Zemax在《应用光学》中的应用研究

本科毕业论文

（2011届）

题 目 学 院 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期

Zemax在《应用光学》中的应用研究

电子信息学院 电子科学与技术

2011年3月

诚 信 承 诺

我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《Zemax在〈应用光学〉中的应用研究》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：

2011 年 3 月 11 日

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摘 要

本论文主要研究光学设计软件Zemax在《应用光学》课程中的应用。通过对Zemax软件的使用，更好地利用该软件应用于教学，达到《应用光学》课程教学更加简易、具体的目的。

利用Zemax计算光路的参数以及光路的仿真，使得复杂的计算简单化和抽象的光线传播具体化。本文通过单一光学元件的设计，如单透镜、牛顿式望远镜、消色差单透镜、变焦透镜等，来演示Zemax软件的基本操作。再利用Zemax软件来设计一个光学系统：望远物镜及调焦镜的设计，综合具体地了解掌握软件各功能的使用，同时了解光学系统设计的流程，以更好地应用于《应用光学》的教学。

关键词： Zemax软件；《应用光学》；光学设计

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ABSTRACT

This thesis mainly studies optical design software Zemax in the application of the course applied optics. By studying the software Zemax, we can make better use of it in practical teaching and make the course easier and more specific.

It makes complex calculation easy and abstract light transmission specific by using Zemax to calculate light path parameter and simulate light path. This article demonstrates the operation arrangements of Zemax software application cases, such as Single lens, Newton type telescope, Suppressing chromatism single lens and Zoom lens and so on. These concrete examples illustrates the basic operation of the Zemax software .Then design an optical system with Zemax software: the telephoto lens and focus lens, which could help us have a good knowledge of various functions of the software, and understand optical system design process and apply it in the teaching of applied optics.

Key words： Zemax software；《Applied Optics》；optical design

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目 录

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光学作为一门古典物理学科，在很早期时就有科学家致力去研究，但是由于科技的滞后，测量仪器的落后，发展受到了一定程度的限制。随着计算机科学技术的发展，应用光学得到了前所未有的进步。目前，在光学产业领域，传统的应用光学已形成一个巨大的产业群，望远镜、显微镜、照相机等光学产品的早已进入人们的生活工作中。随着数字影像的出现，在技术上不断的再突破，近年来，更是结合电子领域的发展，出现了光电产品，如数位相机、扫描仪、摄影机、液晶投影机、光缆??这些日常生活中对我们来说都是息息相关的物品，可以说是缺一不可的东西，所以光学产业是非常具有前瞻性的产业，值得去研发、投资的产业。

同时，随着应用光学的发展，新领域、新要求不断出现，对光学设计提出了新的更高的要求。为此，国内外涌现出各种功能强大的光学设计软件，为高质、高效的设计提供可能。发展至今，光学设计软件的用户界面已日趋完善，使用软件对用户的要求也越来越低。其中Zemax软件以其强大完善的功能，灵活方便的操作最为广泛使用。正确高效地使用光学设计软件大大加速了设计进程和提高了设计质量。

杨晓飞、张晓辉、韩昌元[1]利用Zemax实现了对大口径、长焦距、无中心遮拦离轴三反射镜光学系统的调试。通过Zemax软件的模拟得到了系统的波前像差，再以计算机辅助装调软件的计算分析证明其正确性。最后得到了在λ=632.8nm时，得到离轴三反射镜光学系统的全视场波像差为0.108λ。

唐勇、李玉瑶[2]根据Zemax中的近轴表面可以模拟理想薄透镜进行光学系统的外形尺寸的计算。通过十倍变焦距光学系统和激光光束整形系统的外尺寸计算，得到与设计结果相一致，证明了其可行性和正确性。而外形尺寸的计算作为光学系统设计的首要因素，正确的计算为整个系统的设计奠定了基础。

