Zemax光学设计从基础到实践

本书系统讲解了利用Zemax 2023进行光学设计和仿真分析的各种方法和技巧，主要内容包括光学设计基础、认识Ansys Zemax OpticStudio、初识镜头数据编辑器、光学成像镜头设计、镜头编辑高级操作、光学系统分析、非序列模式设计、几何光学像质评价、物理光学像质评价、光学系统的优化、光学系统公差分析和光学系统设计实例等。本书内容全面实用，循序渐进，实例丰富，且提供全部实例源文件，方便读者上手实践。同时，重点实例配套视频讲解，扫描书中相应的二维码，即可边学边看，学习更加高效。本书非常适合从事光学系统设计、仿真与分析的技术人员自学使用，也可用作高等院校相关专业的教材及参考书。

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目录

第1章 光学设计基础 001

1.1 光学系统基础 002

1.1.1 光学系统中的概念 002

1.1.2 理想光学系统 004

1.1.3 近轴系统 005

1.2 光学设计概述 006

1.2.1 光学设计基本原理 006

1.2.2 光学设计的具体步骤 007

1.2.3 光学设计软件 007

1.3 Ansys Zemax简介 009

1.3.1 Ansys Zemax 软件分类 009

1.3.2 Ansys Zemax的功能 011

1.3.3 启动Ansys Zemax OpticStudio 2023 012

1.3.4 切换语言   013

1.4 Ansys Zemax OpticStudio的帮助系统 014

1.4.1 使用目录和索引查找联机帮助 015

1.4.2 使用命令查找联机帮助 017

1.4.3 使用网络资源 017

1.4.4 帮助工具 018

第2章 认识Ansys Zemax OpticStudio 019

2.1 Ansys Zemax OpticStudio用户界面 020

2.2 编辑器窗口 023

2.2.1 镜头数据编辑器 023

2.2.2 视场数据编辑器 024

2.2.3 窗口操作 027

2.3 文件操作与管理 029

2.3.1 新建项目 029

2.3.2 新建设计 030

2.3.3 打开项目 031

2.3.4 保存文件 032

2.3.5 关闭项目 033

2.3.6 文件存档 033

2.3.7 文件导出 034

2.4 工作环境的设置 036

2.5 系统选项设置 037

2.5.1 设置系统孔径 037

2.5.2 设置视场 040

2.5.3 设置波长 042

2.5.4 设置系统环境 044

2.5.5 设置偏振 044

2.5.6 设置高级选项 045

2.5.7 设置光线瞄准 046

2.5.8 设置材料库 048

2.5.9 设置标题和注解 048

2.5.10 设置文件 049

2.5.11 设置单位 049

2.5.12 设置成本估计 050

2.5.13 设置非序列 051

2.5.14 实例：新建材料库 051

第3章 初识镜头数据编辑器 055

3.1 镜头数据基本操作 056

3.1.1 单元格操作 056

3.1.2 输入数据 057

3.1.3 行列操作 057

3.1.4 切换视图显示 059

3.1.5 输入表面参数 060

3.2 镜头数据设置 061

3.2.1 表面类型设置 061

3.2.2 实例：切换双折射透镜光学系统表面 064

3.2.3 定义表面注释 067

3.2.4 定义曲率半径 067

3.2.5 设置厚度 068

3.2.6 选择材料 074

3.2.7 实例：凸透镜和凹透镜系统 076

3.2.8 膜层设置 082

3.2.9 设置净口径 084

3.2.10 实例：设置凸凹透镜系统表面孔径 085

3.2.11 延伸区设置 086

3.2.12 机械半直径 087

3.2.13 实例：二元面单透镜系统 087

3.2.14 圆锥系数设置 091

3.2.15 TCE设置 092

第4章 光学成像镜头设计 094

4.1 光学成像系统 095

4.1.1 物体成像原理 095

4.1.2 光学透镜 095

4.1.3 光阑 096

4.2 Zemax模型 098

4.2.1 序列模型 098

4.2.2 非序列模型 098

4.3 光线追迹 099

4.3.1 二维布局图 099

4.3.2 三维布局图 103

4.3.3 实例：平行光光学系统设计 104

4.3.4 实例：双折射透镜光学系统 107

4.3.5 实体模型图 110

4.3.6 CAD零件图 112

4.3.7 实例：投影仪光学系统 112

第5章 镜头编辑高级操作 117

