计成为影响成像质量的关键。

透镜的质量和焦距可以影响红外成像的分辨率和透镜的成像能力，因此要根据具体情况选择合适的透镜材料和设计。

同时，光机系统中还需要加入红外滤光镜，其作用是阻挡不同波长的红外光线，避免零件发热和热噪声干扰，同时也可以加强对红外辐射的探测和成像。

二、红外光学系统成像质量分析在红外成像技术中，分辨率是反映成像质量的一个非常重要的指标。

分辨率是指被测物体在红外成像中的最小可辨别细节，英语中称之为Modulation Transfer Function(简称MTF)，是评估系统性能的重要指标。

且MTF曲线是描述成像质量一个具有详细的曲线，可以从理论和实验两方面描述成像质量表现情况。

同时，噪声也是影响红外光学系统成像质量的因素之一。

在红外成像中，一些光学仪器和检测器将会发射高斯噪音，这些噪音会影响系统成像的信号质量，导致成像质量不可靠，因此在实际应用中还需要采用抑制系统噪声，以提高系统成像的性能。

三、红外光学系统成像优化策略在红外光学系统中，优化透镜传递函数、优化光学系统结构等是提高成像质量的重要策略之一。

优化透镜传递函数时，需采用透镜各个面的形状、曲率、孔径、玻璃材料等参数来构建一种最优化的传递函数，以达到最佳成像效果。

ZEMAX的基本像差控制与优化ZEMAX已经成为光学设计人员最常用的工具软件了。

光学设计中，描述和控制一个光学系统的初级像差结构，通常使用轴上球差、轴向色差、彗差、场曲、畸变、垂轴色差、像散等像差参数。

当我们企图更为详细的描述和控制轴外指定视场、指定光束的像差结构时，常常会使用轴外宽光束球差、彗差和细光束场曲等三个像差参数。

然而，ZEMAX并不能像SOD88那样直接引用相对应的像差操作数来指定像差目标大小，更没有描述高级像差数的像差操作数，这些通常都需要设计者自行分析和定义。

描述和控制系统光束结构的方法因习惯而有一定的差异，由于某些像差变量之间有某种相关性，而设置的优化权重又可以不同，因此常常都能够达到相同的效果，只是所计算的数学步骤不同而已。