曹红曲、金宁[3]在二组元变焦系统凸轮曲线的设计中，用Zemax 软件编写了其设计程序。借助于Zemax软件的宏语言功能准确的计算出凸轮曲线的数据，可以大大提高设计效率，对变焦系统的前后期设计起到了积极的作用。

手机拍照的功能被广泛应用后，其像素也得到也极大的关注。尤其以500万像素的手机照相需求量增长最快。宋东璠、任兆玉、白晋涛[4]在Zemax辅助下对像差经行校准，能够逐步消除基本像差和高级像差，使各个视场相对照度达到了0.65以上，达到了优化的效果。

李维善、张禹和刘宵婵[5]借助Zemax设计出短焦数字投影镜头，其焦距为12.6914mm，相对孔径为1/2.0981，视场角达到80°。该镜头结构由10片透镜组成，结构简单、生产成本低，十分适合市场的需求。

袁纵横、胡放荣[6]利用Zemax软件设计的半导体激光无源光纤耦合系统通过

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人工优化克服有源藕合装置繁多、调整难度大以及耗时长的缺点，同时简化了耦合装置和耦合过程，提高了耦合效率。这使得较易实现大规模的自动化生产。

赵延仲、宋丰华、黎伟[7]等人建立共轴的简化“猫眼效应”反射模型，并结合Zemax软件的物理光学传播分析功能，分析出目标镜头的各个参数对“猫眼效应”激光反射特性的影响，并通过仿真分析得出其完全可以为激光主动探测所用。

对于光学设备而言，偏心和倾斜光学系统被广泛的应用。杨新军、傅汝廉、母国光[8]等人根据矢量像差理论，再通过Zemax的像差分析功能中的垂直像差曲线、场曲曲线和点列图比较，证明了矢量像差理论对具有较大倾斜元件的非共轴光学系统设计有指导意义。

在教学辅助上，Zemax软件同样有着重要的用途的。戴斌飞、武文远、任建锋[9]利用Zemax软件设计了迈克耳孙干涉仪实验光路。通过对实验光路的仿真，可以轻易的达到对实验现象的模拟以及各个参数对实验结果的影响。

对于高功率激光装置来说，应极力避免鬼像对光学元件的破环。曹华保、卢兴强、范滇元[10]用自编辅助程序处理Zemax执行结果，能够快速得得到鬼像分布图，对高功率激光装置的设计有着重要帮助。

陈得请、郭瑞雄、苏世荣[11]等人利用Zemax软件设计了携带式红外线目标产生器准直镜组。红外线目标产生器经行多次折光的准直系统，不但复杂，而且准直系统不一定能够形成真实的像。由Zemax经行设计和分析，并且辅助于Auto-CAD机械设计软件经行验证，得到准直镜组设计结果是正确的。

张驰、方君、丛杉珊[12]利用Zemax软件中的多重结构设计功能，克服了变倍周视瞄准镜设计的多路共同部分镜头的像差校正难的困难，有效地控制像差优化，使设计达到非常理想的效果。

王高、周韩昌、张记龙[13]提出基于发射光栅和线阵CMOS的对远场短脉冲波长的测量方法，并给出了激光功率、灵敏度、信噪比和分辨率分析的理论公式。在Zemax软件下仿真运行证明了其准确性，为元件选型提供了技术保障。

Florian Bauer, James Corbeil, Matthias Schmand, Debora Henesle[14]利用Zemax 软件仿真模拟了光输出为一系列几何结构，测量了光在硅酸镥晶体的传播以及光线追踪模拟。通过Zemax软件，他们得出了蚀刻过的硅酸镥晶体的光学参数以及VM2000反射膜，并越来越多的被用于建筑物探测器。

N. Y. Joshi, HKB Pandya, P. K. Atrey, Gaussian Optics Lens Antenna[15]设计了在托卡马克装置中高斯光学镜片天线系统，装配并测试了等离子体诊断程序，并以Zemax 光学软件模拟了性能设计和制造天线系统。

