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。 :uM2cc^
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B35zmFX|}N 目录 `c
3IS5 第1章 光学设计基础 001 .ZSG nbJ 1.1 光学系统基础 002 3/sKRU 1.1.1 光学系统中的概念 002 |||uTfrJ 1.1.2 理想光学系统 004 p#vZYwe=L 1.1.3 近轴系统 005 a`}b'X: 1.2 光学设计概述 006 99Xbp P55 1.2.1 光学设计基本原理 006 i!zh9,i>M 1.2.2 光学设计的具体步骤 007 \EH:FM}l, 1.2.3 光学设计软件 007 z-(#Mlq:! 1.3 Ansys Zemax简介 009 RusC5\BUX 1.3.1 Ansys Zemax 软件分类 009 }gw
`,i 1.3.2 Ansys Zemax的功能 011 BKoc;20; 1.3.3 启动Ansys Zemax OpticStudio 2023 012 q|PB[*T 1.3.4 切换语言 013 rCcNu 1.4 Ansys Zemax OpticStudio的帮助系统 014 xl5n(~g)p 1.4.1 使用目录和索引查找联机帮助 015 >`rK=?12< 1.4.2 使用命令查找联机帮助 017 p%304oP6 1.4.3 使用网络资源 017 wn*z* 1.4.4 帮助工具 018 )k5lA=(Yr+ 第2章 认识Ansys Zemax OpticStudio 019 u7|{~D&f 2.1 Ansys Zemax OpticStudio用户界面 020 ejj|l
2.2 编辑器窗口 023 c"aiZ(aP 2.2.1 镜头数据编辑器 023 |xI\)VE^ 2.2.2 视场数据编辑器 024 JL~QE-pvD 2.2.3 窗口操作 027 \ iL&Aq}BO 2.3 文件操作与管理 029 mT57NP 2.3.1 新建项目 029 jE)&`yZ5 2.3.2 新建设计 030 D
.3Q0a6 2.3.3 打开项目 031 B`Q.<Lqu 2.3.4 保存文件 032 %
'>S9Ja3 2.3.5 关闭项目 033 zUn>
)#ZC 2.3.6 文件存档 033 rI&GM
| 2.3.7 文件导出 034 .%+`e 2.4 工作环境的设置 036 cmDskQ: 2.5 系统选项设置 037 *[*E|by 2.5.1 设置系统孔径 037 S=O/W(ZB 2.5.2 设置视场 040 &]~z-0`$! 2.5.3 设置波长 042 LV:oNK( 2.5.4 设置系统环境 044 .vRLK 2.5.5 设置偏振 044 4QWDuLu 2.5.6 设置高级选项 045 02X ~' To" 2.5.7 设置光线瞄准 046 Cna@3)_ 2.5.8 设置材料库 048 L1u
2.5.9 设置标题和注解 048 ~p~8T 2.5.10 设置文件 049 L K9vvQz 2.5.11 设置单位 049 qs6yEuh# 2.5.12 设置成本估计 050 5YIiO7@4 2.5.13 设置非序列 051 'l\V{0;mp 2.5.14 实例:新建材料库 051 woZ'T 第3章 初识镜头数据编辑器 055