到底选择多少个参数来描述一个系统，虽无统一规定，但是还是要因系统像差特性不同而区别选择。

经验表明，最少最准确的参数描述量，能够尽可能的提高优化的效率，并且减少掉入效果较差的局部优化的次数。

经验丰富的工程师，轻车熟路，在这个环节上少走了很多的弯路，从而其设计效率和设计出来的产品品质要比通常的设计人员有些得多，成功率高的多。

笔者撰写本文的目的就是企图浅显的探讨光学设计中，ZEMAX中光学结构的描述方法以及权重选择的问题。

这些都是笔者在设计当中积累的经验，可能这个文章的论断会由于经验的多寡有一定的局限性，所以希望读者当作参考，不要照搬。

一基本像差描述和控制1、轴上球差L ONA 和SPHALONA表示的是轴上物点指定波长，指定光束尺寸(光线对)的轴上成像交点到近轴焦平面之间轴向距离。

这个定义和我们定义的轴向球差相同。

光瞳尺寸(光束尺寸)在0~1之间，那么将追迹实际的光束汇交点计算轴向球差。

SPHA常用于指定面产生的像差数值。

若不指定特殊面(取值为0)，则计算所有面产生球差总和。

注意这个总合不是像差计算公式中的经过各面逐个放大之后的加权和，而是代数和(有待读者进一步验证)。

ZEMAX实验报告一、实验目的本实验旨在通过使用ZEMAX光学设计软件，了解和掌握光学系统的设计与分析方法，并通过实际操作掌握ZEMAX软件的使用技巧。

二、实验原理三、实验内容1.安装和熟悉ZEMAX软件。

首先进行软件的安装和启动，并浏览和熟悉软件的界面和功能按钮。

2.构建简单光学系统。

根据实验要求，通过添加光学元件和定义其参数，构建一个简单的光学系统。

3.分析光学系统的性能。

使用ZEMAX软件对光学系统的像差、光斑大小等性能进行分析。

4.优化光学系统的设计。

根据分析结果，对光学系统进行调整和优化，以使其性能达到要求。

四、实验步骤1.打开ZEMAX软件，并新建一个光学系统文件。

2. 添加光学元件。

点击“Add Surface”按钮，在光学系统中添加透镜、曲面、衍射光栅等光学元件。

3.定义光学元件的参数。

根据实际需求，输入光学元件的曲率、厚度、折射率等参数。

4. 设置光学系统的光源。

点击“Source”按钮，并设置光源位置和光束发散角度等参数。

5. 进行光线追迹。

点击“Ray Trace”按钮，在光学系统中发射光线并追踪光线的传播路径。

6.分析光学系统性能。

根据光线追踪结果，使用ZEMAX软件对光学系统的像差、光斑大小等性能进行分析。

7.优化光学系统设计。

根据分析结果，适当调整光学系统中的光学元件参数，使光学系统性能达到要求。

8.导出分析结果。

最后可以将优化后的光学系统性能结果导出为报告或图表。

五、实验结果和分析通过使用ZEMAX软件进行光学系统设计和分析的实验，我们可以得到光学系统的像差、光斑大小等性能指标。

通过分析结果，可以发现光学系统的设计是否满足了要求，并根据需求对光学系统进行调整和优化。

在优化光学系统设计的过程中，我们可以通过改变曲率、厚度和折射率等参数来调整光学元件的性能。

通过不断迭代优化，可以使光学系统的准确度和性能得到改善。

六、实验总结通过本次实验，我们了解和掌握了ZEMAX光学设计软件的使用方法，并通过实际操作进行了光学系统的设计和分析。

（整理）用Zemax进行优化设计.目录摘要 (1)ABSTRACT (2)引言 (3)1 光学传递函数和点列图 (4)1.1光学传递函数 (4)1.1.1利用MTF曲线来评价成像质量 (5)1.1.2利用MTF曲线的积分值来评价成像质量 (5)1.2点列图 (5)2 像差综述 (6)2.1轴上点球差 (7)2.1.1球差的定义和表示方法 (7)2.1.2球差的校正 (8)2.2像散与像面弯曲（场曲） (8)2.2.1像散 (8)2.2.2场曲 (9)2.3正弦差和彗差 (10)2.3.1正弦差和彗差的定义 (10)2.3.2彗差的校正 (12)2.4畸变 (12)2.5色差 (13)2.5.1位置色差 (14)2.5.2倍率色差 (15)2.6波相差 (15)3 表面类型 (17)3.1简介 (17)3.2内含表面 (17)3.3非球面镜片 (20)3.3.1简介 (20)3.3.2非球面镜片光学原理 (20)4 用ZEMAX进行优化设计 (21)4.1由抛物反射镜产生的初级球面像差: (21)4.2求由抛物面反射镜和两单透镜组成的初始光学系统 (22)4.3计算抛物面反射镜和两单透镜组成的初始光学系统 (23)5 结论 (28)致谢 (29)参考文献................................................................................................................ 错误！未定义书签。

摘要本文研究了用Zemax设计非球面补偿系统的优化。

非球面抛物面反射镜在许多光学系统中被采用, 但加工检验较难。

在Zemax中优化控制设计零位补偿系统。

设计既方便, 加工又容易, 是一种较好的方法。

文中介绍了七种像差的定义和表示方法以及对于像差的校正方法；波像差的定义、形成原因及其与像差的关系；由于涉及到面型，本文还介绍了Zemax中包含的面型以及重要面型的简介。

ZEMAX光学设计报告一、引言ZEMAX是一种广泛应用于光学设计和仿真的软件工具，它提供了一系列功能强大的工具和算法，可以帮助光学工程师进行光学系统的设计、优化和分析。

