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。 <'B`b
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U15Hq*8Z 目录 dmE-WS 第1章 光学设计基础 001 5IMh$!/uc 1.1 光学系统基础 002 ^M?uv{354 1.1.1 光学系统中的概念 002 |dXS+R1 1.1.2 理想光学系统 004 jkPXkysm 1.1.3 近轴系统 005 6= 9 1.2 光学设计概述 006 Ye(0'*-jyc 1.2.1 光学设计基本原理 006 Lw!@[;2 1.2.2 光学设计的具体步骤 007 v3aiX 1.2.3 光学设计软件 007 pGsVO5M? 1.3 Ansys Zemax简介 009 v3@)q0@ 1.3.1 Ansys Zemax 软件分类 009 lYy0
1.3.2 Ansys Zemax的功能 011 Iem* 'r 1.3.3 启动Ansys Zemax OpticStudio 2023 012
NU_VUd2 1.3.4 切换语言 013 )EcF[aO 1.4 Ansys Zemax OpticStudio的帮助系统 014 |/r@z[t 1.4.1 使用目录和索引查找联机帮助 015 jP}N^ 1.4.2 使用命令查找联机帮助 017 oA42?I ^ 1.4.3 使用网络资源 017 t$UFR7XE 1.4.4 帮助工具 018 2Jj`7VH> 第2章 认识Ansys Zemax OpticStudio 019 LU%g>?m.] 2.1 Ansys Zemax OpticStudio用户界面 020 VY![VnHsB 2.2 编辑器窗口 023 sY1*WolA 2.2.1 镜头数据编辑器 023 8K1+ttjm 2.2.2 视场数据编辑器 024 0e/~H^,SQ 2.2.3 窗口操作 027 ,cbP yg 2.3 文件操作与管理 029 \3Xt\1qN4 2.3.1 新建项目 029 g\6(ezUF* 2.3.2 新建设计 030 A
7TP1 2.3.3 打开项目 031 r9u*c 2.3.4 保存文件 032 2f~s$I&l# 2.3.5 关闭项目 033 (r7~ccy4 2.3.6 文件存档 033 -8TJ~t%w4 2.3.7 文件导出 034 T`vj6F 2.4 工作环境的设置 036 g=Qj9Z
2.5 系统选项设置 037 1zl@$ Nt 2.5.1 设置系统孔径 037 Rhr]ML 2.5.2 设置视场 040 %Cm4a49FNi 2.5.3 设置波长 042 A}oR,$D- 2.5.4 设置系统环境 044 az19-QIcg 2.5.5 设置偏振 044 0 J ANj 2.5.6 设置高级选项 045 LWIU7dw 2.5.7 设置光线瞄准 046 eJ?SLMLY 2.5.8 设置材料库 048 6:h!gY 2.5.9 设置标题和注解 048 wdp4- * 2.5.10 设置文件 049 &Cdd 2.5.11 设置单位 049 s[Njk@y, 2.5.12 设置成本估计 050 x#pTB. 2.5.13 设置非序列 051 f5`exfdHE 2.5.14 实例:新建材料库 051 $R"~BZbt; 第3章 初识镜头数据编辑器 055 ;,9|;)U?u 3.1 镜头数据基本操作 056 BeplS 3.1.1 单元格操作 056 `cVG_=2 3.1.2 输入数据 057 /~AajLxu3W 3.1.3 行列操作 057 3
vE;s"/ 3.1.4 切换视图显示 059 Yz{UP)TC
