内容简介
《ZEMAX光学设计超级学习手册》以ZEMAX 2010作为软件平台,详细讲解了ZEMAX在光学设计中的使用方法与技巧,帮助读者尽快掌握ZEMAX这一光学设计工具。
《ZEMAX光学设计超级学习手册》结合作者多年的使用和开发经验,通过丰富的工程实例将ZEMAX的使用方法详细介绍给读者。全书共分为11章,主要讲解了ZEMAX的使用界面和基本功能,光学像差理论和成像质量的评价,以及各种透镜和目镜、显微镜、望远镜等目视光学系统的设计。
《ZEMAX光学设计超级学习手册》注重基础,内容详实,突出实例讲解,既可以作为光学设计人员、科研人员等相关专业人士的工具书,也可以作为相关专业高年级本科生、研究生的学习教材。
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目录
目 录
第1章 ZEMAX入门 1
1.1 ZEMAX的启动与退出 1
1.2 用户界面 3
1.2.1 窗口类型 4
1.2.2 主窗口介绍 4
1.2.3 文件菜单 5
1.2.4 编辑菜单 6
1.2.5 系统菜单 16
1.2.6 分析菜单 20
1.2.7 工具菜单 20
1.2.8 报告菜单 29
1.2.9 宏指令菜单 32
1.2.10 外扩展菜单 32
1.2.11 窗口菜单 33
1.2.12 帮助菜单 34
1.3 ZEMAX常用操作快捷键 34
1.3.1 放弃长时间计算 34
1.3.2 快捷方式的总结 35
1.4 本章小结 36
第2章 像质评价 37
2.1 外形图 37
2.1.1 二维外形图 37
2.1.2 3D外形图 38
2.1.3 阴影图 39
2.1.4 元件图 39
2.1.5 ISO元件图 41
2.2 几何光学像质量评价 41
2.2.1 特性曲线 41
2.2.2 点列图 43
2.2.3 调制传递函数 46
2.2.4 点扩散函数 48
2.2.5 波前 51
2.2.6 曲面 52
2.2.7 均方根 53
2.2.8 像差系数(Aberration Coefficients) 54
2.2.9 杂项(Miscellaneous) 56
2.3 能量分析 61
2.3.1 能量分布 62
2.3.2 照度 62
2.4 像分析 64
2.4.1 模拟图像 64
2.4.2 双目分析 68
2.4.3 计算 68
2.5 其他 69
2.5.1 玻璃和梯度折射率 69
2.5.2 通用图表 70
2.5.3 偏振状态 71
2.5.4 镀膜(Coatings) 72
2.5.5 物理光学(Physical Optics) 73
2.6 本章小结 73
第3章 初级像差理论与像差校正 74
3.1 几何像差与像差表示方法及像差校正 74
3.1.1 球差 74
3.1.2 慧差 79
3.1.3 像散 85
3.1.4 场曲 89
3.1.5 畸变 95
3.1.6 色差(ColorAberration) 98
3.2 厚透镜初级像差 103
3.3 薄透镜初级像差 105
3.4 像差校正和平衡方法 106
3.5 本章小结 106
第4章 ZEMAX基本功能详解 107
4.1 ZEMAX 3种优化方法 107
4.1.1 优化方法选择 107
4.1.2 Global Search和Hammer Optimization区别 108
4.1.3 局部优化(Optimization)缺点 112
4.1.4 全局搜索优势 112
4.2 ZEMAX评价函数使用方法 114
4.2.1 优化中的术语定义 114
4.2.2 评价函数方程表达 115
4.2.3 波前优化方法 118
4.2.4 光斑尺寸优化方法 120
4.2.5 角谱半径优化方法 121
4.3 ZAMAX多重结构使用方法 122