本报告将介绍使用ZEMAX进行的光学设计，并详细阐述设计的目的、方法和结果。

二、设计目的本次光学设计的目的是设计一种能够产生高质量成像的透镜系统。

通过使用ZEMAX软件进行光学设计和优化，我们希望能够在保持高分辨率和低畸变的同时，尽可能减小像差和光能损失，实现最佳成像效果。

三、设计方法1.初始设计：根据设计要求和限制条件，我们首先进行了初步的系统设计。

选取了适当的光学元件，如凸透镜、凹透镜、平面镜等，通过摆放和调整位置来搭建初始的光学系统。

2. Ray Tracing：使用ZEMAX的Ray Tracing功能，我们可以模拟光线在光学系统中的传播和反射。

通过调整折射率、半径和曲率等参数，我们可以对光线进行控制和优化，实现所需的成像效果。

3. Aberration Analysis：使用ZEMAX的Aberration Analysis功能，我们可以对系统的像差进行分析。

通过查看球差、色差、像散、畸变等参数，我们可以对光学系统进行调整和优化，以提高成像的质量和准确性。

4. Optimization：在初步设计和光线追迹分析的基础上，我们使用ZEMAX的优化功能来调整光学系统的各个参数，以达到最佳的成像效果。

通过设置目标函数和约束条件，优化算法可以在设计空间中最优解，帮助我们找到最佳的设计方案。

5. Iterative Refinements：根据优化结果，我们进行了反复的调整和优化，以进一步改善光学系统的成像效果。

通过多次迭代，我们逐渐接近最优解，达到了设计要求。

四、设计结果通过使用ZEMAX进行光学设计和优化，我们成功地设计出了一种可以产生高质量成像的透镜系统。

经过多次优化和迭代，我们达到了如下设计目标：1.高分辨率：经过系统优化，我们成功降低了球差和色差等像差，提高了光学系统的分辨率。

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。

ZEMAX光学设计报告一、引言光学设计是光学工程师进行光学系统设计的重要工作。

在光学设计中使用的软件工具众多，其中一种常用的软件是ZEMAX。

本报告将介绍使用ZEMAX进行光学设计的方法，并通过一个实例来展示其应用。

二、ZEMAX光学设计1.建模在使用ZEMAX进行光学设计之前，首先需要进行系统的物理建模。

在ZEMAX中，通过定义光学元件（如透镜、镜面等）的物理属性和位置来建立光学系统模型。

可以通过输入几何参数、折射率、表面形态等信息来定义各个光学元件，并通过图形界面进行可视化设置。

2.优化光学系统的优化是光学设计的核心任务之一、在ZEMAX中，可以通过调整光学元件的位置、物理参数等来优化系统的性能。

可以设置优化目标，比如最小化像差、最大化能量聚焦等，然后通过ZEMAX的优化算法进行自动求解，得到最优解。

3.分析ZEMAX还提供了各种分析工具，可以对光学系统进行性能评估。

例如，可以通过光线追迹分析来研究几何光学传输过程，可以通过波前分析来评估系统的像差，可以通过MTF（调制传递函数）分析来评估系统的分辨力等。

这些分析工具有助于工程师对设计系统的性能进行评估和改进。

