ZEMAX光学系统设计实战

随着光电信息产业的高速发展，企业和科研院所对光学设计人才的需求日趋增多，那么对于光学设计者，他们最需要掌握的知识与技能是什么？
首先需要了解光学系统设计的流程，要了解如何根据使用要求来制订光学系统的总体设计方案。其次要了解如何计算光学系统的特征参数，如何找到一个适合的光学系统初始结构，如何利用光学设计软件实现对光学系统的像差计算、分析评价和优化校正，最终得到符合功能要求的光学系统设计结果，以及如何分析光学系统的制造公差及工艺。而这整个设计过程在本书中都可以一一得到体验。
本书以目前国内外使用较为广泛的Zemax OpticStudio光学软件为平台，以分类项目式设计案例为主线，将光学理论和设计实践融合统一。在内容上，优先介绍典型光学系统的设计，从典型光学系统设计演变出形形色色的其它系统，包括激光、红外、紫外、光谱仪等现代光学系统的设计。全书力求覆盖的系统类型广泛，且能反映光学领域发展的新技术、新材料、新工艺。内容深入浅出，通俗易懂，便于引导读者快速理解和掌握光学系统设计的方法、技巧和精髓，并为读者提供了大量的光学系统结构素材。
 书中案例皆是结合作者十几年的企业光学设计工作经历和十几年的光学设计教学经历所得，在撰写本书过程中，得到了一些同行的帮助，在这里表示真挚感谢。
值得一提的是：书中对光学基本理论的描述以及对ZEMAX软件的介绍相对简明；阅读本书之前，读者需熟悉工程光学基本理论，了解光学系统光线追迹方法、近轴公式、典型光学系统及分辨率等，还需使用过ZEMAX光学软件，了解基本的操作界面和菜单。其二，作者在ZEMAX光学材料库中加入了成都光明（CDGM）等多个材料厂商的目录，如果读者在核实一些案例时出现材料找不到的问题，请尝试多渠道下载和查询光学材料库文件，或联系作者（dongmeihu@126.com）。其三，书中多数案例的设计过程比较曲折，耗时较长，但在描述时省略了一些细节，读者若按书中步骤设计操作时，可能会得到不一样的设计结果，这是光学设计本质所决定的。其四，书中部分案例的结构参数做了四舍五入，读者想核实光学数据时，可能需要对后截距（BFL）等做少量调整。最后，关于本书中出现的所有数据，在没有明确给出单位时，角度单位为“度”，长度单位为“毫米”。
本书由南阳理工学院胡冬梅撰写。鉴于知识水平所限，书中难免出现疏漏之处，恳请广大读者给予批评指正！ 

作者

本书以Zemax OpticStudio（简称为ZEMAX）软件为平台，介绍了光学系统设计全过程相关理论、技术和方法。从典型光学系统的设计出发，用30余个工程设计案例，展现了不同功能类型、不同指标要求的光学系统设计过程和技巧，阐述了光学系统设计中共性问题的解决方案。全书章节顺序安排符合光学设计者的认知和实践规律。书中对光学基本理论的描述以及对ZEMAX软件的使用介绍简明扼要，读者可从诸多实战案例中体会光学系统设计的精髓和乐趣。
本书可供从事光学系统设计、光电仪器研发以及其他光学相关工作的工程技术人员参考使用，也可作为光学、光学工程、光电信息工程、测控技术与仪器等专业的本科及研究生实践教学教材。

第1章光学系统设计概要1
1.1光学设计概念1
1.2光学系统设计要求的提出2
1.2.1仪器对光学系统的设计要求2
1.2.2光学系统设计要求示例3
1.3光学系统设计流程4
1.4光学设计发展与光学软件的关系5
1.4.1光学设计的发展历程5
1.4.2光学设计软件6

第2章像差综述8
2.1球差8
2.1.1球差及其校正方法8
2.1.2球差在ZEMAX中的呈现10
2.2彗差11
2.2.1彗差定义及计算11
2.2.2彗差的校正方法12
2.2.3彗差在ZEMAX中的呈现13
2.3场曲与像散14
2.3.1细光束场曲及其校正方法14
2.3.2细光束像散及其校正方法16
2.3.3场曲与像散在ZEMAX中的呈现18
2.4畸变19
2.4.1畸变及其校正方法19
2.4.2畸变在ZEMAX中的呈现20
2.5色差21
2.5.1轴向色差和倍率色差21
2.5.2色差校正方法24
2.5.3色差在ZEMAX中的呈现24
2.6波像差25
2.6.1波像差概述25
2.6.2波像差在ZEMAX中的呈现26