随着光学工程的发展，光学系统设计日益凸显其重要性。在LED照明灯的具体设计，光声成像仪器的设计，光缆的设计等等方面都越来越依靠于光学设计的发展。而Zemax设计软件以其强大完善的功能也越来越多地应用于光学设计中，

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为光学产业的发展提供了强有力的促进作用。

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2 Zemax软件介绍

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，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。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，与其它软件不同的是Zemax的CAD转文件程序都是双向的，如IGES、STEP、SAT等格式都可转入及转出。而且Zemax可仿真序列和非序列的成像系统和非成像系统。

Zemax 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。 ZEMAX 的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。ZEMAX 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使用Zemax 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。

Zemax目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。

Zemax有三种不同的版本：ZEMAX-SE（标准版）；ZEMAX-XE（扩展版）；ZEMAX-EE（工程版）。

软件特色：

1结合所有光学上的需求，用一简单的操作接口来执行； 2可使用序列与非序列模式运算；

3表栏式表面输入及完整的表面数据库，使编辑更加快速； 4 Solve 指令功能，帮助使用者设计； 5完整的镜头及材质数据库； 6多功能的分析图形；

7多种优化方式供使用者设计；

8对话窗式公差设定，方便使用者分析公差。

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3 应用Zemax进行单一光学元件设计

本章主要通过应用Zemax进行单一光学元件设计，来演示Zemax软件的基本操作，熟悉各功能的使用。

3.1参数的计算及光路的仿真

Zeamx软件还有强大对光学系统参数计算的功能，而且操作简单。以一个简单的望远物镜为例，叙述其基点位置和焦距的计算方法。物镜由两块透镜胶合而成，结构参数如下：

表3-1 双胶合透镜结果参数 r1=62.5 r2=-43.65 r3=-124.35 d1=4 d2=2.5 n=1 S_NSL3M (n=1.5165) ZF2(n=1.6727) n=1 首先，运行Zemax，主屏幕会显示镜片数据编辑对话框（LDE）。LDE是一个类似于电子表格的窗口，由多行和多列组成。在各个列项中，半径、厚度、玻璃和半口径等列是最常使用的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。

开始，输入系统的波长。在主屏幕菜单条上，选择“System”菜单下的“Wavelengths”，会显示一个“Wavelength Data”对话框，再选择[F.d.c(Visble)]，选择OK即可。主波长主要用来计算近轴的参数，如焦距、放大率等等。

“Weight” 这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL率。现在设置所有的权为1.0，单击OK保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。

现在需要为镜片定义一个孔径。设置这个孔径值，选择“System”中的“General”选项，此时出现“General Data”对话框，单击“Aper Value”一格，输入一个值：25。注意孔径类型缺省时为“Entrance Pupil Diameter”，当然也可选择其他类型的孔径设置。除此之外，还要加入一些重要的表面数据。Zemax模型光学系统使用一系列的表面，每一个面有一个曲率半径、厚度（到下一个面的轴上距离）和玻璃类型。在LDE中显示的有三个面，分别是：物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO表示；还有像平面，以IMA表示。对于单透镜来说，我们共需要四个面：物平面，前镜面（同时也是光阑面），后镜面，和像平面。所以要插入一个面，只需移动光标到像平面的“Infinity”之上，按INSERT键。这会在那一行插入一个新的面，并将像平面往下移。新插入的面被标为第2面。注意物体所在面为第0面，然后才是第1（标上STO是因为它是光阑面），第2和第3面（标作IMA）。

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作为变量，本设计中有三个变量可以供我们利用，分别是：镜片的前、后曲率，和第二面的厚度。将光标移到第1面的半径这一列，然后按Ctrl-Z（也可以在“半径”上双击，得到一个下拉的选择列，其中包括了变量状态）。这样，出现一个“V”，表示这是一个可变的参量。再在第2面半径以及第2面的“Thickness”上设置变化的标志，第2面的“Thickness”变化时，它的值会替换先前用求解定出的值。