三、实例展示为了更好地展示ZEMAX的应用，我们以光学显微镜的设计为例进行介绍。

1.建模首先，在ZEMAX中建立光学系统模型。

我们可以通过输入光学元件的参数，比如透镜的曲率半径、厚度等来定义系统的物理属性。

然后，使用图形界面将这些光学元件拖拽到适当的位置，形成光学系统的结构。

2.优化接下来，我们可以通过优化光学系统的性能来改进设计。

比如，可以通过调整透镜的位置、厚度等参数来最小化系统的像差、最大化系统的分辨率等。

在ZEMAX中，可以设置优化目标并选择适当的优化算法，然后让软件自动进行求解。

在求解过程中，可以通过ZEMAX提供的分析工具对系统进行实时评估。

3.分析最后，我们可以使用ZEMAX提供的分析工具对设计好的系统进行性能评估。

比如，可以通过光线追迹分析来确定光学系统的传输特性，可以通过MTF分析来评估系统的分辨能力等。

Zemax-光学系统设计经验（1）---优化函数的使用使用Zemax设计光学系统，基本上就是根据设计要求，给出初始设计，然后优化系统。

初始设计需要对光学有系统的学习，需要长期的经验，不同的领域有不同的要求，初始设计会大不相同，zemax不会给你太多的帮助。

Zemax的精髓是能计算出光路图，然后使用operand(优化函数)优化各项光学参数。

1. default merit function，当属最有用的优化函数，配合EFFL （有效焦距）使用，基本可以设计大部分光学系统。

可以使用RMS spot radius and rms wavefront error。

另外设置好变量。

Zemax会自动生成优化系数(weight). 函数行的量取决于波长数，场(field)数，也决定了计算的快慢。

2. 自己设计优化函数。

第一步，需要知道你的优化目标：焦距，abberation，耦合效率。

设置好constraints.设计的constraints:Lens size, cost; edge and center thickeness; minimum number of lens; simple design; cheap举例来讲，耦合效率。

有两个最有用的函数：FICL, POPD. 前者快，后者慢，但后者对大多数系统要准确一些。

读一下manual，你会知道你要设置什么参数。

优化目标是1，weight 是1. 要知道在哪个surface上，还有在什么wavelength, field, 最重要的是什么优化数据，可以是耦合效率，也可以是beam size。

如果都要考虑，可以设置新的POPD函数，设置好优化系数(weight). 有例子，改一下merit function就可以了。

有些有用的优化函数：加减乘除：SUMM, DIFF, PROD,DIVI镜头数据：MXCG, MNCG, CTGT, MNCT,变量的设置也很有讲究，越多越靠近理想目标，但是降低速度和提高坏设计的几率.几点经验：1. 尽可能 use solve， instead of 变量2. 尽可能 use default merit function3. 理解constraints4. 理解和使用symmetry5. 去掉无用的变量.6. 知道怎么去改变设计。

