Zemax中文版光學設計從入門到精通

本書以Zemax 2020作為軟件平臺，詳細講解了Zemax在光學設計中的使用方法與技巧，旨在幫助讀者盡快掌握Zemax這一光學設計工具。

本書結合作者多年的光學設計經驗，通過豐富的工程實例將Zemax的使用方法詳細介紹給讀者。全書共10章，分為兩部分，第一部分（第1～6章）主要講解Zemax的基礎知識，包括用戶界面和系統選項設置、光學像差理論和成像質量評價、光學系統優化、系統公差分析、非序列模式下的光系統設計等；第二部分（第7～10章）講解利用Zemax進行各種透鏡和目鏡的基本設計方法，並對顯微鏡、望遠鏡等目視光學系統的設計進行了深入的講解，幫助讀者盡快掌握利用Zemax進行光學設計的方法。

本書註重基礎，內容翔實，突出實例講解，既可以作為光學設計人員、科研人員等相關專業人士的工具書，也可以作為相關專業高年級本科生、研究生的學習參考書。

追光者，毕业于北京航空航天大学，研究生学历，现就职于中国科学院某研究所，长期从事系统总体设计，擅长光学设计、光机设计、精密仪器设计。熟练掌握相关工程分析软件，从事光学设计及仿真计算工作近二十年。精通 Zemax、CodeV、LightTools、Ansys 等工程分析软件。