4.3.1 实例一:模拟元件的变化 123
4.3.2 实例二:衍射级次显示 127
4.3.3 实例三:分光板模拟 131
4.4 ZAMAX坐标断点使用方法 137
4.4.1 ZEMAX坐标系 137
4.4.2 自带坐标断点使用方法 139
4.4.3 坐标断点面使用方法 139
4.4.4 样例一:旋转角度的优化方法 140
4.4.5 样例二:使用坐标断点精确寻找主光线位置及方向 143
4.4.6 样例三:坐标返回的使用方法 144
4.5 本章小结 147
第5章 公差分析 148
5.1 公差 148
5.1.1 误差来源 148
5.1.2 设置公差 149
5.1.3 公差操作数 149
5.2 默认公差的定义 150
5.2.1 表面公差 151
5.2.2 元件公差 152
5.3 公差分析3种法则 153
5.3.1 灵敏度分析 153
5.3.2 反转灵敏度分析 154
5.3.3 蒙特卡罗分析 154
5.4 公差过程的使用 157
5.4.1 公差分析的执行 157
5.4.2 双透镜的公差分析 160
5.5 本章小结 166
第6章 非序列模式设计 167
6.1 ZEMAX中非序列模型介绍 167
6.1.1 模型类别 167
6.1.2 面元反射镜 168
6.1.3 光源分布 169
6.1.4 棱镜 172
6.1.5 光线分束 173
6.1.6 散射 175
6.1.7 衍射光学元件 177
6.1.8 相干模拟 178
6.1.9 复杂几何物体创建 179
6.1.10 吸收分析 181
6.2 创建非序列光学系统 182
6.2.1 建立基本系统特性 183
6.2.2 创建反射镜 185
6.2.3 光源建模 186
6.2.4 旋转光源 187
6.2.5 放置探测器 189
6.2.6 跟踪分析光线探测器 190
6.2.7 增加凸透镜 192
6.2.8 光线跟踪分析和偏振损耗 194
6.2.9 增加矩形ADAT光纤 195
6.2.10 使用跟随解定位探测器 198
6.2.11 整个系统光线追迹 198
6.3 将序列面改成非序列物体 199
6.3.1 转变NSC的工具 199
6.3.2 初始结构 200
6.3.3 使用转换工具 202
6.3.4 插入非序列光源 203
6.3.5 插入探测器物体 205
6.4 模拟混合式非序列(NSC with Ports) 208
6.4.1 序列/非序列模式 208
6.4.2 建立非序列组件 211
6.4.3 定义多焦透镜 212
6.4.4 带状优化 215
6.4.5 目标局部 216
6.4.6 系统性能 217
6.4.7 运行影像分析性能之优化 218
6.4.8 最终设计 219
6.5 优化非序列光学系统 219
6.5.1 Damped Least Squares和Orthogonal Descent 220
6.5.2 建立系统 222
6.5.3 评价函数 223
6.5.4 自由曲面反射镜 224
6.5.5 优化 226
6.6 本章小结 228
第7章 基础设计实例 229
7.1 单透镜设计 229
7.1.1 ZEMAX序列模式简介 229
7.1.2 单透镜系统参数 231
7.1.3 单透镜初始结构 233
7.1.4 单透镜的变量与优化目标 235
7.1.5 单透镜优化结果分析与改进设计 237
7.2 双胶合消色差透镜设计 240
7.2.1 双胶合透镜设计规格参数及系统参数输入 241
7.2.2 双胶合透镜初始结构 242
7.2.3 设置变量及评价函数 244
7.2.4 优化及像质评价 245
7.2.5 玻璃优化——校正色差 247
7.3 牛顿望远镜设计 249
7.3.1 牛顿望远镜来源简介及设计规格 249
