zemax光学设计实例显微物镜

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 2008年10月

意图

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。

主要内容

光学设计软件ZEMAX简介 单透镜 双胶合透镜 非球面单透镜 显微镜物镜 双高斯照相物镜 公差计算

(具体的应用实例——视情况而定)

ZEMAX简介

美国ZEMAX Development Corporation研发

ZEMAX 是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 有两种不同的版本：ZEMAX-SE和ZEMAX-EE, 有些功能只在EE版本中才具有。

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。

光学设计过程

计算机的出现，极大地促进了光学设计进程； 大多数光学设计程序的本质如下：

每个变量发生少

照相物镜镜头设计与像差分析

设计一个成像物镜透镜组，照相物镜的技术指标要求： 1、 焦距：f’=12mm；

2、 相对孔径D/f’不小于1/2.8；

3、 图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm×5.76mm； 4、 后工作距>6mm

5、 在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；

6、 成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm，轴外0.707 >35%@100 lp/mm。 7、 最大畸变<1%

照相物镜的简介

照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征。即焦距f’、相对孔径D/f’和视场角2w。照相物镜的焦距决定所成像的大小

Ⅰ）当物体处于有限远时，像高为

y’=(1-?)f'tan? (1-1)

式中，?为垂轴放大率，??y'l'?。对一般的照相机来说，物距l都比较大，一般l>1yl米，f’为几十毫米，因此像平面靠近焦面，l'?f'，所以

??f' lⅡ）当物体处于无限远时，?→∞像高为

y’=f'tan? （1-2） 因此半

实验一：单镜头设计(Singlet)

实验目的：

1、学习如何启用Zemax

2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data）

3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。

4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤：

1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length） 为100mm，波长为可见光，

用BK7玻璃为材料。

2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它

是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。

3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，

键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-

实验一：单镜头设计(Singlet)

实验目的：

1、学习如何启用Zemax

2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data）

3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。

4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤：

1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length） 为100mm，波长为可见光，

用BK7玻璃为材料。

2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它

是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。

3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，

键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-

照相物镜镜头设计与像差分析

设计一个成像物镜透镜组，照相物镜的技术指标要求： 1、 焦距：f’=12mm；

2、 相对孔径D/f’不小于1/2.8；

3、 图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm×5.76mm； 4、 后工作距>6mm

5、 在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；

6、 成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm，轴外0.707 >35%@100 lp/mm。 7、 最大畸变<1%

照相物镜的简介

照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征。即焦距f’、相对孔径D/f’和视场角2w。照相物镜的焦距决定所成像的大小

Ⅰ）当物体处于有限远时，像高为

y’=(1-?)f'tan? (1-1)

式中，?为垂轴放大率，??y'l'?。对一般的照相机来说，物距l都比较大，一般l>1yl米，f’为几十毫米，因此像平面靠近焦面，l'?f'，所以

??f' lⅡ）当物体处于无限远时，?→∞像高为

y’=f'tan? （1-2） 因此半

录

前言.......................................................................................................................... 错误！未定义书签。 第一章 ZEMAX软件简介 ......................................................................................................................... 1

1.1 简介............................................................................................................................................. 1 1.2 用户界面 ............................................................................................

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前言.......................................................................................................................... 错误！未定义书签。 第一章 ZEMAX软件简介 ......................................................................................................................... 1

1.1 简介............................................................................................................................................. 1 1.2 用户界面 ............................................................................................

介绍

这一章对本手册的习惯用法和术语进行说明。ZEMAX使用的大部分习惯用法和术语与光学行业都是一致的，但是还是有一些重要的不同点。

活动结构

活动结构是指当前在镜头数据编辑器中显示的结构。详见“多重结构”这一章。 角放大率

像空间近轴主光线与物空间近轴主光线角度之比，角度的测量是以近轴入瞳和出瞳的位置为基准。 切迹

切迹指系统入瞳处照明的均匀性。默认情况下，入瞳处是照明均匀的。然而，有时入瞳需要不均匀的照明。为此，ZEMAX支持入瞳切迹，也就是入瞳振幅的变化。

有三种类型的切迹：均匀分布，高斯型分布和切线分布。对每一种分布（均匀分布除外），切迹因素取决于入瞳处的振幅变化率。在“系统菜单”这一章中有关于切迹类型和因子的讨论。

ZEMAX也支持用户定义切迹类型。这可以用于任意表面。表面的切迹不同于入瞳切迹，因为表面不需要放置在入瞳处。对于表面切迹的更多信息，请参看“表面类型”这一章的“用户定义表面”这节。 后焦距

ZEMAX对后焦距的定义是沿着Z轴的方向从最后一个玻璃面计算到与无限远物体共轭的近轴像面的距离。如果没有玻璃面，后焦距就是从第一面到无限远物体共轭的近轴像面的距离。 基面

基面（又称叫基点）指一些特殊的共轭位置，这些位置对应的物像平

光学设计软件ZEMAX简明教程

沈常宇

中国计量学院光电子技术研究所

目 录

第一章 引言………………………………………………………………3 第二章 ZEMAX的基本界面及文件菜单………………………………4 第三章 编辑菜单…………………………………………… …………6 第四章 系统菜单…………………………………………………………12 第五章 分析菜单………………………………………………………17 第六章 工具菜单……………………………………………………… 29 第七章 报告菜单……………………………………… ………………36 第八章 宏指令菜单……………………………………… ……………38 第九章 扩展命令菜单……………………………………… …………39 第十章 表面类型简介………………………………………… ………40 第十一章 设计优化实例………… ……………… ……………………46

第一章 引言

对于实际的光学系统来说，它的成像往往是非完善成像，对于怎样来判断一个光学系统的性能的优劣，是光学设计中遇到的一个重要问题.在当前计算机辅助科研、教学的迅猛发展过程中，计算机辅助光学系统设计已成为光学设计不可缺少的

简要介绍资料的主要内容,以获得更多的关注

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