红外成像系统中的透镜设计与Zemax模拟方法的应用简介红外成像系统在许多领域中都有广泛的应用，如安防监控、无人机导航和医学诊断等。

在红外成像系统中，透镜是其中关键的组成部分之一。

透镜的设计和模拟是确保系统性能优化的重要步骤。

本文将探讨红外成像系统中透镜的设计原理以及使用Zemax软件进行模拟的方法。

红外透镜的设计原理红外透镜的设计与可见光透镜类似，但受到其工作波长范围和材料特性的限制。

在设计过程中，需要考虑以下因素：1. 波长范围：红外透镜通常需要在波长范围内具有良好的透过率和成像能力。

不同的应用领域可能有不同的波长要求。

2. 焦距和视场角：透镜的焦距和视场角直接影响成像系统的成像质量和视野范围。

设计师需要根据具体应用的需求进行权衡和优化。

3. 材料选择：红外透镜通常采用透明度较高的特殊材料，如硒化锌、镉镓砷等。

材料的选择需考虑其在红外波段的透过率和成本等因素。

4. 光学畸变：透镜的设计还要考虑到光学畸变的修正，以保证成像系统的精度。

Zemax软件的应用Zemax是一种常用的光学设计和仿真软件，被广泛应用于透镜设计和成像系统模拟。

通过Zemax软件，可以进行以下模拟和分析：1. 光学系统布局：通过Zemax的图形界面，可以方便地创建和调整光学系统的布局，包括透镜的位置、距离和角度等参数。

2. 透镜表面设计：Zemax提供了丰富的透镜表面设计功能，如球面、非球面和自由曲面等。

可以根据设计要求，进行透镜表面的优化和调整。

3. 成像仿真：通过设置合适的光源和探测器，可以在Zemax中进行红外成像系统的仿真。

可以评估成像质量，比如分辨力、畸变和成像亮度等参数。

4. 光学系统分析：Zemax还提供了对光学系统进行优化和分析的功能。

通过调整透镜参数，可以优化成像系统的性能并满足设计要求。

结论红外成像系统中透镜的设计和模拟是确保系统性能优化的关键步骤。

透过Zemax软件的应用，设计师可以方便地进行透镜设计、光学系统布局和成像仿真等工作。

zemax案例
以下是一些关于Zemax仿真软件的案例：
1. 光学系统设计
Zemax可以用于光学系统设计和优化。

例如，可以使用Zemax来设计望远镜、显微镜、放大镜和其他光学仪器。

2. 焦散问题分析
Zemax可以用于分析和优化光学系统的焦散问题。

通过模拟光线的轨迹和相位变化，可以确定焦点的位置和形状，并确定任何可能的相位偏差。

3. 光学组件模型建立
Zemax可以用于建立光学组件的三维模型，包括透镜、棱镜和反射器等，以更准确地模拟光学系统的性能。

4. 光学系统图像模拟
Zemax可以用于模拟光学系统中的图像。

可以通过更改光线的特定属性，如入射角度和波长，以模拟不同的光学系统图像。

5. 激光光束分析
Zemax可以用于分析激光光束的特性，包括光斑大小、波前畸变、相位传输和偏振特性等。

6. 照明系统设计
Zemax可以用于设计照明系统，以确定最佳的光源和透镜组合来实现所需的照明效果。

课 程 设 计光学显微镜设计设计题目学 号专业班级指导教师学生姓名 测量显微镜根据学号得到自己设计内容的数据要求：1.目镜放大率10(即焦距25）2.目镜最后一面到物面距离1103.对准精度1.2微米按照实验步骤，先计算好外形尺寸。

然后根据数据要求选取目镜与物镜。

我先做物镜。

因为这个镜片比较少。

按物镜放大率选好物镜后，将参数输入。

简单优化，得到比较接近自己要求的物镜。

然后做目镜，同样的做法，这个按照焦距选目镜，将参数输入。

将曲率半径设为可变量，调入默认的优化函数进行优化。

发现“优化不了”，所有参数均没有变化。

而且发现把光源放在“焦点”位置，目镜出射的不是平行光。

我百思不得其解。

开始认为镜头库的参数可能有问题。

最后我问老师，老师解释，那个所谓的“焦点”其实不是焦点，我错误的把“焦点”到目镜第一个面的距离当成了焦距。

这个目镜是有一定厚度的，不能简单等效成薄透镜。

焦点到节点的距离才是焦距。

经过老师指点后，我尝试调节光源到目镜第一面的距离，想得到出射平行光，从而找到焦点。

但这个寻找是很费力气的，事倍功半。

老师建议我把目镜的参数倒着顺序输入参数。

然后用平行光入射，然后可以轻松找到焦点。

但是，按照这个方法，倒着输入参数，把光源放在无限远的地方（平行光入射），发现光线是发散的。

不解。

还是按照原来的方法。

把光源放在目镜焦点上，尽量使之出射平行光。

然后把它与优化好的物镜拼接起来。

后来，加入理想透镜（会聚平行光线），加以优化。

还有一个问题，就是选物镜的时候，发现放大倍率符合了自己的需求，但工作距离与共轭距，不符合自己的要求。

这个问题在课堂上问过老师，后来经老师指点，通过总体缩放解决。

物镜参数及优化函数物镜（未缩放）物镜ray 物镜点列图物镜参数物镜各窗口目镜镜片参数目镜2D光路（未缩放）物镜各参数物镜加理想透镜优化物镜加理想透镜优化（ray）物镜加理想透镜优化（spt）显微镜显微镜光路及总体长度显微镜各参数显微镜加理想透镜，光线会聚（layout）显微镜加理想透镜（ray）显微镜加理想透镜（spt）显微镜加理想透镜（参数情况）总的来说这次实验，还是还是比较成功的。

