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zemax光学系统设计

文章目录

  • 第一章 概述
    • 光学系统
      • 成像光学系统
      • 非成像光学系统
    • 光学设计的方法：
      • 解析法
      • 缩放法
    • 光学系统使用要求
  • 第二章 光学系统的像差概述
  • 第三章 光学系统的像质评价
  • Zemax用户界面
    • 菜单栏
    • 工具栏
      • **快捷键**：
      • Gen
      • Filed data
      • 透镜数据编辑窗口（Lde）：
    • 文件菜单（File）：
      • Preference参数
    • 编辑菜单（Editor）
      • 透镜数据编辑窗口（Led）
      • 评价函数编辑窗口（MFE）
      • 多重数据结构（MCE）
      • 公差数据（TDE）
    • 系统菜单（System）
      • 通用数据General
    • 分析菜单（Analysis）
      • 轮廓图
        • 二维轮廓图（2DL）
        • 三维轮廓图（3DL）
      • 特征曲线（Fans）
        • 光线像差（Ray Aberration）
      • 点列图（Spot Diagram）
        • 标准型
      • 调制传递函数（MTF）
      • 点扩散图（PSF）
      • 波前（Wavefront）
      • 均方根（RMS）
      • 包围园能量（encircled energy）
      • 照度（illumination）
      • 像分析（Image Analysis）
      • 杂项（Miscellaneous）
    • 工具菜单
  • 基于zemax光学设计实例
    • 单透镜设计
    • 双胶合透镜设计
    • 三片式照相物镜设计
    • 双高斯照相物镜设计
    • 反射式望远物镜设计
    • 变焦距照相物镜设计
  • 光学系统优化方法

第一章 概述

zemax光学系统设计_第1张图片

光学系统成像性能主要有两个方面要求：

  • 第一方面： 光学特性 （物距，像距 ，入瞳，出瞳…）
  • 第二方面： 成像质量

设计光学系统有两个阶段（第一步设计简单，第二部就复杂，反之同）：

  • 第一阶段： 根据仪器的技术要求（性能指标，外形尺寸，重量等技术指标），从仪器各部分（光学，机械，电路）拟定光学系统原理图，初步确定外形尺寸，各部分要求的光学特性。
  • 第二阶段： 确定每个镜头的参数（半径，厚度，间隔，玻璃参数），以保证光学系统的成像质量

评价一个光学系统的好坏：

  • 一方面看：性能和成像质量
  • 另一方面看： 系统复杂程度

光学设计过程步骤：
zemax光学系统设计_第2张图片

光学系统

成像光学系统

有明确的物像共轭关系，设计的重点在于信息传递的真实性（是否畸变）和有效性（是否清晰）

非成像光学系统

照明光学系统，设计点在于光能量传输效率的最大化，以及照度大小和照度分布情况

光学设计的方法：

  1. 解析法
  2. 缩放法

解析法

根据初级相差理论通过相差计算求解初始结构参数

缩放法

找出性能参数比较相同的已有结构，将各个尺寸进行缩放

常用镜头光学设计之间的关系：

  1. 同样结构这，相对孔径越小，角视场越小，其像质越好
  2. 焦距相同，相对孔径越大，角视场角越小
  3. 焦距相同，视场角越大，相对孔径越小
  4. 物镜的焦距越长，对于同样结构类型的物镜，能够得到具有良好像质的相对孔径和视场角越小

光学系统使用要求

  1. 显微镜（只有提高数值孔径NA才能提高有效放大率）
  2. 望远镜 （一定要考虑 望远系统的极限分辨角和人眼的极限分辨角）

第二章 光学系统的像差概述

像差：反映了光学系统质量的优劣

  • 五种单色像差：球差，彗差，像散，场曲，畸变
  • 两种色差： 倍率色差，位置色差

第三章 光学系统的像质评价

Zemax用户界面

菜单栏

在这里插入图片描述

工具栏

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

快捷键：

CTRL+ F 视场field窗口
CTRL+ G 综合参数general窗口
CTRL+ H 规格数据文本Prescription data窗口
CTRL+ I 干涉图样interfereogram图形窗口
CTRL+ J 几何图像分析窗口
CTRL+ L 二维结构轮廓图
CTRL+ M 打开FFT MTF 图形窗口
CTRL+ N 新建
CTRL+ O 打开
CTRL + Q 退出
CTRL + R 光线扇形图
CTRL + T 公差设置
CTRL + U 更新
CTRL + W 波长wavelength设置
CTRL + Z 设置参数是否自动优化
F1 打开帮助
F4 打开玻璃库
F5 打开镜头库
F6 打开默认评价函数设置
F7 多重结构设置
HOME/END 开头结尾
SHIFT+TAB 光标移至上一单元格
TAB 光标移至下一单元格