5.1 表面参数设置 118

5.1.1 设置绘图属性 118

5.1.2 设置通光孔径 119

5.1.3 实例：设置凸凹透镜系统表面参数 120

5.1.4 设置表面散射类型 122

5.1.5 设置表面倾斜和偏心 124

5.1.6 实例：玻璃透镜系统 126

5.2 坐标间断 128

5.2.1 选择坐标间断面 128

5.2.2 表面旋转偏心 130

5.2.3 转折反射镜 132

5.2.4 实例：反射镜光学系统设计 132

5.3 表面转换设置 134

5.3.1 坐标系转换 134

5.3.2 双通系统 135

5.3.3 实例：玻璃透镜双通系统设计 136

5.3.4 复合表面 136

5.3.5 表面翻转 138

5.3.6 转换TrueFreeForm表面 138

5.3.7 改变焦距 139

5.3.8 实例：镜头组光学系统 139

5.4 多重结构设计 143

5.4.1 多重结构编辑器 143

5.4.2 操作数类型 145

5.4.3 实例：系统孔径多重结构设计 149

5.4.4 热分析 151

5.4.5 共轭分析 152

5.4.6 实例：多重结构共轭分析 152

第6章 光学系统分析 154

6.1 光线追迹分析 155

6.1.1 光线追迹过程 155

6.1.2 单光线追迹 156

6.1.3 光迹图 156

6.1.4 基面数据 158

6.1.5 Y-Ybar 图 159

6.1.6 渐晕图 159

6.1.7 入射角 vs.像高 160

6.1.8 实例：平行光光学系统光线追迹 160

6.2 偏振与表面物理分析 163

6.2.1 偏振分析 163

6.2.2 表面分析 164

6.2.3 实例：不规则面光学系统表面分析 165

6.2.4 膜层分析 168

6.2.5 实例：屏蔽蓝光光学系统分析 169

6.3 材料分析 172

6.3.1 色散图 172

6.3.2 玻璃图 172

6.3.3 无热化玻璃图 173

6.3.4 透过率曲线 173

6.4 输出报告 174

6.4.1 表面数据报告 174

6.4.2 分类数据报告 175

6.4.3 实例：1/4玻板光学系统偏振分析 176

6.5 几何像差分析 178

6.5.1 球差 178

6.5.2 实例：凸凹透镜系统球差分析 179

6.5.3 彗差 179

6.5.4 实例：凸凹透镜系统彗差分析 180

6.5.5 像散 181

6.5.6 实例：凸凹透镜系统像散分析 181

6.5.7 场曲 184

6.5.8 实例：凸凹透镜系统场曲分析 184

6.5.9 畸变 186

6.5.10 色差 186

6.5.11 实例：衍射光栅光学系统色差分析 186

第7章 非序列模式设计 190

7.1 非序列模式 191

7.1.1 非序列元件编辑器 191

7.1.2 布局图显示 193

7.1.3 实例：创建菲涅耳透镜 194

7.2 物体编辑 203

7.2.1 物体编辑器 203

7.2.2 调整物体位置 205

7.2.3 阵列物体 206

7.2.4 实例：阵列透镜 206

7.2.5 合并物体 210

7.2.6 创建多面体 211

7.2.7 实例：创建六角形透镜 212

7.3 物体属性设置 217

7.3.1 “类型”选项卡 217

7.3.2 “绘图”选项卡 218

7.3.3 “光源”选项卡 219

7.3.4 “膜层/散射”选项卡 221

7.3.5 “散射路径”选项卡 222

7.3.6 “体散射”选项卡 222

7.3.7 “折射率”选项卡 222

7.3.8 实例：环形镜头 223

7.4 探测器分析 227

7.4.1 探测器的形状 227

7.4.2 探测器工具 228

7.4.3 探测器查看器 229

7.4.4 实例：GRIN透镜光学系统 229

7.5 非序列光线追迹 236

7.5.1 非序列系统光线追迹方法 236

7.5.2 定义光源模型 237

7.5.3 光线追迹控制 239

7.5.4 Lightning追迹 240

7.5.5 特定光线比对 240

7.5.6 单光线追迹 241

7.5.7 实例：双折射立方体成像系统 242

第8章 几何光学像质评价 249

8.1 几何像差分析 250

8.1.1 光线像差图 250

8.1.2 光程差图 251

8.1.3 光瞳像差图 252

8.1.4 全视场像差图 252

8.1.5 场曲/畸变 253

8.1.6 网格畸变 255

8.1.7 实例：凸凹透镜系统场曲显示 255

8.1.8 轴向像差 256

8.1.9 垂轴色差 257

8.1.10 色焦移 258