3.1.5 输入表面参数 060 ,9q5jOnk 3.2 镜头数据设置 061 z+wBZn{0I 3.2.1 表面类型设置 061 T\2cAW5 3.2.2 实例:切换双折射透镜光学系统表面 064 k.0$~juu 3.2.3 定义表面注释 067 BeP0lZ 3.2.4 定义曲率半径 067 4J_18.JHP 3.2.5 设置厚度 068 |ukEnjI`u 3.2.6 选择材料 074 :a`l_RMU 3.2.7 实例:凸透镜和凹透镜系统 076 Xf$,ra" 3.2.8 膜层设置 082 ~sk 4v:- 3.2.9 设置净口径 084 oBIKtS*L 3.2.10 实例:设置凸凹透镜系统表面孔径 085 c)lMi}/ 3.2.11 延伸区设置 086 u QCQ$ 3.2.12 机械半直径 087 QDSB
<0j 3.2.13 实例:二元面单透镜系统 087 CQ13fu+|6 3.2.14 圆锥系数设置 091 o2Z#
5- 3.2.15 TCE设置 092 L+d_+:w 第4章 光学成像镜头设计 094 t0hg!_$bq 4.1 光学成像系统 095 YZ'gd10T 4.1.1 物体成像原理 095 -S9$C*t 4.1.2 光学透镜 095 B \[ P/AC 4.1.3 光阑 096 V=1Y&y 4.2 Zemax模型 098 et)A$'Q 4.2.1 序列模型 098 {wCQ#V 4.2.2 非序列模型 098 M-0BQs`N 4.3 光线追迹 099 *Q5/d9B8TN 4.3.1 二维布局图 099 7FfzMs[\e 4.3.2 三维布局图 103 |8V+(Vzl 4.3.3 实例:平行光光学系统设计 104 G9^!=
v@ 4.3.4 实例:双折射透镜光学系统 107 $FCLo8/= 4.3.5 实体模型图 110 kjjO<x?&* 4.3.6 CAD零件图 112 VxaJ[s3PQ& 4.3.7 实例:投影仪光学系统 112 oXb}6YC 第5章 镜头编辑高级操作 117 H@MUzV 5.1 表面参数设置 118 =j}]-! 5.1.1 设置绘图属性 118 yg/.=M 5.1.2 设置通光孔径 119 >5)$Qtz# 5.1.3 实例:设置凸凹透镜系统表面参数 120 CA:t](xqQ 5.1.4 设置表面散射类型 122 FRX'"gIR0 5.1.5 设置表面倾斜和偏心 124 ~?S/0]?c 5.1.6 实例:玻璃透镜系统 126 )*$'e<?` 5.2 坐标间断 128 JAc-5e4 5.2.1 选择坐标间断面 128 >L5[dkg% 5.2.2 表面旋转偏心 130 6uR:/PTG 5.2.3 转折反射镜 132 E3sl"d;~ 5.2.4 实例:反射镜光学系统设计 132 IQY\L@" 5.3 表面转换设置 134 p\F*Y,4 5.3.1 坐标系转换 134 T[&1cth 5.3.2 双通系统 135 O,XVA 5.3.3 实例:玻璃透镜双通系统设计 136 7$}lkL 5.3.4 复合表面 136 #t
po@pJsE 5.3.5 表面翻转 138 I`zn#U' 5.3.6 转换TrueFreeForm表面 138 H8rDG/>^ 5.3.7 改变焦距 139 M~p=OM< 5.3.8 实例:镜头组光学系统 139 E*j)gj9 5.4 多重结构设计 143 sDw&U?gUv 5.4.1 多重结构编辑器 143 -=QA{n 5.4.2 操作数类型 145 zc\e$MO 5.4.3 实例:系统孔径多重结构设计 149 !&?(ty^F 5.4.4 热分析 151 y kwS-e 5.4.5 共轭分析 152 eBBqF!WDb 5.4.6 实例:多重结构共轭分析 152 ~ex1,J*}t 第6章 光学系统分析 154 A0
