zemax单透镜设计

Zemax基本操作和透镜设计

一、 实验目的

学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。设计一个单透镜和一个双胶合透镜。

二、 实验要求

1、 掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。 2、 掌握ZEMAX软件的用户界面。 3、 掌握ZEMAX软件的基本使用方法。 4、 学会使用ZEMAX的帮助系统。

三、 实验内容

○单透镜设计

用BK7玻璃设计一个焦距为100mm的F/4单透镜，要求在轴上可见光范围内。

1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新建一个新的空白透镜。

2. 在主菜单-系统-光波长弹出的对话框中输入3个覆盖可见光波段的波长，设定主波长。同样在系统-通用配置里设置入瞳直径值。

3. 在光阑面的Glass列里输入BK7作为指定单透镜的材料，并在像平面前插入一个新的面作为单透镜的出射面。

4. 输入相关各镜面的厚度和曲率半径。

5. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。

6. 利用Solve功能来求解镜片厚度，更新后观察各分析图的相应变化。

7. 利用主菜单-工具-优化-

ZEMAX非球面透镜翻转参数的设置

有的时候拿到客户提供的非球面镜头的图纸，如果需要将这些参数输入到ZEMAX软件中，镜头的方向或翻转对正确的模拟镜头是很重要的。因此我们要了解非球面公式中的几个参数，对面型的影响。

这个问题是论坛中getitgetit提出的

引文： 背景：

非球面透镜公式中有很多的高阶参数，An...。 供应商会提供这些参数。同时会有一个图描述光的传输情况：从面1到面2的传输，比如点光源经过透镜又汇聚成点光源，同时标示两边的工作距离。

问题：

这些An都是有符号的，供应商给的是从面1到面2的传输。那么如果我用这个透镜的时候要从面2传输到面1的话，是不是要把所有的供应商提供的高阶系数An 的符号反过来输入到软件中？

如果是，我很想知道背后的物理概念。如果可以提供深层的物理解释就更好了。

补充：

那个k，conic， 这个系数是不是不需要改变符号的？只是An需要改变符号？

光学设计论坛网友 Maoqinjun：

引文：

k不需要改变，R和An需要反号。

对这个问题，下面来详细解释。

K ，也就是conic的值决定了面型（表面形状的类型是圆形、椭圆、抛物面、双曲面）

因此这个符号是不需要变化的

R 值和An

如何设计一个单透镜

如图所示，所谓单透镜，是指由两个折射曲面围成的透明体。其中一个折射面可以是平面。

本资料包括8个方面的内容：

? 确定系统参数，包括孔径大小，透镜单位，视场，以及波长； ? 输入透镜性能参数；

? 用solve强化设计约束条件； ? 在优化前，分析系统性能； ? 确定系统自由度，设置系统变量； ? 设置缺省的评价函数； ? 优化并分析最终的设计性能。

一、引言，透镜的性能，及设计约束条件

单透镜(英文专用词singlet)，在定义上有争论，但它是ZEMAX所能仿真的最简单的成像系统。单透镜的结构虽简单，但这种简单成像系统的设计过程，有助于我们认识ZEMAX的界面，学习基本的设计理念和策略，初步掌握ZEMAX的基本分析工具。

下面，我们将设计并优化一个F/4单透镜，材质选用N-BK7玻璃。设计完成的单透镜需满足如下要求：

? 焦距100mm； ? 单视场角5?； ? 波长??632.8nm；

? 中心厚度介于2mm~12mm间； ? 边缘厚度大于2mm；

? 在限定波长下，在全视场范围内，对单透镜进行优化，保证RMS Spot Size最小；

? 物位于无穷远。

在给定的ZEMAX界面内，利用ZEMAX的各种工具，可便

光学系统设计题目

1、 根据提供的初始结构‘双视场.zmx’，设计一个双视场的红外系统（红外材料用自带的

INFRARED.AGF），要求焦距60mm/150mm，F数=1。成像质量：30线对时MTF?0.3（全视场），成像像面对角线半径7.6mm。波长8-12微米。

也可以用其它结构，可以添加一个非球面，但是添加非球面后需要减少镜片数量。

2、 自行查找文献，设计红外广角物镜（红外材料用自带的INFRARED.AGF），全视场角大于

90度。F数=1。成像质量：30线对时MTF?0.3（全视场），成像像面对角线半径7.6mm。波长8-12微米。

3、 以gauss.zmx为初始结构，设计一个成像镜头。要求：像面大小:6.4×4.8mm，像元8微

米。焦距：50mm，F数：1.0，波长：可见光，结构：双高斯，中心视场0.3（60lp/mm），全视场0.1（60lp/mm）。限用成都光明玻璃。要求进行样板比对（china.tpd）。

4、 以zebase中S_001为初始结构，或自行查找初始结构，设计10倍变焦可见光成像系统，

要求：像面大小:6.4×4.8mm，像元8微米。焦距：15-150mm，F数：1.0，波长：可见光，中心视场0.3（4

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-

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

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 ............................................................................................

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

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