Gen

zemax光学系统设计_第3张图片
孔径类型：
zemax光学系统设计_第4张图片

Filed data

zemax光学系统设计_第5张图片

透镜数据编辑窗口（Lde）：

在这里插入图片描述
面型：
zemax光学系统设计_第6张图片
zemax光学系统设计_第7张图片

曲率半径：Radius
zemax光学系统设计_第8张图片
thickness厚度
zemax光学系统设计_第9张图片
玻璃材料：
zemax光学系统设计_第10张图片

文件菜单（File）：

zemax光学系统设计_第11张图片

Preference参数

zemax光学系统设计_第12张图片

编辑菜单（Editor）

zemax光学系统设计_第13张图片

透镜数据编辑窗口（Led）

在这里插入图片描述

编辑菜单（Edit）
zemax光学系统设计_第14张图片
求解（solve）
zemax光学系统设计_第15张图片

评价函数编辑窗口（MFE）

编辑（Edit）
zemax光学系统设计_第16张图片

多重数据结构（MCE）

编辑（Edit）
zemax光学系统设计_第17张图片

公差数据（TDE）

编辑（Edit）
zemax光学系统设计_第18张图片

系统菜单（System）

通用数据General

zemax光学系统设计_第19张图片
光线定位Ray Aiming Type
zemax光学系统设计_第20张图片
孔径参数Aperture
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分析菜单（Analysis）

轮廓图

二维轮廓图（2DL）

zemax光学系统设计_第22张图片

三维轮廓图（3DL）

zemax光学系统设计_第23张图片
阴影图（Shaded Model）
元件图（ZEMAX Element Drawing）
标准原件图（ISO Element Drawing）

特征曲线（Fans）

zemax光学系统设计_第24张图片

光线像差（Ray Aberration）

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点列图（Spot Diagram）

zemax光学系统设计_第26张图片

标准型

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调制传递函数（MTF）

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FFT MTF 计算所有视场位置的衍射调制传递函数
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FFT Through Focus MTF 离焦衍射传递函数
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FFT surface MTF
使用三维曲面 ，轮廓图，灰色比例图或伪彩色图显示MTF数据
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FFT MTFvsfield
以视场位置的函数方式，计算并显示衍射调制传递函数
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FFT MTF Map
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点扩散图（PSF）

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波前（Wavefront）

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波前图（Wavefront Map）
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干涉图（interferogram）
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Foucault 分析（Foucault Analysis）
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均方根（RMS）

zemax光学系统设计_第40张图片
视场函数均方根（RMS field）
zemax光学系统设计_第41张图片

波长函数均方根（RMS wavelength）

离焦量函数均方根（RMS Foucs）

包围园能量（encircled energy）

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衍射法（Diffraction）

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照度（illumination）

怎么没找到

像分析（Image Analysis）

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杂项（Miscellaneous）

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场曲/ 畸变
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工具菜单

基于zemax光学设计实例

单透镜设计

  1. 输入系统参数（入瞳直径，视场，波长范围）
    在这里插入图片描述

  2. 透镜输入编辑（Lens Data Editor）
    zemax光学系统设计_第47张图片

  3. 查看外形轮廓图
    快捷键：ctrl+L
    zemax光学系统设计_第48张图片

  4. 查看像差情况（Ray）
    快捷键：ctrl+R
    zemax光学系统设计_第49张图片

  5. 打开FFT MTF 图形窗口 ，查看像差情况
    快捷键：ctrl+M

  6. 优化：设置像质评价函数
    快捷键：F6
    zemax光学系统设计_第50张图片

  7. 设定参与优化的变量
    快捷键：ctrl+z
    zemax光学系统设计_第51张图片

  8. 优化系统参数
    快捷键：shift+ ctrl+O
    zemax光学系统设计_第52张图片

双胶合透镜设计

三片式照相物镜设计

双高斯照相物镜设计

反射式望远物镜设计

变焦距照相物镜设计

光学系统优化方法

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