第 一部分 Zemax基礎知識

第 1章　初識Zemax　3

1.1 Zemax概述　3

1.1.1 OpticStudio　3

1.1.2 OpticsBuilder　4

1.1.3 OpticsViewer　4

1.2 基本操作及工作界面　5

1.2.1 啟動Zemax　5

1.2.2 退出Zemax　5

1.2.3 Zemax主界面　5

1.2.4 窗口類型　7

1.2.5 Zemax常用操作快捷鍵　10

1.3 功能區　11

1.3.1 “文件”選項卡　11

1.3.2 “設置”選項卡　12

1.3.3 “分析”選項卡　13

1.3.4 “優化”選項卡　14

1.3.5 “公差”選項卡　15

1.3.6 “數據庫”選項卡　15

1.3.7 “零件設計”選項卡　16

1.3.8 “編程”選項卡　16

1.3.9 “幫助”選項卡　16

1.4 系統選項設置　17

1.4.1 系統孔徑　17

1.4.2 視場　19

1.4.3 環境　21

1.4.4 波長　22

1.4.5 偏振　23

1.4.6 高級　24

1.4.7 光線瞄準　26

1.4.8 材料庫　28

1.4.9 非序列　28

1.4.10 標題/註解　30

1.4.11 文件　30

1.4.12 單位　31

1.4.13 成本估計　32

1.5 鏡頭數據編輯器　32

1.5.1 編輯器概述　32

1.5.2 插入/刪除錶面數據　33

1.5.3 鏡頭數據設置　34

1.5.4 序列錶面類型　36

1.5.5 錶面屬性　40

1.5.6 通光孔徑的確定　43

1.6 Zemax模式介紹　47

1.7 本章小結　48

第 2章　光學系統的分析與評價　49

2.1 外形圖　49

2.1.1 2D視圖　49

2.1.2 三維佈局圖　50

2.1.3 實體模型　51

2.1.4 Zemax元件制圖　51

2.1.5 ISO元件制圖　53

2.2 成像質量分析　54

2.2.1 光線跡點　54

2.2.2 像差分析　60

2.2.3 波前分析　65

2.2.4 點擴散函數　70

2.2.5 MTF曲線　72

2.2.6 均方根（RMS）　76

2.2.7 圈入能量　78

2.2.8 擴展圖像分析　79

2.3 偏振與錶面物理分析　80

2.3.1 偏振　80

2.3.2 錶面　84

2.3.3 膜層　84

2.4 材料分析　86

2.4.1 色散圖　86

2.4.2 玻璃圖　87

2.4.3 無熱化玻璃圖　87

2.4.4 內部透過率vs.波長　88

2.4.5 色散vs.波長　88

2.4.6 GRIN剖面　89

2.5 其他分析　89

2.5.1 激光與光纖　89

2.5.2 通用繪圖工具　92

2.5.3 雜散光分析　92

2.5.4 雙目鏡分析　93

2.6 本章小結　94

第3章 初級像差理論與像差校正　95

3.1 初級像差理論　95

3.1.1 厚透鏡初級像差　95

3.1.2 薄透鏡初級像差　96

3.1.3 像差校正與平衡　97

3.2 像差及其校正　97

3.2.1 球差　97

3.2.2 彗差　106

3.2.3 像散　110

3.2.4 場曲　115

3.2.5 畸變　124

3.2.6 色差　127

3.3 本章小結　134

第4章 Zemax的優化與評價功能　135

4.1 優化方法　135

4.1.1 優化方法選擇　135

4.1.2 手動調整　136

4.1.3 自動優化　137

4.1.4 全局優化　140

4.1.5 優化應用示例　143

4.2 評價函數　150

4.2.1 優化術語　150

4.2.2 評價函數方程　151

4.2.3 波前優化　154

4.2.4 點列圖優化　156

4.2.5 角向優化　157

4.3 多重結構　160

4.3.1 元件變化模擬　161

4.3.2 顯示衍射級次　165

4.3.3 分光板模擬　167

4.4 坐標間斷　173

4.4.1 Zemax坐標系　173

4.4.2 自帶坐標間斷　174

4.4.3 坐標間斷面　175

4.4.4 旋轉角度優化示例　175

4.5 本章小結　179

第5章 公差分析　180

5.1 公差　180

5.1.1 公差分析概述　180

5.1.2 公差分析向導　181

5.1.3 公差操作數　183

5.1.4 公差控制操作數　184

5.2 公差分析法則　185

5.2.1 靈敏度分析　185

5.2.2 反靈敏度分析　186

5.2.3 蒙特卡羅分析　187

5.3 公差分析過程　190

5.3.1 公差分析步驟　190

5.3.2 執行公差分析　190

5.3.3 雙透鏡的公差分析　194

5.4 本章小結　202

第6章 非序列模式設計　204

6.1 切換到非序列模式　204

6.1.1 啟動非序列模式　204

6.1.2 序列和非序列模式的 區別　205

6.2 非序列模型介紹　205

6.2.1 模型類別　206

6.2.2 面元反射鏡　206

6.2.3 光源分佈　208

6.2.4 棱鏡　210

6.2.5 光線分束　212

6.2.6 散射　213

6.2.7 衍射光學元件　217

6.2.8 相乾模擬　218

6.2.9 復雜幾何物體創建　220

6.2.10 吸收分析　221

6.3 創建非序列光學系統　223

6.3.1 建立基本系統特性　224

6.3.2 創建反射鏡　224

6.3.3 光源建模　226

6.3.4 旋轉光源　227

6.3.5 放置探測器　228

6.3.6 跟蹤分析光線探測器　229

6.3.7 增加凸透鏡　231

6.3.8 光線跟蹤分析和偏振損耗　233

6.3.9 增加矩形ADAT光纖　234

6.3.10 使用跟隨解定位探 測器　236

6.3.11 光線追跡整個系統　238

6.4 將序列面改成非序列物體　239

6.4.1 轉變NSC的工具　239

6.4.2 初始結構　240

6.4.3 間接轉換方式　241

6.4.4 直接轉換方式　243

6.4.5 插入非序列光源　244

6.4.6 插入探測器物體　245

6.5 混合模式系統模擬　249

6.5.1 序列/非序列模式　249

6.5.2 建立非序列組件　251

6.5.3 定義多焦透鏡　253

6.5.4 帶狀優化　256

6.5.5 目標局部　257

6.5.6 優化分析　258

6.5.7 優化結果　260

6.6 本章小結　261

第二部分 Zemax的應用

第7章 基礎設計示例　265

7.1 單透鏡設計　265

7.1.1 單透鏡系統參數　265

7.1.2 單透鏡初始結構　268

7.1.3 單透鏡的變量與優化目標　270

7.1.4 單透鏡優化結果分析與改進設計　272

7.2 雙膠合消色差透鏡設計　277

7.2.1 規格參數及系統參數輸入　277

7.2.2 雙膠合透鏡初始結構　279

7.2.3 設置變量及評價函數　280

7.2.4 優化及像質評價　282

7.2.5 玻璃優化—校正色差　285

7.3 牛頓望遠鏡設計　287

7.3.1 牛頓望遠鏡來源簡介及設計規格　288

7.3.2 牛頓望遠鏡初始結構　289

7.3.3 添加反射鏡及遮攔孔徑　291

7.3.4 修改反射鏡以提高MTF　296

7.4 變焦鏡頭設計　299

7.4.1 變焦鏡頭設計原理介紹　299

7.4.2 變焦鏡頭設計規格及參數輸入　299

7.4.3 多重結構實現變焦　301

7.4.4 變焦鏡頭的優化設置　303

7.5 掃描系統設計　308

7.5.1 掃描系統參數　308

7.5.2 多重結構下的掃描角度設置　312

7.6 本章小結　316

第8章 目鏡設計　317

8.1 常見目鏡設計　317

8.1.1 惠更斯目鏡　317

8.1.2 冉斯登目鏡　319

8.1.3 凱爾納目鏡　320

8.1.4 RKE目鏡　322

8.1.5 消畸變目鏡　324

8.1.6 對稱式目鏡　325

8.1.7 埃爾弗目鏡　326

8.1.8 西德莫爾目鏡　328

8.1.9 RKE廣角目鏡　329

8.2 人眼光學系統的創建　330

8.2.1 眼睛模型　331

8.2.2 創建人眼模型結構　331

8.3 目鏡調焦　336

8.3.1 創建目鏡　336

8.3.2 光線瞄準　339

8.3.3 添加人眼模型　339

8.3.4 設計結果　340

8.4 本章小結　341

第9章 顯微鏡設計　342

9.1 技術指標　342

9.1.1 基本系統技術要求　342

9.1.2 分辨率目標和極限　342

9.2 10倍顯微鏡設計　343

9.2.1 顯微鏡設計分析　343

9.2.2 顯微鏡設計　343

9.3 高倍顯微鏡設計　351

9.3.1 翻轉鏡頭組　351

9.3.2 選擇目鏡　353

9.3.3 物鏡與目鏡的連接　354

9.4 本章小結　355

第 10章 望遠鏡設計　356

10.1 天文望遠物鏡　356

10.1.1 初始鏡頭數據　356

10.1.2 系統參數設置　357

10.1.3 評價函數設置及優化　358

10.1.4 查看結果　359

10.1.5 加入空氣間隔　360

10.1.6 最終設計結果　361

10.2 地上望遠鏡　363

10.2.1 調整焦距及系統參數　363

10.2.2 評價函數設置及優化　365

10.2.3 查看優化結果　366

10.2.4 加入轉像棱鏡及透鏡　367

10.2.5 進一步優化　367

10.2.6 最終設計結果　369

10.3 本章小結　370