第3章ZEMAX中光学系统综合像质评价方式28
3.1垂轴几何像差曲线评价28
3.2点列图评价29
3.3分辨率与点扩散函数评价30
3.4包围圆能量曲线评价32
3.5光学传递函数评价33
3.6杂散光分析与评价35

第4章典型光学系统方案设计37
4.1开普勒望远镜系统方案设计（案例）37
4.2生物显微镜系统方案设计（案例）39
4.3投影光学系统方案设计（案例）41
4.4透镜转像系统方案设计44

第5章基于ZEMAX的光学系统设计过程46
5.1ZEMAX用户界面简介46
5.1.1ZEMAX用户界面46
5.1.2窗口类型及其操作51
5.1.3快捷键总结53
5.2光学系统初始结构的确定54
5.2.1镜头选型（案例）54
5.2.2在ZEMAX中输入初始系统数据（案例）55
5.2.3像差评估（案例）56
5.3ZEMAX优化方法与技巧57
5.3.1变量设定与ZEMAX优化算法57
5.3.2在ZEMAX中处理光学材料58
5.3.3光学系统像差优化技巧60
5.4ZEMAX中评价函数的使用61
5.4.1构建评价函数操作数的意义61
5.4.2ZEMAX中默认评价函数的使用61
5.4.3自定义评价函数操作数要点63
5.4.4光学系统优化操作（案例）65
5.5基于ZEMAX的光学系统公差分析67
5.5.1光学零件的材料误差68
5.5.2光学零件的加工公差68
5.5.3光学系统的公差分析（案例）72

第6章望远物镜设计80
6.1望远物镜设计的特点80
6.2望远物镜的像差公差81
6.3望远物镜结构类型82
6.4折射式望远物镜的设计（案例）85
6.5反射式望远物镜的设计（案例）91
6.6折反射式望远物镜的设计（案例）95

第7章显微物镜设计101
7.1显微物镜设计的特点101
7.2显微物镜的结构类型103
7.3低倍消色差显微物镜的设计（案例）105
7.4平场消色差显微物镜的设计（案例）111

第8章目镜设计118
8.1目镜系统的特点118
8.2目镜的像差公差及设计思路119
8.3目镜的基本结构类型120
8.4凯涅尔目镜的设计（案例）123
8.5长出瞳距目镜的设计（案例）128
8.6广角目镜的设计（案例）133
8.7目镜系统的光路翻转（案例）139

第9章摄影物镜设计143
9.1摄影物镜的光学特性和像差容差143
9.2摄影物镜基本类型145
9.3非球面在物镜设计中的应用151
9.4天塞型照相物镜的设计（案例）154
9.5超广角监控镜头的设计（案例）159
9.6大孔径摄影物镜的设计（案例）166
9.7变焦摄影物镜的设计（案例）173

第10章照明系统设计182
10.1照明光学系统的设计要求182
10.2照明光学系统的分类特点183
10.3照明光学系统的结构型式184
10.4非球面聚光照明系统的设计（案例）186
10.5基于积分管的匀光照明系统设计（案例）188

第11章现代光学系统设计196
11.1特殊光学材料简介196
11.1.1红外光学材料196
11.1.2紫外光学材料197
11.2红外光学系统设计197
11.2.1概述197
11.2.2中波红外成像物镜的设计（案例）198
11.3紫外光学系统的设计204
11.3.1概述204
11.3.2日盲紫外光学系统的设计（案例）205
11.4激光光学系统的设计210
11.4.1概述210
11.4.2激光扫描物镜的设计（案例）211
11.4.3变波长激光扩束镜的设计（案例）215
11.5太赫兹光学系统的设计221
11.5.1概述221
11.5.2太赫兹成像系统的设计（案例）221

第12章其它类型光学系统设计227
12.1投影物镜的设计（案例）227
12.2双远心工业镜头设计（案例）232
12.3医用内窥镜物镜设计（案例）238
12.4自由空间光学天线的设计（案例）243
12.5光谱仪衍射系统设计（案例）248

附录254
附录AZEMAX优化函数操作数汇总254
附录BZEMAX常用多重配置操作数259
附录CZEMAX常用公差设置操作数261
附录D光学材料一览表262
附录E光学制图示例269

参考文献274