ZEMAX光学辅助设计简明教程
1.软件界面介绍
结果窗口用于显示设计结果和输出数据。

在设计光学系统后，通过结果窗口可以查看系统的光学性能和仿真结果。

2.光学系统构建
在构建光学系统时，可以选择曲面的类型和属性，并进行位置和尺寸的调整。

对于光源，可以选择不同的光束类型和参数。

检测器可以用于测量光学性能和进行仿真分析。

3.光学系统优化
在完成光学系统构建后，可以使用ZEMAX的优化功能对光学系统进行调整和改进。

优化可以根据设定的指标，自动调整曲面位置和属性。

在菜单栏中选择"Optimize"，可以选择优化方法和目标。

常用的优化方法有全局和局部优化，常用的目标有最小均方根波前差和最小图像模糊等。

通过优化，可以不断改进光学系统的性能，使其达到设计要求。

调整参数后，可以通过结果窗口查看优化结果和分析光学性能。

4.其他功能介绍
通过菜单栏中的"Analysis"选项，可以选择不同的分析功能。

例如，通过选择"MTF Plot"可以绘制光学系统的MTF曲线，该曲线可以描述光学系统对不同空间频率的图像细节的传输效率。

此外，ZEMAX还提供了文档和视频教程，帮助用户更好地了解软件的使用方法和功能。

总结：。

利用ZEMAX进行长波红外消热差系统设计通常，红外光学系统所处的使用环境都在常温常压下，未考虑温度变化等因素对光学系统成像质量的影响。

然而对于特殊用途的红外光学系统而言，所处的环境温度会有很大的变化。

当温度改变时，由于光学材料与结构材料的热不稳定性，当环境温度变化时，光学元件的曲率、厚度和间隔将发生变化，同时元件材料的折射率也发生改变，从而引起系统焦距变化，像面发生位移，导致系统性能急剧下降，图像质量恶化。

因此，需要对该类系统进行消热差设计。

本文利用ZEMAX光学设计软件，设计了一个4片式长波红外折射消热差系统，全部使用球面。

该系统在-40℃~60℃范围内，弥散斑均方根半径均小于像元大小，成像质量接近衍射极限，达到系统要求。

1 光学系统设计和结果光学系统的消热差设计一般有以下几种方法：(1)被动式机械补偿；(2)被动式光学补偿；(3)主动式机械补偿。

通过对3种方法的比较可知：光学被动式补偿方法使得光学系统结构更为简单，重量更轻。

随着衍射光学元件(DOE)的出现，采用其与传统的折射系统混合进行消热差设计，衍射元件的光热膨胀系数始终为正，折射元件的光热膨胀系数有正有负，但是衍射元件的光热膨胀系数的绝对值比折射元件小很多，因此，可以通过正、负光焦度的热差效应来实现消热差设计。

ZEMAX作为业界领先的光学设计软件，内置了功能强大的光学系统初始结构寻找功能，本文中的设计依靠ZEMAX所提供的各项功能完成了系统的设计要求。

光学系统的设计参数如下：工作波段为8~4µm，有效焦距60mm，F为1.4，系统总长91mm，后工作距9.56mm，工作温度范围-40℃~60℃。

采用4片球面透镜，材料分别为Ge、KBR、KRS5、AGCl，镜筒采用铝铸铝，热膨胀系数为αH=23.6×10-6℃-1。

该系统适用于像元尺寸为25µm，像元数为384×288的现代非制冷型焦平面阵列探测器。

zemax激光光学设计实例与应用
ZEMAX是一种用于光学系统设计和分析的软件工具，它可以应用于激光光学设计与优化。

以下是一些激光光学设计实例及应用。

1. 二极流CO2激光器的光路设计
二极流CO2激光器是一种常见的光学器件，其光路设计需要考虑到多种物理效应。

使用ZEMAX进行二极流CO2激光器光路设计，可以优化光路的效率和性能。

例如，通过添加适当的激光束扩展器可以提高光束质量和稳定性；优化反射镜的性能可以提高激光器的输出功率和效率。

2. 红外光学系统的设计
使用ZEMAX进行光学系统设计可有效提高系统的性能和光学吸收率。

例如，在红外激光器中，设计合适的焦距和两个镜头之间的距离，并对光学系统进行优化，可以显著提高系统的分辨率和成像质量。

3. 光束仿真
另一种常见的激光光学设计应用是光束仿真。

ZEMAX可以用于模拟光束在特定光学系统中的传播和焦聚。

这可以帮助设计师更好地理解光线如何在光学系统中传播。

例如，在激光切割中，设计师可以使用ZEMAX来仿真光束的传播路径和聚焦质量，以优化切割效果。

4. 激光雕刻机的光路设计
激光雕刻机是一种常见的激光光学器件，用于刻蚀或切割材料表面。

在设计激光雕刻机时，需要考虑到多种物理效应，例如材料的吸收率和光束的聚焦度。

使用ZEMAX进行光路设计和优化，可以改善雕刻效果和机器的精度。

目录一、前言 (1)二、设计技术参数 (1)三、外形尺寸计算 (2)四、初始结构的选型和计算 (6)五、利用zemax优化及评价 (8)六、设计心得体会 (12)七、参考文献 (13)内调焦望远物镜的设计一、前言内调焦望远镜是一种具有多种用途、使用方便的光学检调仪器,它可以作为自准直仪和可调焦望远镜使用。