/U<-N'| 3.1 镜头数据基本操作 056 LGT\1u 3.1.1 单元格操作 056 Tgp}k%R~ 3.1.2 输入数据 057 /_rAy 3.1.3 行列操作 057 '#<?QE!d2 3.1.4 切换视图显示 059 IS7g{:}=p 3.1.5 输入表面参数 060 q`09 3.2 镜头数据设置 061 k]x64hgm 3.2.1 表面类型设置 061 !TY4C`/ 3.2.2 实例:切换双折射透镜光学系统表面 064 ~Dr/+h:^\ 3.2.3 定义表面注释 067 "ffwh 3.2.4 定义曲率半径 067 (c(c MC' 3.2.5 设置厚度 068 ZZTPAmIr 3.2.6 选择材料 074 +SM $# 3.2.7 实例:凸透镜和凹透镜系统 076 b@N|sXt&C 3.2.8 膜层设置 082 u*[,W-R& 3.2.9 设置净口径 084 wd*i~A3+? 3.2.10 实例:设置凸凹透镜系统表面孔径 085 T4T_32`XR 3.2.11 延伸区设置 086 U;Hu:q* 3.2.12 机械半直径 087 HKP\`KBCj 3.2.13 实例:二元面单透镜系统 087 Js qze'BGY 3.2.14 圆锥系数设置 091 2uw%0r3Vi6 3.2.15 TCE设置 092 @{.rDz 第4章 光学成像镜头设计 094 BW:&AP@B 4.1 光学成像系统 095 \~xsBPX+x 4.1.1 物体成像原理 095 /exV6D r 4.1.2 光学透镜 095 uf`o\wqU 4.1.3 光阑 096 8_f0P8R!y 4.2 Zemax模型 098 -w 2!k 4.2.1 序列模型 098 133lIX+(k 4.2.2 非序列模型 098 (|ga#%iI 4.3 光线追迹 099 }*$-rieg 4.3.1 二维布局图 099 2U>1-p&dn 4.3.2 三维布局图 103 3z:
rUhA 4.3.3 实例:平行光光学系统设计 104 IJq$GR 4.3.4 实例:双折射透镜光学系统 107 [x!T<jJ 4.3.5 实体模型图 110 u4$d#0sA 4.3.6 CAD零件图 112 O<f_-n@G| 4.3.7 实例:投影仪光学系统 112 M O* m@ 第5章 镜头编辑高级操作 117 6luCi$bL 5.1 表面参数设置 118 "eI-Y`O, 5.1.1 设置绘图属性 118 hr@KWE` 5.1.2 设置通光孔径 119 :<ujk 5.1.3 实例:设置凸凹透镜系统表面参数 120 _@sqCf%| 5.1.4 设置表面散射类型 122 D8h?s 5.1.5 设置表面倾斜和偏心 124 3w{4G<I 5.1.6 实例:玻璃透镜系统 126 8c+i+gp! 5.2 坐标间断 128 *|$s0ga C 5.2.1 选择坐标间断面 128 2b1LC!'U 5.2.2 表面旋转偏心 130 ;^}cZ 5.2.3 转折反射镜 132 *v:+AE 5.2.4 实例:反射镜光学系统设计 132 oX3Q9) 5.3 表面转换设置 134 jY>KF'y 5.3.1 坐标系转换 134 g_>)Q 5.3.2 双通系统 135 peGXU/5.I 5.3.3 实例:玻璃透镜双通系统设计 136 ZH_ J+ 5.3.4 复合表面 136 z2!NBOv 5.3.5 表面翻转 138 .XLe\y 5.3.6 转换TrueFreeForm表面 138 }'kk}2ej` 5.3.7 改变焦距 139 #k)G1Y[c 5.3.8 实例:镜头组光学系统 139
Js^ADUy 5.4 多重结构设计 143 )^%,\l-! 5.4.1 多重结构编辑器 143 Jd1eOeS 5.4.2 操作数类型 145 JEY%(UR8 5.4.3 实例:系统孔径多重结构设计 149 3dadeu^{A 5.4.4 热分析 151 z(1h ^.
