——光学系统如何与指定的设计目标相符的数字代表。
☆ ☆ ☆ 评价函数的建立是光学设计初学者的难点之一。
✓Zemax提供了缺省的评价函数，也可自定义评 价函数。
✓内建的操作符（285种）。
Zemax优化设计所用的内建操作符分布
种类
数量 种类
数量
高斯光学参数 16
像差传递控制操作符 37
光学传递函数 9
7. 光学系统设计举例
通过以下两个例子，你将学会，启用ZEMAX，如 何键入wavelength、Lens data，产生ray fan，spot diagrams，定义thickness solve以及variables，执行 简单光学设计最佳化。
➢ 单透镜系统设计
设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7镜片来作。
3. 光学设计者应具备的知识与能力
➢ 光学基础知识 ➢ 数学功底 ➢ 空间想象能力 ➢ 计算机编程 ➢ 丰富的经验
4. 光学设计的工具
——Ray tracing is unquestionably one of the designer’s chief tools.
Today there are elaborate computer programs for “automatically” designing and analyzing the performance of all sorts of complicated optical systems.
圆内能量
2
透镜边界条件 50
光学面8个参数控制 24＝3×8
Extra data
3
光学材料控制
10
光线数据
44
光学件全局坐标控制 6
数学运算操作符 20
多重结构
5
其它
59
总计
285
➢ Zemax实现像差设计的几个问题 ✓ 缺省评价函数和现有像差控制符的局限性
——缺省评价函数由点列图和波像差构成，用于优化像平 面或具有固定面型的像面上的成像质量，不能完成任意独 立几何像差的控制。
8. 常见像差控制在评价函数中的实现
➢球差和色差
轴上物点的球差、色差、高级球差和色球差都是跟孔径有 关的像差，控制操作符的建立都源于球差的概念。
球差 Long.SA Lat.SA
tg
如果知道某孔径光线在象面的交点高度 Lat.SA ，该孔径
光线在像方的孔径角为 ，就能计算该光线的轴向球差。
✓ 轴上点像差操作符的局限性（SPHA、AXCL）
——仅适用于小视场小相对孔径的设计场合。
✓ 轴外点像差操作符的局限性
种类 慧差 场曲
象散 畸变
垂轴 色差
名称 COMA
FCUR FCGS
FCGT
ASTI DIST DIMX DISG
DISC LACL
含义 某个面慧差贡献量
某个面场曲贡献量 某个视场细光束子午场
课程设计
典型光学系统的设计实践
1. 课程设计的初步安排与要求
1） Zemax光学软件介绍（5月24日）； 2） 到专业实验室进行具体的上机操作
（5月26号之后）； 3） 要求：两大组,可自备电脑；
按时到实验室进行上机； 完成课程设计报告（占20％）。
2. 参考数目
1） 袁旭沧编，现代光学设计方法. 北京理 工大学出版社，1995 2）李士贤，李林编，光学设计手册.北京理 工大学出版社，1996 3）高志山，Zemax软件在像差设计中的应 用，南京理工大学，2006
无法控制指定孔径的球差、轴向色差、高级球差 与色球差； 无法控制跟孔径和视场有关的慧差、高级慧差； 跟孔径有关的宽光束场曲、象散； 无法控制需要的垂轴色差曲线、高级垂轴色差。
※ ※ 自定义评价函数控制系统像差
——从像差的基本概念入手，利用Zemax的内建的操 作符建立评价函数。
例如：球差的控制
10. 光学系统设计实例
设计一个大气激光通信接收系统的光学天线： 焦距：60mm，D/F=1/1.2，视场角±0.1°,激光 波长1.55微米，波长漂移1.53~1.57微米。
Zemax2003 （光学设计软件）
LightTools4.0（光学仿真软件）
TracePro3.25（光学仿真软件）
TFCalc_v3.5（光学薄膜设计软件）
ASAP8.0（光学仿真软件）
CODEV9.5
Optiwave_OptiFDTD_v4.0 BeamPROP519Fullwave309 OSLO Premium 6.2（光学设计软件）
5. 光学系统设计的过程
➢初始结构的选择、初始参数的确定
a. 国内外光学设计手册、专利和镜头数据库中选取； b. 通常简单的几何光学计算，确定满足要求的雏形。
➢系统的优化
a. 建立评价函数； b. 光线追迹计算。
6. Zemax光学软件简介
Zemax是由美国Focus Software Incorported 公司设计的专用光学设计软件。
曲 某个视场细光束弧矢场
曲 某个面像散贡献量 某个面畸变贡献量 视场最大畸变允许量 控制跟视场有关的规一
化百分畸变 控制校准畸变 两边缘波长主光线与像 面交点之间的Y轴距离
局限性 无法控制跟视场、孔径有关
的子午、弧矢慧差 无法控制宽光束场曲（应用 于大相对孔径大视场情况）
无法控制宽光束象散
无法控制视场高级色差
TRAY RAGC ACOS TANG DIVI
Lat.SA
光线的方向余弦 反余弦函数 正切函数 除
纵向色差
Long.CA Long.SA(1) Long.SA(2 )
➢轴外初级像差的控制操作符
ZEMAX仅给出轴外像差中细光束场曲、象散、畸变的控制 操作符，由此可以控制跟视场有关的初级和高级像差。
✓ 主视窗（The Main Windows）
✓ 编辑视窗（Editor Windows）
➢ Zemax的视窗类型 ✓ 图形视窗（Graphic Windows）
✓ 文本视窗（Text Windows）
✓ 对话框（Dialogs）
➢ Zemax的优化计算与操作符 ✓ 评价函数（Merit Function）
➢双镜片系统设计
如习作一，我们仍然要设计一个在光轴上成像， focal length为100mm的光学系统，只不过这次我们 用选用BK7和SF1两种镜片来设计，wavelength和 aperture如同习作一所设 。
一个双镜片是由两片玻璃组成，通常黏在一起， 所以他们有相同的curvature。借着不同玻璃的 dispersion性质，the chromatic aberration可以矫正 到first order所以剩下的chromatic aberration主要的 贡献为second order。
1.0y的弧矢场曲为
➢轴外垂直色差的控制操作符
➢轴外物点视场孔径高级像差的定义及其控制操作符
弧矢彗差 子午场曲 弧矢场曲9. 光学设计的完成
➢ 光学指标分解与结构形式确定； ➢ 光学系统的像差设计； ➢ 套模板设计； ➢ 公差分析； ➢ 绘制标准的光学系统和光学零件图； ➢ 试制与指标检测。
如果上边光与象面交点与主光线高度差为△y+，上边光与象面交点与主光线高 度差为△y-，则子午彗差为K‘T=（ △y++ △y-）/2; 如果上边光与光轴的夹角θ+，上 边光与光轴的夹角θ-，则子午场曲为X ‘T=（ △y++ △y-）/ （tg θ- + tg θ+）。
由于弧矢线对BD-和BD+（假设为-1.0h和+1.0h)以主光线 对称，所以在象方两线对的出射光线在象面上交点偏离主光线 的x分量大小相等符号相反，即TRAX（-1.0h)=TRAX(+1.0h)。 设-1.0h孔径的出射光线与x轴夹角为θ-x，与光轴夹角为θ-z，则+1.0h，