x*feK? 6.1 光线追迹分析 155 0x[v)k9"0 6.1.1 光线追迹过程 155 $hn#T#J3 6.1.2 单光线追迹 156 Ry r2 6.1.3 光迹图 156 \:%e 6M 6.1.4 基面数据 158 ,o*x\jrGw 6.1.5 Y-Ybar 图 159 WEOW6UV( 6.1.6 渐晕图 159 +Ae4LeVzc 6.1.7 入射角 vs.像高 160 <jY"+@rF 6.1.8 实例:平行光光学系统光线追迹 160 #-Ehg4W 6.2 偏振与表面物理分析 163 Yfs60f 6.2.1 偏振分析 163 tNG0ft%a 6.2.2 表面分析 164 }&bO;o&> 6.2.3 实例:不规则面光学系统表面分析 165 q0SYV 6.2.4 膜层分析 168 IBo)fE\O 6.2.5 实例:屏蔽蓝光光学系统分析 169 9)];l?l 6.3 材料分析 172 x9p,j 6.3.1 色散图 172 `og 3P:y 6.3.2 玻璃图 172 q`{crY30 6.3.3 无热化玻璃图 173 }L'BzSU@G 6.3.4 透过率曲线 173 *[9FPya 6.4 输出报告 174 )t0Y-),vA 6.4.1 表面数据报告 174 ;r B2Q H] 6.4.2 分类数据报告 175 dpx P 6.4.3 实例:1/4玻板光学系统偏振分析 176 ,W'`rCxJ 6.5 几何像差分析 178 0 P3^#j 6.5.1 球差 178 i<m 1^a#C' 6.5.2 实例:凸凹透镜系统球差分析 179 1 }%vZE2 6.5.3 彗差 179 pIXbr($ 6.5.4 实例:凸凹透镜系统彗差分析 180 EuOrwmdj 6.5.5 像散 181 h;u8{t" 6.5.6 实例:凸凹透镜系统像散分析 181 -iLp3m<ai 6.5.7 场曲 184 %scSp&X 6.5.8 实例:凸凹透镜系统场曲分析 184 7y""#-}V[r 6.5.9 畸变 186 V\5ZRLawP 6.5.10 色差 186 f!|7j}3 6.5.11 实例:衍射光栅光学系统色差分析 186 Z@4BTA 第7章 非序列模式设计 190 Y`eU WCD 7.1 非序列模式 191 2_'{f1bVxz 7.1.1 非序列元件编辑器 191 z/dpnGX 7.1.2 布局图显示 193 _a|-_p 7.1.3 实例:创建菲涅耳透镜 194 8E`A`z 7.2 物体编辑 203 ]|KOc& y:I 7.2.1 物体编辑器 203 w~{NNK;"j 7.2.2 调整物体位置 205 jNd."[IrO 7.2.3 阵列物体 206 gY9HEfB 7.2.4 实例:阵列透镜 206 ?Imq4I~) 7.2.5 合并物体 210 (,*e\o 7.2.6 创建多面体 211 Lq:
!?)I 7.2.7 实例:创建六角形透镜 212 l|TiUjs 7.3 物体属性设置 217 8vpB(VxV+ 7.3.1 “类型”选项卡 217 !6{; z/Hy 7.3.2 “绘图”选项卡 218 W@Et 7.3.3 “光源”选项卡 219 t@m!k+0 7.3.4 “膜层/散射”选项卡 221 =BW;n]ls 7.3.5 “散射路径”选项卡 222 R~TzZ(Ah] 7.3.6 “体散射”选项卡 222 X`
r~cc 7.3.7 “折射率”选项卡 222 _
`5?/\7 7.3.8 实例:环形镜头 223 Y_'3pX, 7.4 探测器分析 227 y:,Ro@H% 7.4.1 探测器的形状 227 di$\\ Ah 7.4.2 探测器工具 228 :E`/z@I 7.4.3 探测器查看器 229 ' b1k0 9' 7.4.4 实例:GRIN透镜光学系统 229 onqfmQ,3E 7.5 非序列光线追迹 236 moz*=a 7.5.1 非序列系统光线追迹方法 236 ^k{b8-)W< 7.5.2 定义光源模型 237 #2