5.4.5 共轭分析 152 ~<v`&Gm?" 5.4.6 实例:多重结构共轭分析 152 f(D?g 第6章 光学系统分析 154 M P0ww$( 6.1 光线追迹分析 155 ?Dd2k%o 6.1.1 光线追迹过程 155
.j7|;Ag 6.1.2 单光线追迹 156 3h0w8(k; 6.1.3 光迹图 156 56?U4wj7{ 6.1.4 基面数据 158 @H&Aj.. 6.1.5 Y-Ybar 图 159 [p4a\Qg0 6.1.6 渐晕图 159 Y0|~]J(B 6.1.7 入射角 vs.像高 160 %<1fj#X8 6.1.8 实例:平行光光学系统光线追迹 160 s_`wLQ7e 6.2 偏振与表面物理分析 163 + 6r@HK`,t 6.2.1 偏振分析 163 EF)kYz!@ 6.2.2 表面分析 164 pPQ]#v 6.2.3 实例:不规则面光学系统表面分析 165 woR((K] #G 6.2.4 膜层分析 168 oH6(Lq'q 6.2.5 实例:屏蔽蓝光光学系统分析 169 (nBJ,v) 6.3 材料分析 172 .fo.mC@a 6.3.1 色散图 172 .vpQ3m> 6.3.2 玻璃图 172 'kW`62AX 6.3.3 无热化玻璃图 173 zb9d{e 6.3.4 透过率曲线 173 G-"#3{~2 6.4 输出报告 174 ?0'bf y] 6.4.1 表面数据报告 174 fM
S- 6.4.2 分类数据报告 175 A.WJ#1i}E 6.4.3 实例:1/4玻板光学系统偏振分析 176 9Eg'=YJ 6.5 几何像差分析 178 8VMq>- 6.5.1 球差 178 y"@~5e477$ 6.5.2 实例:凸凹透镜系统球差分析 179 Q.\+
XR_| 6.5.3 彗差 179 ;C{2*0"H| 6.5.4 实例:凸凹透镜系统彗差分析 180 <YJU?G:@ 6.5.5 像散 181 ) 3YE$, 6.5.6 实例:凸凹透镜系统像散分析 181 hC6$>tl 6.5.7 场曲 184 LgUaX 6.5.8 实例:凸凹透镜系统场曲分析 184 +hXph 6.5.9 畸变 186 hCr7%` 6.5.10 色差 186 [gv2fqpP 6.5.11 实例:衍射光栅光学系统色差分析 186 xO?~@5 第7章 非序列模式设计 190 Ap}:^k5{ 7.1 非序列模式 191 PFEi=}Y@(( 7.1.1 非序列元件编辑器 191 mi97$Cr2 7.1.2 布局图显示 193 |dX#4Mq^, 7.1.3 实例:创建菲涅耳透镜 194 $)7-wCl</ 7.2 物体编辑 203 Atfon&^
7.2.1 物体编辑器 203 ^{~y+1lt' 7.2.2 调整物体位置 205 AFMAgf{bD 7.2.3 阵列物体 206 GueqpEd2 7.2.4 实例:阵列透镜 206 ]4z?sk@ 7.2.5 合并物体 210 )QI]b4[ 7.2.6 创建多面体 211 uv_*E`pN~ 7.2.7 实例:创建六角形透镜 212 y\x!Be;6Z. 7.3 物体属性设置 217 NaVZ) 7.3.1 “类型”选项卡 217 5,?9#n\E, 7.3.2 “绘图”选项卡 218 ^8V]g1]fiG 7.3.3 “光源”选项卡 219 N@j|I* y| 7.3.4 “膜层/散射”选项卡 221 Q'Q+mt8u5 7.3.5 “散射路径”选项卡 222 (V e[FhA 7.3.6 “体散射”选项卡 222 /3+7a\|mKr 7.3.7 “折射率”选项卡 222 w
#1l)+ 7.3.8 实例:环形镜头 223 6"A|)fz 7.4 探测器分析 227 dAAE2}e 7.4.1 探测器的形状 227 dnNc,l&g 7.4.2 探测器工具 228 :Z=A,G 7.4.3 探测器查看器 229 y@_4OkR@ 7.4.4 实例:GRIN透镜光学系统 229 WfO6Fvx% 7.5 非序列光线追迹 236 pOS.`rSK 7.5.1 非序列系统光线追迹方法 236 @@# G. 7.5.2 定义光源模型 237 z