7.3.2 牛顿望远镜初始结构 251
7.3.3 添加反射镜及遮拦孔径 253
7.3.4 修改反射镜以提高MTF 258
7.4 变焦镜头设计 260
7.4.1 变焦镜头设计原理介绍 261
7.4.2 变焦镜头设计规格及参数输入 261
7.4.3 多重结构实现变焦 263
7.4.4 变焦镜头的优化设置 265
7.5 扫描系统设计 268
7.5.1 扫描系统参数 269
7.5.2 多重结构下的扫描角度设置 273
7.6 本章小结 276
第8章 目视光学系统设计方法 277
8.1 人眼光学系统的创建 277
8.1.1 眼睛概述 277
8.1.2 眼睛模型 277
8.1.3 使用ZEMAX创建人眼模型结构 278
8.2 放大率与视觉 281
8.2.1 近距离物体成像标准 281
8.2.2 小型放大镜放大率 281
8.3 本章小结 284
第9章 目镜设计 285
9.1 目镜介绍 285
设计案例一:惠更斯目镜 286
设计案例二:冉斯登目镜 288
设计案例三:凯尔纳目镜 290
设计案例四:RKE目镜 292
设计案例五:消畸变目镜 294
设计案例六:对称式目镜 297
设计案例七:埃尔弗目镜 299
设计案例八:西德莫尔目镜 301
设计案例九:RKE广角目镜 304
9.2 目镜调焦 306
9.3 本章小结 311
第10章 显微镜设计 312
10.1 技术指标 312
10.1.1 基本系统技术要求 312
10.1.2 分辨率目标和极限 312
10.2 10倍物镜初始透镜形式 313
10.2.1 显微镜设计步骤 313
10.2.2 物镜与目镜的连接 319
10.3 本章小结 322
第11章 望远镜设计 323
11.1 天文望远镜 323
11.1.1 天文望远镜设计步骤 323
11.1.2 分辨率与衍射极限 328
11.2 地上望远镜 328
11.3 本章小结 334
前言/序言
光之轨迹:从理论到实践的光学设计探索之旅 在浩瀚的科学领域中,光学以其独特而迷人的魅力,串联起我们与世界的认知。从古老的透镜到现代的精密仪器,光学的进步不仅推动了科学技术的飞跃,更深刻地影响着人类的生活。本书旨在为所有对光学设计怀有热情,无论是初学者还是资深从业者,提供一个系统、深入的学习路径,帮助您掌握光学设计的核心原理、掌握先进的设计方法,并最终能够运用这些知识创造出性能卓越的光学系统。 本书并非一本枯燥的理论堆砌,也不是简单的工具操作指南。它是一次关于光线如何运动、如何被塑造、以及如何服务于人类需求的深度探索。我们将从最基础的光学概念出发,逐步深入到复杂的光学成像理论、像差的产生与校正、光学元件的设计与制造,直至现代光学系统集成的各个环节。在这一过程中,您将不再是被动地接受知识,而是主动地去理解、去思考、去实践。 第一章:光学的基石——基本原理与概念的再认识 我们将从“光是什么”这一最根本的问题开始。不同于日常的直观感受,我们将从几何光学和波动光学的视角,深入剖析光的本质。几何光学部分,我们将重温直线传播、反射、折射等基本定律,并重点讲解惠更斯原理,理解波阵面传播的内在逻辑。斯涅尔定律的推导与应用,将帮助您理解光线在不同介质界面发生偏折的规律,这是设计任何光学元件的基础。 更重要的是,我们将深入探讨共轭焦点、焦距、放大率、像高、视场角等关键概念,这些参数是描述光学系统成像特性的语言。您将学会如何运用这些基本概念来初步评估一个光学系统的成像能力。例如,理解一个简单的透镜如何形成实像与虚像,不同透镜组合如何实现放大或缩小,以及如何通过调整元件参数来控制像的形成位置和大小。 波动光学是理解光衍射、干涉等现象的关键。我们将介绍光的干涉原理,例如杨氏双缝干涉实验,理解相干光为何能够产生明暗相间的干涉条纹。