Gy=GvV 7.5.3 光线追迹控制 239 m/TjXA8_ 7.5.4 Lightning追迹 240 ul@G{N{L 7.5.5 特定光线比对 240 Y]MB/\gj 7.5.6 单光线追迹 241 s9^r[l@W0U 7.5.7 实例:双折射立方体成像系统 242 X$mCn#8m 第8章 几何光学像质评价 249 /<zBjvr%% 8.1 几何像差分析 250 1j4tR#L 8.1.1 光线像差图 250 JO3"$s|t 8.1.2 光程差图 251 P?WS=w*O0 8.1.3 光瞳像差图 252 iwM$U(
9 8.1.4 全视场像差图 252 lJlyfN 8.1.5 场曲/畸变 253 e"g=A=S 8.1.6 网格畸变 255 5 1&||. 8.1.7 实例:凸凹透镜系统场曲显示 255 _TLB1T^/4 8.1.8 轴向像差 256 my1FW,3 8.1.9 垂轴色差 257 *n]f) Jc 8.1.10 色焦移 258 +hiskV@ v 8.1.11 实例:衍射光栅光学系统色差显示 258 ~|CWy 8.1.12 赛德尔系数 260 #^FDG1= 8.1.13 塞德尔图 261 ou V%*<Ki 8.2 点列图分析 262 kxvzAKz~ 8.2.1 标准点列图 262 +q<G%PwbV 8.2.2 离焦点列图 265 ECW=865jL 8.2.3 全视场点列图 265 ^\"@r%| 8.2.4 矩阵点列图 266 >G#SfE$0 8.2.5 实例:凸凹透镜系统点列图分析 267 9szUN;:ZZ 8.3 波前差分析 268 Ij w{g% 8.3.1 波前图 268 zv.R~lMtY 8.3.2 干涉图 269 @}{lp'8FYi 8.3.3 实例:凹凸透镜系统球差显示分析 271 esh7*,7-z* 8.3.4 傅科分析 273 9I1D'7wI^^ 8.3.5 对比度损失图 274 T5<851rH 8.3.6 Zernike系数 276 |^:qJ;dOP 8.3.7 Zernike系数vs.视场 276 -/w#f&Y+]8 8.3.8 实例:凹凸透镜系统球差定量分析 277 F x4s)( 第9章 物理光学像质评价 279 sd
m4zV]& 9.1 点扩散函数 280 azBYh*s=5{ 9.1.1 FFT算法 280 s^\
*jZ6 9.1.2 惠更斯算法 283 Q%T[&A}3B 9.2 MTF分析 284 70Z#Ej 9.2.1 FFT算法 284 uCB>".'kM 9.2.2 惠更斯算法 287 #];b+ T 9.2.3 高斯求积算法 288 }w_r(g?\ 9.2.4 实例:偶次非球面光学系统 289 4-r5C5o,W 9.3 RMS分析 292 a]S0|\BkN 9.3.1 RMS vs.视场 292 kN~:Bh$ 9.3.2 二维视场RMS图 293 ?zP/i(1y 9.3.3 实例:衍射光栅光学系统RMS分析 294 .D8|_B 9.4 能量集中度分析 296 'X%5i2 9.4.1 衍射 296 |d)*,O4s 9.4.2 几何 297 N e<D'- 9.4.3 几何线/边缘扩散 298 14DHU 9.4.4 扩展光源 299 E:$EK_?:t 9.4.5 实例:双折射透镜光学系统能量集中度分析 299 2j =i\ B 9.5 图像扩展分析 300 '$q=r x 9.5.1 图像模拟 301 nDU=B.?E{O 9.5.2 几何图像分析 302 RW4,j&) 9.5.3 几何位图图像分析 304 GZt L- 9.5.4 部分相干图像分析 305 ^!v{