^a,7}4 7.5.3 光线追迹控制 239 oPWvZI(\& 7.5.4 Lightning追迹 240 urog.Q 7.5.5 特定光线比对 240
tb@/E 7.5.6 单光线追迹 241 $fC= v 7.5.7 实例:双折射立方体成像系统 242 *AxKV5[H 第8章 几何光学像质评价 249
},[j+wx 8.1 几何像差分析 250 XM8C{I1 8.1.1 光线像差图 250 im1]:kr7 8.1.2 光程差图 251 pV>/"K 8.1.3 光瞳像差图 252 ?}lCS7& 8.1.4 全视场像差图 252 O[`n{Vl/ 8.1.5 场曲/畸变 253 P5aHLNit 8.1.6 网格畸变 255 uMqo)J@s 8.1.7 实例:凸凹透镜系统场曲显示 255 <'B`b 8.1.8 轴向像差 256 k`TEA?RfQ 8.1.9 垂轴色差 257 dks0 8.1.10 色焦移 258 pK$^@~DE 8.1.11 实例:衍射光栅光学系统色差显示 258 0 ]NsT0M 8.1.12 赛德尔系数 260 W:0@m^r 8.1.13 塞德尔图 261 YHeB<v 8.2 点列图分析 262 KN+*_L- 8.2.1 标准点列图 262 y< 146 8.2.2 离焦点列图 265 ulVHsWg 8.2.3 全视场点列图 265 *(r85lEou) 8.2.4 矩阵点列图 266 M)3h 4yQ 8.2.5 实例:凸凹透镜系统点列图分析 267 TWxMexiW 8.3 波前差分析 268 Wxp^*._q3I 8.3.1 波前图 268 <cWo]T`X! 8.3.2 干涉图 269 >#>YoA@S 8.3.3 实例:凹凸透镜系统球差显示分析 271 nre8 F 8.3.4 傅科分析 273 9prG@ 8.3.5 对比度损失图 274 J.O;c5wL 8.3.6 Zernike系数 276 1` 9/[2z 8.3.7 Zernike系数vs.视场 276 rU'&o) a^ 8.3.8 实例:凹凸透镜系统球差定量分析 277 "pHQ 第9章 物理光学像质评价 279 ?|8H$1 9.1 点扩散函数 280 w@oq.K 9.1.1 FFT算法 280 6NZf!7,B 9.1.2 惠更斯算法 283 &O!d!Pf 9.2 MTF分析 284 %*r Pd>* 9.2.1 FFT算法 284 VSP[G ,J. 9.2.2 惠更斯算法 287 6|9];) 9.2.3 高斯求积算法 288 rg\|-_.es' 9.2.4 实例:偶次非球面光学系统 289 vmmu[v 9.3 RMS分析 292 b!UT<:o 9.3.1 RMS vs.视场 292 E>7%/TIl 9.3.2 二维视场RMS图 293 9`vse>,-hg 9.3.3 实例:衍射光栅光学系统RMS分析 294 Q>z0?%B 9.4 能量集中度分析 296 5Pv>`E2^ 9.4.1 衍射 296 n}._Nb
5 9.4.2 几何 297 ^(6.P)$ 9.4.3 几何线/边缘扩散 298 7GPBn}{W 9.4.4 扩展光源 299 P3N
f< 9.4.5 实例:双折射透镜光学系统能量集中度分析 299 r4_ c~\jH 9.5 图像扩展分析 300 57r\s8 9.5.1 图像模拟 301 3EzI~Zsx 9.5.2 几何图像分析 302 1M<'^(t3d 9.5.3 几何位图图像分析 304 [%3{mAd 9.5.4 部分相干图像分析 305 E7j]"\~ i 9.5.5 扩展图像分析 306 .>H7i`1D` 9.5.6 相对照度分析 307 >0~y"~M 9.5.7 实例:光学系统图形模拟分析 308 ;Hm\?n)a 9.6 激光传播 309 a:P%
