光学设计实例-黄惠杰

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1、光学设计——光学设计实例中国科学院上海光学精密机械研究所2010年10月19日通过设计实例，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用。介绍光学设计软件ZEMAX的基本使用方法，设计实例通过ZEMAX来演示。意图2光学设计软件ZEMAX简介优化实例1-单透镜2-双胶合透镜3-非球面单透镜4-激光扩束镜5-显微镜物镜6-双高斯照相物镜公差计算（由于时间关系，后面几个常规的设计实例不一定能讲完）具体的应用实例-高温镜头设计（20日上午）主要内容3美国ZEMAXDevelopmentCorporation研发ZEMAX是

2、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。可设计光学镜头、照明系统，模拟激光束传输、杂光分析，自由曲面光学设计……ZEMAX有两种不同的版本：ZEMAX-SE：标准版，用于成像光学系统（序列光学系统）的设计；ZEMAX-EE：工程版，在ZEMAX-SE基础上，增加了物理光学、非序列光线

3、追迹、偏振光线追迹等先进功能（只在EE版本中才具有）。ZEMAX简介4光学设计过程计算机的出现，极大地促进了光学设计进程，但设计者的知识与经验是获得优良光学系统的基本条件；大多数光学设计程序（优化功能）的本质如下：每个变量发生少量改变或增减；计算每个变量对结果的影响（像差变化量表）；计算结果是一系列导数，əp/əv1,əp/əv2,əp/əv3,……,p:优化函数结果，v:变量；为了使残余结果的平方和最小(最小二乘法)，对每个变量联立方程求解；重复上述过程直至实现最优化。5光学设计人员的任务获得并考虑技术要求（需求分析）选择具有代表性的切入点前期设

4、计、专利、建立联系、原始推导建立变量和约束变量包括：曲率半径-r、厚度-d、空气隙-d、玻璃特性-n、约束可能是相关结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量使用程序对结果进行优化评价设计结果重复步骤3和4直至满足设计要求如果结果不满足条件，通过添加或分离元件、变化玻璃种类等来修改设计，然后返回步骤4另一种方法是返回步骤2——选择的初始结构可能不合理，达不到预期要求进行公差分析，估计结果误差——透镜加工、机械结构与装校要求6数据输入的一般过程输入孔径（有几种方式，如F#（物方或像方），NA（物方或像方），Aperture，…）在屏上找

5、到ButtonGen，按出Dialogbox，按Aperture，挑选Aperturetype，并输入数值。可以从System内选General，按出Dialogbox。可从File内选择Preference(或Environment）出Dialogbox，将常用项目的Button选放在屏上，如Gen，便于直接选用。将上述过程表示为：输入视场：用ZEMAX进行光学系统设计输入光学系统结构数据SystemGenApertureSystemField视场：半视场角、物高、近轴像高、实际像高7输入波长SystemWav输入半径、厚度、玻璃EditorLe

6、nsdata或从屏上已有的Lensdataeditor改数据。如屏上数据框内作doubleclick得有关dialogbox，可对现状作出修改，例如：修改Surfacetype,Aperturetype，改此面为光阑，即“Makesurfacestop”;修改Radius，由Fixed改为Variable(优化过程中作为变量)，或由Solve给出；修改最后一面到像面的Thickness由Fix改为MarginalRayHeight,Pupilzone0.7为0。GenGlasscatalogs所选玻璃表是在内选定，可同时挑多个表；也可打入玻璃牌号，

7、程序自动找玻璃库对于Surfacetype和GlassCatalogs，在User’sGuide内都有一章叙述。用ZEMAX进行光学系统设计可用Select选定常用谱线；可直接输入波长值（单位：微米）设定谱线weight设定主波长（Primary）8当已输入足够的结构数据后，程序就可以计算出像差并分析成像质量，这主要是Analysis菜单中的各种功能。＊系统结构和光路图（Layout）：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内是否存在显著错误、光路与预期相符，等。FanOpticalPathRayaberration或即按ButtonLayL3dEle

8、几何像差与波像差：AnalysisLayoutor3DLayoutElementdrawing2DLayout（零件图）或