接下去我们需要为镜片定义一个评价函数（Merit Function）。评价函数从数学理念上指出什么样的镜片是好的，对于一个理想的镜头它的评价函数的值应为0。

定义评价函数，首先从主菜单中选择“Editors”菜单下的“Merit Function”。然后选择“Tools”菜单下的缺省评价函数。再在出现的对话框中，点击“Reset”，确定即可。这样Zemax会自动决定一个合理的缺省评价函数。

这样，Zemax就已经构建了一个缺省的评价函数，它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追迹光线组成。但这样还不够，因为除了使弥散斑尺寸最小外，我们还需要使得镜头的焦距为100mm。如果不限定镜头的焦距，Zemax会很快得到，设定焦距无穷大会得到很好的波前像差。

鼠标单击第一行中的任何一处，使光标移动到评价函数编辑的第一行，按下INSERT键插入新的一行。现在，在“TYPE”列下，输入“EFFL”然后按回车键。此操作数控制有效焦距。然后在“Target”列，输入“100”然后再回车。其“Weight”输入一个值1，这样我们就完成了评价函数的定义。

现在从主菜单条中选择“Tools”菜单下的“Optimization”选项，会显示优化工具对话框。注意“Auto Update”复选框，如果这个选项被选中，屏幕上当前所显示的窗口（如光学特性曲线图）会按最佳化过程中镜头的改变而被自动更新。在该复选框中单击选择自动更新，然后再单击“Automatic”，Zemax会很快地减少评价函数。单击“Exit”关闭最佳化对话框。

最优化的结果是使镜片弯曲。设计结果所得出的镜片曲率使得焦距大致为100mm，并且使这个简单的系统具有了一个尽可能小的RMS波前差。Zemax也许不会很确切地将焦距优化到100mm，因为EFFL限制是一个被看作与其他的像差一样的“权重”目标。

现在可以再用光线特性曲线图来研究计算结果，如图所示：

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图3-11 优化后的光特性曲线图

由上图我们可以得出优化的设计结果最大的像差约为200μm，与此前350μm的相差有了明显的降低。

另一个有用的判断工具是OPD图。这是以光瞳坐标为函数的光程差分布图，可理解为《应用光学》中的波像差，它的光瞳坐标与光学特性曲线图中相同。同样可以按快捷键，点击Opd按钮就可以直接得到OPD图，如图3-12所示。

图3-12 OPD图

由图我们可以看出这个系统中有大约20个波长的波像差，大部分为焦面上，

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球差，色球差和轴上色差。

最后我们得到数据图如下：

图3-13 最终数据图

3.3双透镜的设计

双透镜是由两片玻璃组成，它们有一个共同的曲率，所以使用两片具有不同的色散特性的玻璃可以矫正一阶色差。我们日常接触的双透镜多为双胶合透镜。对于双透镜而言，我们需要得到抛物线的多色光焦点漂移图，来得到较好的像质。根据上一节单透镜的介绍，在先前100mm焦距和在轴上的设计要求，引入视场角来设计一个双透镜。

对于玻璃的选择，可以通过初级像差求解来得到的结构参数，再根据“双胶合薄透镜参数表”来选择相应的适用的玻璃。根据计算查表，本设计中直接选取BK7和SF1这一对玻璃来设计双透镜，此处厚度都选择3mm。

根据上几节的操作，输入波长以及孔径。设计双透镜，必须插入新的面，在LDE窗口上输入数据，如图3-14，同时可以选择第一面作为光阑面，只需双击所需成为光阑面的那行，选择表面类型，点击“Make Surface Stop”即可。