r 9.6.1 物理光学传播分析 309 u/hD9g~H7K 9.6.2 高斯光束 312 s[Njk@y, 9.6.3 光纤耦合 314 1FY^_dvH 9.6.4 实例:近轴面光学系统全面衍射光学分析 315 i@d!g"tot 第10章 光学系统的优化 317 KXR 10.1 光学系统优化设计的过程 318 g:OVAA 10.2 手动调整 318 BeplS 10.2.1 快速聚焦 318 !m^WtF 10.2.2 快速调整 319 /~AajLxu3W 10.2.3 滑块控件 319 3
vE;s"/ 10.2.4 可视化优化器 320 znu?x|mV 10.2.5 实例:不规则面光学系统手动调整 321 WI~';dK2] 10.3 自动优化 322 m2\ZnC 10.3.1 评价函数编辑器 322 33
N5> } 10.3.2 评价函数操作数 323 a*vi&$@`Z1 10.3.3 优化向导 325 -<CBxyZa& 10.3.4 执行优化 327 ?K}/b[[0v 10.3.5 实例:凹凸透镜系统球差自动优化 328 Z/a]oR@ 10.4 全局优化 331 )8P<ZtEU
10.4.1 全局优化 332 YMm Fpy 10.4.2 锤形优化 332 9/Q5(P 10.4.3 玻璃替换模板 333 aIJ[K 10.5 优化工具 333 !&! sn"yD 10.5.1 寻找很好非球面 333 ]Ub?Wo7F? 10.5.2 非球面类型转换 334 O^`Y>>a 10.5.3 库存镜头匹配 334 n {^D_S 10.5.4 样板匹配 335 -LQ%)'J ZN 10.5.5 样板列表 336 Z=wLNm H 第11章 光学系统公差分析 337 +}*]9nG 11.1 公差分析概述 338 :@kSDy+*Q 11.2 公差分析方法 339 MbjH\XRB 11.2.1 公差数据编辑器 339 G?YKm1:w 11.2.2 公差分析向导 340 D(L%fK` + 11.2.3 执行公差分析 342 c 8E& 11.2.4 实例:凹凸透镜系统公差分析 345 My=p>{s 11.3 快速公差分析 347 8Gs{Zfp!D 11.3.1 快速灵敏度分析 347 ? NVN&zD] 11.3.2 快速良率分析 347 Ue~M.LZb 11.3.3 实例:凹凸透镜系统快速公差分析 348 Rz%+E0 11.4 公差数据可视化 349 z)Bc91A 11.4.1 公差数据查看器 349 _H@S(!
11.4.2 直方图分析 350 C3WqUf<8`{ 11.4.3 良率分析 351 +ZXk0sP_< 11.5 加工图纸与数据分析 351 6Pd;I,k 11.5.1 ISO元件图 352 Z\`uI+` 11.5.2 Zemax元件制图 352 K]Ed-Tz8QZ 11.5.3 实例:二元面系统光学加工图 353 d94Lc-kq^ 第12章 光学系统设计实例 356 r@k&1*& 12.1 目镜设计 357 |P~TZ 12.1.1 定义初始结构 357 M(SH3~ 12.1.2 球差显示分析 360 c1!h;(& 12.1.3 球差定量分析 361 -pyTzC$HO 12.1.4 系统自动优化 362 ={8ClUV# 12.1.5 图形模拟分析 364 r1$
O<3\ 12.2 光纤耦合光学系统设计 365 :C>slxY 12.2.1 初始结构设计 366 'TezUBRAz 12.2.2 光纤耦合 371 *7DQ#bD 12.2.3 多重结构设计 371 f~8Xue,l" 12.3 奥夫纳中继器光学系统设计 372 ob-z-iDz 12.3.1 定义初始结构 373 :/d#U:I 12.3.2 系统优化 375 B-'Xk{ 12.3.3 波前数据分析 378
g$9Yfu 参考文献 380 @
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