三. 光学系统建立举例
3.1 设计要求
拟设计光学系统具有：
f
50mm, 视场角2
200, D
f
1 5
物距为无限远
3.2 分析：
• 设计要求给出了系统焦距(50mm)，视场角，相对孔径，无其它 特殊要求
• 初始结构确定：(1)用单透镜结构，并设光阑面与透镜第一面
重合，因此系统需要四个面(物面、透镜前后面、像面)。(2)设透 镜为双凸透镜，且两个曲率半径大小相等，则曲率半径可由：
3. Wavelengths定义镜头工作波长
通过System→Wavelengths打开波长对话框，可以定义最多24个波长，波长 单位为微米。典型波长的数据已经存储在对话框中，可以用Select选用。其中 “Primary”定义的是主波长，用来考虑镜头系统的单色像差。
4. 本例中的光学特性数据输入方法
使用点列图评价像质，除了观看点列图形状外，通常还要使用两个指标， 即RMS Radius与GEO Radius，前者表示点列图中大多数点的分布范围， 即集中的弥散半径，后者表示点列图弥散的实际几何半径。
由点列图的图案及其大小也可以估算独立几何像差的大小。
只有当物在无限远时，
U
y
U’ F
像方F数才与近轴F数相 等
另外，在系统中还有一个Working F/#(工作数)，定义为f/# =1 / (2sinU’)，从定 义可看出三个“数”之间的差别。 （4）Object Space NA（物方数值孔径） 当物位于有限远时，可用之定义相对孔径，其含义为NA=nSin(θ)，n为物方介 质折射率，θ为高斯边缘光线孔径角。 （5）Float by stop size（由光阑大小决定） 这是定义轴上物点光束孔径的另一种方法，即由LDE中STOP面的“Smidiameter”大小来决定，此时LDE中STOP的半宽右边显示“U”，表示Stop Surface的孔径被固定。 （6）Object Cone Angle（物方锥角） 当物体位于有限远时，可用轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔，其值为 物空间边缘光线的半角，单位度，可大于90度
• 分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参 数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文 件，例如：*.BMP, *.JPG等，也可存成文字文 件*.txt
• 优化：表栏式merit function参数输入，对话窗 式预设merit function参数，方便使用者定义， 且多种优化方式供使用者使用
• 能产生各式各样的像差图，做透镜的快速诊断， 绘出这个设计的剖面图
• 用该软件为设计者寻找恰当的初始结构，便于 快速的设计出符合技术指标的系统
二. 完整光学设计结果应有的数据内容
• 光学系统结构图
• 主要参数：焦距、相对孔径、视场、倍率、物距、像距等 • 光学系统结构参数 • 成像质量：初级像差、轴上点像差、轴外点像差 • 像差曲线：球差曲线、点图、传函图等等
• 照明光学设计：ASAP、TracePro、LightTool、 ProSource、ODIS(浙大)
• 光学薄膜设计：TFCalc • 激光腔体设计：LASCAD • 光电器件设计：OPTISYS_DESIGN 、 BPM_CAD 、
OPTIAMP_DESIGN 、FIBER_CAD 、HS_DESIGN 、 FDTD_CAD 、WDM_Phasar 、 IFO_GRATINGS
因子等。 对场点选择的原则：0,
1 fullfield, n 1
2 fullfield,...., n 1
n 1 fullfield n 1
（3）定义波长。
（4）定义物距。
参数定义完后有效焦距并不等于50mm，这主要是由于透镜的厚度在ZEMAX中被
考虑进去了，可以通过优化设计保证焦距达到要求。另外，焦点位置还没有 确定，可用求解的方法确定，右击面2的Thickness →Marginal Ray Height
→OK
在焦点位置，边缘光线的高度为0；对于近轴区域，光瞳高度对焦点位无影响， 因此取0。取其它值时表示实际光线。
四. 基本像差分析及像质评价
前面介绍了在ZEMAX中如何输入一个光学系统，但这只是一个初始结构， 其性能如何，要通过ZEMAX的像质评价功能对其进行评价。像质评价功能 贯穿于光学设计的中间过程与最终设计环节之中。下面我们选取主要的像 质评价指标，说明这些指标的具体含义。
制出像面(XOY平面)上X分量像差(X aberration)和Y分量像差(Y aberration)随 光线孔径高之间的变化曲线。通常X aberration用EX表示， Y aberration用EY 表示，光线孔径高用PX、PY(归一化值)表示。其作图原理见下图。