图3-14 原始数据图

由于Zemax软件自身不能模拟双胶合镜片，因此选择简单地模拟两片玻璃相互接触。再创建一评价函数，其中包括EFFL的操作数，其操作如同上节例子。

现在，从“Tool”菜单下选择“Optimization”，然后再选择“Auto Update”，则当在运行优化时，所有开启的分析视窗如“Ray fans plot”以及LDE的数据将及时变动。再点击“Automatic”这个按钮来进行优化。然后可以在主菜单下的“Analysis”选项点击“Fans”，然后选择“Ray Aberration”，如图所示：

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图3-15 扇形图

由图可以看出最大的横向光学像差已经被减小到约20μm。这对于单透镜在200μm处来说是一个质的提高。可以看出光学特性曲线图原点处的斜率对于每一个波长是大致相同的，这表示每一个波长相对离焦是很小的，但是斜率不为0。这意味着离焦被用来平衡球差。

判断设计的镜片是否具有良好的性能特征，我们可以选择主菜单选的“Analysis”选项下的“Layout”，点击“2D Layout”，我们就可以看到所设计的镜片的二维图，如图3-16所示。

图3-16二维图

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上图显示了从第一面到像平面的镜片，同时还有三条（缺省情况下）主波长光线从每个视场到像平面。这三条光线分别为入瞳——本设计也就是第1面——的上边缘、中心和底部的光线。由图可以清楚地看出第1个镜片有较尖的边缘，但是根据图形很难判断出边缘厚度是正的或负的。此外，如果镜片尺寸稍微大一点会更好，这样可使诸如抛光和装配等提供边缘空间。

因此可以通过考虑调整这些因数来提高设计。为了决定实际的边缘厚度，可将光标移动到第一面的任意一列，然后选择“Reports“选项下的“Surface Data”将会出现一个窗口，可以得到该面的边缘厚度。本设计中所给出的值是0.17，偏小，所以可以稍微调大。

在修整偏小的边缘厚度之前，可以先将镜片放大。移动光标到第一面的半口径“Semi-Diameter”列，输入“14”替代所显示的12.5，Zemax就会消去12.5并显示“14.000000U”。“U”标志着这个孔径是用户自定义的。如果“U”没有显示，表示Zemax允许此孔径可随要求定义。可以直接键入Ctrl-Z来取消“U”标志，也可以在半口径上双击，并为求解类型选择“Automatic”。然后，选择“System”选项下的“Update”来更新孔径值。14这个值为半口径，所以全口径为28mm。同样，在第二面和第三面中也输入14。

更新完图可以发现孔径已经被放大了，但是第一个边缘厚度是负的。更新表面数据窗口查看新的边缘厚度，它会变成一个负数。为了得到一个更为合理的边缘厚度，可以增加中心厚度。此外还有一个更有用的保持边缘厚度为一个特定值的方法。

假设需要保持边缘厚度为3mm，在第一面的厚度列中双击，会出现“Solve Control”屏幕，从所显示的求解列表中选择“Edge thickness”，两个值会被显示，一个是“厚度（Thickness）”，另外一个是“半径高（Radial Height）”。设厚度为3，半径高为0（如果半径高是0，Zemax使用所定义的半口径），然后单击“OK”。在LDE窗口中，第一面的厚度已被调整过，字母“E”显示在框中，表示这个参量为一个活动的边缘厚度解。

再次更新表面数据窗口，边缘厚度3就会被列出。通过调整厚度，已经对镜片的焦距作了一点改变。再进行最佳化，选择“Tools”，然后选择“Optimization”下的 “Automatic”即可。最佳化后，单击“Exit”，然后选择“System”，“Update All”，来再一次刷新图形。

现在来测试一下双透镜的离轴特性。从主菜单选择“System”，“Field”得到“Field Data”对话框，然后单击第2和第3行的“Use”选择3个视场。在下面的y视场列的第2行，输入7，在第3行输入10。使对于轴上的第1行保持为0，使x视场的值也为0，因为一个旋转对称系统，其x视场的值很小，单击OK关闭对话框。现在选择“System”，然后“Update All”，光学特性曲线图如图3-17中。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2lfg.html