8.1.11 实例：衍射光栅光学系统色差显示 258

8.1.12 赛德尔系数 260

8.1.13 塞德尔图 261

8.2 点列图分析 262

8.2.1 标准点列图 262

8.2.2 离焦点列图 265

8.2.3 全视场点列图 265

8.2.4 矩阵点列图 266

8.2.5 实例：凸凹透镜系统点列图分析 267

8.3 波前差分析 268

8.3.1 波前图 268

8.3.2 干涉图 269

8.3.3 实例：凹凸透镜系统球差显示分析 271

8.3.4 傅科分析 273

8.3.5 对比度损失图 274

8.3.6 Zernike系数 276

8.3.7 Zernike系数vs.视场 276

8.3.8 实例：凹凸透镜系统球差定量分析 277

第9章 物理光学像质评价 279

9.1 点扩散函数 280

9.1.1 FFT算法 280

9.1.2 惠更斯算法 283

9.2 MTF分析 284

9.2.1 FFT算法 284

9.2.2 惠更斯算法 287

9.2.3 高斯求积算法 288

9.2.4 实例：偶次非球面光学系统 289

9.3 RMS分析 292

9.3.1 RMS vs.视场 292

9.3.2 二维视场RMS图 293

9.3.3 实例：衍射光栅光学系统RMS分析 294

9.4 能量集中度分析 296

9.4.1 衍射 296

9.4.2 几何 297

9.4.3 几何线/边缘扩散 298

9.4.4 扩展光源 299

9.4.5 实例：双折射透镜光学系统能量集中度分析 299

9.5 图像扩展分析 300

9.5.1 图像模拟 301

9.5.2 几何图像分析 302

9.5.3 几何位图图像分析 304

9.5.4 部分相干图像分析 305

9.5.5 扩展图像分析 306

9.5.6 相对照度分析 307

9.5.7 实例：光学系统图形模拟分析 308

9.6 激光传播 309

9.6.1 物理光学传播分析 309

9.6.2 高斯光束 312

9.6.3 光纤耦合 314

9.6.4 实例：近轴面光学系统全面衍射光学分析 315

第10章 光学系统的优化 317

10.1 光学系统优化设计的过程 318

10.2 手动调整 318

10.2.1 快速聚焦 318

10.2.2 快速调整 319

10.2.3 滑块控件 319

10.2.4 可视化优化器 320

10.2.5 实例：不规则面光学系统手动调整 321

10.3 自动优化 322

10.3.1 评价函数编辑器 322

10.3.2 评价函数操作数 323

10.3.3 优化向导 325

10.3.4 执行优化 327

10.3.5 实例：凹凸透镜系统球差自动优化 328

10.4 全局优化 331

10.4.1 全局优化 332

10.4.2 锤形优化 332

10.4.3 玻璃替换模板 333

10.5 优化工具 333

10.5.1 寻找很好非球面 333

10.5.2 非球面类型转换 334

10.5.3 库存镜头匹配 334

10.5.4 样板匹配 335

10.5.5 样板列表 336

第11章 光学系统公差分析 337

11.1 公差分析概述 338

11.2 公差分析方法 339

11.2.1 公差数据编辑器 339

11.2.2 公差分析向导 340

11.2.3 执行公差分析 342

11.2.4 实例：凹凸透镜系统公差分析 345

11.3 快速公差分析 347

11.3.1 快速灵敏度分析 347

11.3.2 快速良率分析 347

11.3.3 实例：凹凸透镜系统快速公差分析 348

11.4 公差数据可视化 349

11.4.1 公差数据查看器 349

11.4.2 直方图分析 350

11.4.3 良率分析 351

11.5 加工图纸与数据分析 351

11.5.1 ISO元件图 352

11.5.2 Zemax元件制图 352

11.5.3 实例：二元面系统光学加工图 353

第12章 光学系统设计实例 356

12.1 目镜设计 357

12.1.1 定义初始结构 357

12.1.2 球差显示分析 360

12.1.3 球差定量分析 361

12.1.4 系统自动优化 362

12.1.5 图形模拟分析 364

12.2 光纤耦合光学系统设计 365

12.2.1 初始结构设计 366

12.2.2 光纤耦合 371

12.2.3 多重结构设计 371

12.3 奥夫纳中继器光学系统设计 372

12.3.1 定义初始结构 373

12.3.2 系统优化 375

12.3.3 波前数据分析 378

参考文献 380