衍射现象,例如单缝衍射和圆孔衍射,将揭示光线在遇到障碍物或孔径时发生的弯曲现象,这对于理解光学仪器的分辨率极限至关重要。我们会探讨夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射的区别,以及它们在实际光学系统设计中的意义。 第二章:像差的审判——理解与控制光学系统的瑕疵 任何光学系统都无法完美成像,理论上的完美与现实中的偏差是光学设计者必须面对的挑战。本章将系统地介绍光学系统中常见的像差,并深入剖析其成因。我们将首先聚焦于单色像差,包括: 球差 (Spherical Aberration):由于不同半径的光线通过球面透镜时折射角不同,导致同一焦点并非集中于一点。我们将详细讲解其数学表达,并探讨如何通过改变透镜曲率、使用非球面镜片或组合透镜来校正球差。 彗差 (Coma Aberration):当来自视场外点的光线通过非对称的光学系统时,成像会呈现出彗星状的拖尾。我们将分析彗差与视场角的关系,并介绍一些校正彗差的方法,例如使用对称的光学结构。 像散 (Astigmatism):不同方向的子午光线与弧矢光线在不同位置聚焦,导致视场中物体成像模糊不清,特别是对于倾斜的线条。我们将深入理解像散的产生机理,并介绍如何通过选择合适的透镜组合来最小化像散的影响。 场曲 (Field Curvature):理想情况下,整个视场中的成像都应该落在同一个平面上,但场曲会导致成像平面呈抛物面或双曲面状,使得视场边缘成像模糊。我们将讨论场曲的数学模型,并讲解如何通过设计特定的透镜组来获得平坦的像面。 畸变 (Distortion):即使像差得到有效校正,放大率的变化仍然会导致成像的几何形状发生改变,例如枕形畸变和桶形畸变。我们将分析畸变产生的原因,并提供一些设计策略来减小畸变。 除了单色像差,我们还将重点讨论色差 (Chromatic Aberration),这是由于不同波长的光在不同介质中的折射率不同而引起的。我们将区分轴向色差和倍率色差,并详细讲解如何通过使用不同折射率和色散系数的玻璃材料,例如配置复消色差镜组 (Apochromat) 来实现对不同波长光的精确聚焦,从而获得更加锐利和色彩还原准确的成像。 第三章:光学元件的设计与选型——从玻璃到镜片 掌握了像差的原理,接下来便是如何设计和选择具体的光学元件来构建光学系统。本章将涵盖各种常见的光学元件,从基础的透镜到复杂的反射镜。 透镜 (Lenses):我们将深入探讨各类透镜,包括双凸透镜、双凹透镜、平凸透镜、平凹透镜、弯月透镜等,分析它们的成像特性。我们将学习如何根据设计要求,计算和选择合适的透镜形状、曲率半径、厚度以及材料。 反射镜 (Mirrors):无论是平面镜、球面镜还是非球面镜,在光学系统中都扮演着重要的角色。我们将讨论它们的成像原理,特别是抛物面镜和双曲面镜在实现无球差聚焦方面的独特优势。 棱镜 (Prisms):棱镜不仅可以改变光路的传播方向,还可以实现光谱的分离。我们将介绍全反射棱镜、直角棱镜、屋脊棱镜、色散棱镜等,并讨论它们在光学仪器中的应用,例如望远镜、光谱仪等。 光阑 (Apertures and Stops):光阑在光学系统中起着控制孔径、限制视场以及影响景深的关键作用。我们将区分孔径光阑、场光阑,并理解它们如何影响系统的亮度和成像质量。 光学材料 (Optical Materials):光学材料的性质直接决定了光学元件的性能。我们将介绍常见的玻璃材料(如BK7、SF5等)、氟化物玻璃、塑料光学材料等,并讨论它们的折射率、阿贝数(色散系数)、透射率、机械性能等参数对系统设计的影响。了解不同材料的特性,将帮助您在满足性能要求的同时,权衡成本和可制造性。 第四章:光学系统的设计流程与评估——从概念到实现 本书将带领您逐步构建一个完整的光学系统。