zemax设计实例

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

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-

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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

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

zemax软件进行灯泡光路仿真

灯泡模型的建立：2005

版的zemax软件。ZEMAXcn文件夹到Samples文件夹到

Non-sequential文件夹到Sources文件夹，选择led_model.ZMX文件打开，修改第一行的数据，修改：clear1，edge1，clear2，edge2四个都为1.5，修改之后另存一下，建好了灯泡模型。打开文件时，会出现三个图，图一是灯的照射模型，图2是灯的机械二维图，双击图1和2可以更新和改变模式。图三，点击setting（show as选择false color，show data选择incoherent irradiance-非干涉光，coherent irradiance-干涉光，radiant intensity-辐射强度），可以查看不同的光线。第三列Source volume 的power填575，第三列Source volume 的analysis rays 设置：100000。

气室模型的导入：首先用solidworks建立三维模型然后另存为IGS后缀的文件，将其

复制找到objects的文件夹中（ZEMAXcn文件到objects），打开zemax2005软件，单击文件选择非线性序列，按i

如何创建一个简单的非顺序系统

建立基本系统属性

我们将创造出一个带点光源的非序列系统，抛物面反射镜和一个平凸透镜镜头耦合成一个长方形光管灯，如下面的布局显示。

我们还将跟踪分析射线探测器获得光学系统中的各点照度分布。 下面是我们最终将产生：

如果ZEMAX软件没有运行，启动它。

默认情况下，ZEMAX软件启动顺序/混合模式。 要切换到纯非连续模式，运行ZEMAX软件，然后点击文件“>非序列模式。

一旦纯非连续模式，在编辑器窗口的标题栏将显示非连续组件编辑器而不是在连续模式时只用于连续或混合模式系统的镜头数据编辑。

对于本练习，我们会设置系统波长，点击系统>波长，指定波长0.587微米。

我们还将在系统设置单位，System>General /Unit tab “一般组标签如下（默认）(default).。

除辐射辐照装置单位如Watt.cm -2外，您可以指定光度和能源单位，如lumen.cm -2或joule.cm -2 我

。

们将选择默认为这项工作辐射单位。

创建反射

按键盘上的“插入”（insert）插入几行非序列编辑器。

在设计的第一部分，我们将创建一个由抛物面反射镜准直的线光源。 然后，我们将在+ Z上放置探

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