因此它广泛地应用于光学实验室、光学加工车间和光学装校车间作为检验和调校工具。

例如,作为内调焦望远镜使用时：可以用来检验导轨、平面或直尺的“直线性”,基面之间的“垂直性”,平面之间的“平行性”以及不同直径孔径之间的“同轴性”；作为自准直仪使用时：可检测平面间的角度,光学平行平板两表面的楔角以及观测星点等等。

内调焦是针对外调焦而言的，外调焦是指通过直接移动目镜或者物镜进行调焦，内调焦是指移动镜头组之间的一组镜片来调焦.内调焦广泛运用在某类结构的防水产品上，优点是密封性好一些，但是若设计不当视野会相对窄。

二、设计技术参数技术条件如下：相对孔径D/f’=1/6.58合成焦距f’=250mm物镜筒长L=165mm（薄透镜筒长）物方半视场角w=-2°三、外形尺寸计算根据上图进行光路计算2'(101)12012/'l f d d L f Q ϕϕϕϕϕϕ=-=+-=式中，L ，f ’已知，当假设d0后便可由上述三式求得φ1、φ2、和l2’。

相应地，φ1、φ2可按下述二式求得11/1'1/0/0'1/'21/2'(')/0(0)f d L d f f f f L d d L ϕϕ==-+==--计算结果如表所示 d0/mm 25 50 75 82.5 100 125 150 165 f1’/mm56.81892.595117.18123.13135.14148.81159.57165f2’/mm-41.17-67.65-79.41-80.10-76.47-58.82-26.47由上表知，当Q 给定后，f1’随d0的增加而增加，-f2’开始随d 的增加而增加，到L/2时随d0的增大而减小。

光学系统的设计与优化光学系统是指由多个光学元件组成的光学设备，包括透镜、棱镜、平板玻璃等，用于实现对光的加工、转换和控制，是现代光学系统中不可或缺的组成部分。

一、光学系统的设计光学系统的设计是指根据应用需求和光学原理，确定光学元件的类型、数量和相对位置，以达到所需的光学效果。

光学系统设计的关键在于需要充分的理解光学元件的性质和行为，以及熟练使用光学设计软件进行模拟和优化。

在光学系统的设计中，常用的光学设计软件包括Zemax、CodeV等，这些软件通过输入光学设计参数和优化要求，输出最佳的光学元件组合。

设计时需要考虑到光学元件的质量、形状、表面状况等因素，以及对光学系统的稳定性和可靠性进行评估。

二、光学系统的优化光学系统的优化是指在设计完成后，对系统进行细节调整和性能提升，以达到更好的光学效果。

光学系统的优化包括元件的位置、角度和曲率等参数的微调，以及系统的光瞳位置、孔径比、场曲率等参数的优化。

在进行光学系统的优化中，常用的方式包括制备新的光学元件、对光学元件进行加工处理、改变光学元件的位置和角度等。

同时，还可以通过使用光源的不同波长和光强，来实现对光学系统的优化。

三、应用案例在实际应用中，光学系统设计和优化的应用非常广泛。

例如，光学望远镜的设计和优化就需要充分考虑到光学元件的质量、镜面形状等因素，以及对光学系统的稳定性和可靠性的要求。

类似地，激光切割机、激光打标机等光学设备的设计和优化也是必不可少的环节。

以光学显微镜为例，其光学系统的设计和优化是实现高分辨率、高清晰度成像的关键。

在显微镜的设计中，需要考虑到光路长度、聚焦距离、图像对比度等因素，并通过优化光学元件的位置和角度等参数，来提升系统的成像质量。

四、总结在现代光学技术中，光学系统的设计和优化是实现各种光学设备的关键。

通过充分了解光学元件的性质和行为，并精通光学设计软件的使用，可以实现对光学系统的精准设计和优化。

随着光学技术的不断发展，光学系统的设计和优化也将不断推进，为人类社会带来更多的科技进步和生活便利。