由Ray aberration图可以看出几何像差存在时的综合弥散情况，还可以看出其 他独立几何像差的大小，如由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差，诸如球 差、场曲、离焦的大小；由曲线边缘孔径(±1.0)处的Y aberration之和，能够 反映彗差的大小；如果工作波长是一光谱段，则非主波长的曲线与EY轴的交 点之差反映了垂轴色差的大小，随着视场的变化，可以看出垂轴色差的变化， 等等。
2. Fields对话框中定义视场
通过System→Fields…可以打开视场定义对话框，该对话框中首先给出了视 场种类定义的四个选项：角度（视场角）、物高、近轴像高、实际像高；接 着给出了最多为12的视场序号，即最多可定义12个视场，X-Field与Y-Field同 时选用时，适用于非旋转对称光学系统，对于旋转对称系统，一般仅在YField栏中输入数据，定义子午面内的视场。Weight用于定义各个视场的权重。 对于大视场光学系统，要考虑渐晕现象，由渐晕系数描述。
主要参考书目：
• 《现代光学设计方法》袁旭沧，科学出版社 • 《光学设计》袁旭沧，科学出版社 • 《实用光学技术手册》王之江，机械工业出版社 • 《ZEMAX中文使用手册》光研科学有限公司
一. 光学设计软件简介
• 成像光学设计：Code V、OSLO、Zemax、 SIGMA、 LensView、SOD88、CIOES(长光)
U
• General对话框中其他功能
(1)Apodization Type(定义光瞳上光强分布)
选项：Uniform表示光瞳被均匀照明；Gaussian表示光瞳上光振幅扰动为高斯
型，即：A eG2 ；Cosin cubed表示光瞳上光分布为余弦型
(2)Glass Catalogs(玻璃库)
ZEMAX提供了德国Schott、日本Hoya、美国Corning等玻璃生产厂商的玻璃 库，还有红外、塑料材料（PMMA）、双折射材料等内建玻璃库。
• 课程设计报告在课设结束后的规定时间内提交， 过期则不接收所交报告，成绩相应地记为零分
主要内容简介：
• 光学设计软件简介 • 完整光学设计结果应有的数据内容 • 光学系统建立示例 • 基本像差分析及像质评价 • 望远物镜的设计 • 目镜设计 • 坐标断点、棱镜设计 • 温度分析、多重结构、无热设计 • 红外系统的设计 • 样板测试、公差分析
General对话框中，具有Aperture、Glass Catalog、Misc.等等选项。相对孔径的 定义在Aperture中完成。下面对一些常用选项作一些说明。
Aperture中：
Aperture type用于定义相对孔径，即轴上物点光束大小。定义的种类有：
（1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）
• Spot Diagrams（几何点列图）
Ray aberration仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，点列图则 能反映任一物点发出充满入瞳的光锥在像面上的交点弥散情况。 点列图通常以主光线与像面交点为原点进行量化计算点列图的弥散情况， ZEMAX在此基础上还给出了以虚拟的“质心”、“平均”为原点的量化点 列图。
杂光学系统
• Code V自带的专利库包含了多种镜头，可 供用户在初始设计时选择
• 可以与多种机械CAD软件交换数据，可以 输出多种标准加工图纸
• 有外部程序接口，用户可以用它根据需要 对 软件进行扩充和修改
• 成像领域中功能最强大，价格最高
OSLO
• 用于照相机、通讯系统、军事\空间应用、科 学仪器中的光学系统设计，在确定光学系统中 光学元件的最佳大小及外形时具有突出优势
• 适用于序列及非序列系统
• 优点是以设计者为导向的设计风格，用户界面 直观；功能强大精度高
• 灵活性强，其提供的CCL语言相对于其它光学 软件更灵活
ZEMAX
• Zemax是美国zemax公司设计的专用光学设计 软件包
• 可实现序列和非序列分析
• 用于光学组件设计及照明系统的照度分析，也 可建立反射、折射、绕射等光学模型
• 主要功能：几何像差计算和图形输出；像差自 动校正；公差计算；变焦系统设计等
• 总体上来说其功能和迭代收敛速度不及前述几 种软件，但其价格便宜，还是值得推广
LensView
• 光学设计数据库，囊括超过18,000个在美国和 日本专利局申请有案的多样化的光学设计实例
• 能显示每一实例的空间位置，拥有设计者完整 的信息、摘要等多种功能
Zemax在光学设计中的应用
曾维友 E-mail：zengweiyou @
• 上课期间将严格考勤，早上8：10，下午14：10 • 迟到三次及以上或缺勤一次者，成绩为不及格 • 缺勤二次及以上者，成绩以零分计
• 上课期间浏览网页等无关内容三次及以上者，成 绩为不及格
• 损坏物品者成绩为不格
Code V
• 美国Optical Research Associates推出的大型 光学设计软件
• 适用于各种序列及非序列光学系统，广泛用于 照相系统、光谱仪器、空间光学系统、激光扫 描系统、全息平显系统、红外成像系统、紫外 光刻系统等等