我们将从理解设计目标和需求开始,这包括系统所需的成像质量、工作波长、视场大小、放大倍率、尺寸限制、成本预算等。 系统概念设计 (Conceptual Design):在这一阶段,我们将根据设计目标,初步选择光学元件的类型和排列方式,构建系统的基本框架。这通常需要丰富的经验和对光学原理的深刻理解。 初级设计与优化 (Preliminary Design and Optimization):我们将使用光学设计软件,输入初步的系统参数,并进行迭代优化。在这个过程中,您将学习如何设置优化目标,例如最小化RMS波前差、减小彗差和像散等。软件将根据预设的算法,自动调整元件的参数,以期达到最佳的成像效果。 像差校正策略 (Aberration Correction Strategies):我们将深入探讨针对不同系统类型(例如相机镜头、显微镜物镜、望远镜目镜)的特有像差校正策略。例如,对于变焦镜头,我们将关注其在不同焦段下的像差控制;对于高倍率显微镜物镜,我们需要极力减小像差以获得更高的分辨率。 系统评估与公差分析 (System Evaluation and Tolerance Analysis):即使经过优化,实际制造过程中仍然存在误差。我们将学习如何通过各种评价函数来评估光学系统的成像质量,例如MTF(调制传递函数)、LLP(线对比度)等。同时,我们将进行公差分析,预测制造误差对系统性能的影响,并确定必要的制造和装配精度。 系统集成与测试 (System Integration and Testing):最终,光学系统需要被集成到整体设备中,并进行实际的性能测试。我们将简要介绍相关的测试方法和设备,例如自准直仪、干涉仪等,以验证系统的设计是否符合预期。 第五章:现代光学设计的新疆界——前沿技术与应用 光学设计领域日新月异,新的技术和应用层出不穷。本章将带领您领略光学设计的前沿风貌。 非球面光学 (Aspheric Optics):非球面镜片能够有效地校正球差和高阶像差,显著提高系统的成像质量,并实现小型化设计。我们将讨论非球面的设计方法和制造挑战。 衍射光学元件 (Diffractive Optical Elements, DOEs):DOEs利用光的衍射效应来实现复杂的光学功能,例如聚焦、分光、光束整形等。它们的体积小、重量轻,在微型光学系统和激光应用中展现出巨大的潜力。 集成光学与光子芯片 (Integrated Optics and Photonic Chips):将光学元件集成到芯片上,可以实现高度集成化的光学系统,为通信、计算、传感等领域带来革命性的变化。 自由曲面光学 (Freeform Optics):自由曲面超越了传统的旋转对称光学设计,能够实现更加灵活和高效的光学系统。它为解决一些棘手的成像难题提供了新的思路。 计算光学 (Computational Optics):利用强大的计算能力,结合先进的算法,可以实现传统光学难以完成的成像任务,例如光场相机、全息成像等。 本书的特色与价值 本书的最大价值在于其系统性、实践性和前瞻性。我们不仅会讲解光学设计的理论知识,更会强调其在实际应用中的指导意义。通过本书的学习,您将能够: 建立扎实的理论基础:深入理解光学的基本原理,为解决复杂的光学问题奠定坚实基础。 掌握先进的设计方法:学会运用现代光学设计软件,进行系统的优化与评估。 提升解决问题的能力:通过对像差的深入分析,能够有效地识别和校正光学系统中的缺陷。 开阔技术视野:了解光学设计的最新发展趋势,为未来的技术创新提供灵感。 培养批判性思维:在学习过程中,鼓励您独立思考,形成自己对光学设计的理解和判断。 无论您是致力于开发下一代相机镜头,还是着眼于设计精密的光学仪器,亦或是对光学科学本身充满好奇,本书都将是您不可或缺的学习伴侣。让我们一同踏上这场光学的奇妙旅程,用智慧与创造,点亮无限可能。