>3 9.5.5 扩展图像分析 306 oE.59dx 9.5.6 相对照度分析 307 })F.Tjf* 9.5.7 实例:光学系统图形模拟分析 308 =F<bAZ 9.6 激光传播 309 =bHS@h8N< 9.6.1 物理光学传播分析 309 YQ-!>3/)- 9.6.2 高斯光束 312 C{<H)?]*BF 9.6.3 光纤耦合 314 jY1^I26E 9.6.4 实例:近轴面光学系统全面衍射光学分析 315 $o%:ST4 第10章 光学系统的优化 317 ks|c'XQb 10.1 光学系统优化设计的过程 318 nl)l:A+q8 10.2 手动调整 318 PP-U. 10.2.1 快速聚焦 318 2{}8_G 10.2.2 快速调整 319 p}e1!q;N 10.2.3 滑块控件 319 ;@<Rh^g] 10.2.4 可视化优化器 320 kMx^L;:n 10.2.5 实例:不规则面光学系统手动调整 321
o|V`/sW{ 10.3 自动优化 322 M 8NWQ^Y 10.3.1 评价函数编辑器 322 F%ffnEJg 10.3.2 评价函数操作数 323 ;.U<Lr^9# 10.3.3 优化向导 325 MHqk-4Mz 10.3.4 执行优化 327 qokCVI-\ 10.3.5 实例:凹凸透镜系统球差自动优化 328 |>zYUT[V 10.4 全局优化 331 /6{P
?)]pE 10.4.1 全局优化 332 93VbB[w~7F 10.4.2 锤形优化 332 uA[c$tBe 10.4.3 玻璃替换模板 333 l.Q.G<ol 10.5 优化工具 333 <8iu :nR 10.5.1 寻找很好非球面 333 5q,ZH6\
{ 10.5.2 非球面类型转换 334 $)#?4v< 10.5.3 库存镜头匹配 334 7!g"q\s 10.5.4 样板匹配 335 -T=sY/O 10.5.5 样板列表 336 .%G>z"Xx 第11章 光学系统公差分析 337 .LI(2lP 11.1 公差分析概述 338 q}|_]R_y 11.2 公差分析方法 339 5ktFL<^5T 11.2.1 公差数据编辑器 339 q|ZzGEj:OV 11.2.2 公差分析向导 340 (yK@(euG 11.2.3 执行公差分析 342 U
ATF}x
11.2.4 实例:凹凸透镜系统公差分析 345 k?;@5r) y- 11.3 快速公差分析 347 @%"r69\ 11.3.1 快速灵敏度分析 347 {!&^VXZIT 11.3.2 快速良率分析 347 "t)$4gERK 11.3.3 实例:凹凸透镜系统快速公差分析 348 AL{iQxQ6 11.4 公差数据可视化 349 \C<'2KZR, 11.4.1 公差数据查看器 349 u?rs6A[h# 11.4.2 直方图分析 350 0[ZB ^ 11.4.3 良率分析 351 *X /i< 11.5 加工图纸与数据分析 351 |)*9BN 11.5.1 ISO元件图 352 =p2: qSV 11.5.2 Zemax元件制图 352 5p]V/<r 11.5.3 实例:二元面系统光学加工图 353 Aa+<4
R 第12章 光学系统设计实例 356 ]^53Qbrv 12.1 目镜设计 357 8o i{%C&- 12.1.1 定义初始结构 357 LeV";=_n 12.1.2 球差显示分析 360 @TJ2
|_s6] 12.1.3 球差定量分析 361 6~OJB! 12.1.4 系统自动优化 362 }R!t/8K 12.1.5 图形模拟分析 364 aTwBRm 12.2 光纤耦合光学系统设计 365 /'a\$G"%6 12.2.1 初始结构设计 366 7.kgQ"?&
12.2.2 光纤耦合 371 gsYQ"/S9 12.2.3 多重结构设计 371 ^'p!#\T;H 12.3 奥夫纳中继器光学系统设计 372 WD@v<Wx) 12.3.1 定义初始结构 373 (#BOcx5J] 12.3.2 系统优化 375 &$heW, 12.3.3 波前数据分析 378 w>e+UW25Y 参考文献 380 LP'~7FG
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