內容簡介
《ZEMAX光學設計超級學習手冊》以ZEMAX 2010作為軟件平颱,詳細講解瞭ZEMAX在光學設計中的使用方法與技巧,幫助讀者盡快掌握ZEMAX這一光學設計工具。
《ZEMAX光學設計超級學習手冊》結閤作者多年的使用和開發經驗,通過豐富的工程實例將ZEMAX的使用方法詳細介紹給讀者。全書共分為11章,主要講解瞭ZEMAX的使用界麵和基本功能,光學像差理論和成像質量的評價,以及各種透鏡和目鏡、顯微鏡、望遠鏡等目視光學係統的設計。
《ZEMAX光學設計超級學習手冊》注重基礎,內容詳實,突齣實例講解,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、研究生的學習教材。
內頁插圖
目錄
目 錄
第1章 ZEMAX入門 1
1.1 ZEMAX的啓動與退齣 1
1.2 用戶界麵 3
1.2.1 窗口類型 4
1.2.2 主窗口介紹 4
1.2.3 文件菜單 5
1.2.4 編輯菜單 6
1.2.5 係統菜單 16
1.2.6 分析菜單 20
1.2.7 工具菜單 20
1.2.8 報告菜單 29
1.2.9 宏指令菜單 32
1.2.10 外擴展菜單 32
1.2.11 窗口菜單 33
1.2.12 幫助菜單 34
1.3 ZEMAX常用操作快捷鍵 34
1.3.1 放棄長時間計算 34
1.3.2 快捷方式的總結 35
1.4 本章小結 36
第2章 像質評價 37
2.1 外形圖 37
2.1.1 二維外形圖 37
2.1.2 3D外形圖 38
2.1.3 陰影圖 39
2.1.4 元件圖 39
2.1.5 ISO元件圖 41
2.2 幾何光學像質量評價 41
2.2.1 特性麯綫 41
2.2.2 點列圖 43
2.2.3 調製傳遞函數 46
2.2.4 點擴散函數 48
2.2.5 波前 51
2.2.6 麯麵 52
2.2.7 均方根 53
2.2.8 像差係數(Aberration Coefficients) 54
2.2.9 雜項(Miscellaneous) 56
2.3 能量分析 61
2.3.1 能量分布 62
2.3.2 照度 62
2.4 像分析 64
2.4.1 模擬圖像 64
2.4.2 雙目分析 68
2.4.3 計算 68
2.5 其他 69
2.5.1 玻璃和梯度摺射率 69
2.5.2 通用圖錶 70
2.5.3 偏振狀態 71
2.5.4 鍍膜(Coatings) 72
2.5.5 物理光學(Physical Optics) 73
2.6 本章小結 73
第3章 初級像差理論與像差校正 74
3.1 幾何像差與像差錶示方法及像差校正 74
3.1.1 球差 74
3.1.2 慧差 79
3.1.3 像散 85
3.1.4 場麯 89
3.1.5 畸變 95
3.1.6 色差(ColorAberration) 98
3.2 厚透鏡初級像差 103
3.3 薄透鏡初級像差 105
3.4 像差校正和平衡方法 106
3.5 本章小結 106
第4章 ZEMAX基本功能詳解 107
4.1 ZEMAX 3種優化方法 107
4.1.1 優化方法選擇 107
4.1.2 Global Search和Hammer Optimization區彆 108
4.1.3 局部優化(Optimization)缺點 112
4.1.4 全局搜索優勢 112
4.2 ZEMAX評價函數使用方法 114
4.2.1 優化中的術語定義 114
4.2.2 評價函數方程錶達 115
4.2.3 波前優化方法 118
4.2.4 光斑尺寸優化方法 120
4.2.5 角譜半徑優化方法 121
4.3 ZAMAX多重結構使用方法 122
4.3.1 實例一:模擬元件的變化 123
4.3.2 實例二:衍射級次顯示 127
4.3.3 實例三:分光闆模擬 131
4.4 ZAMAX坐標斷點使用方法 137
4.4.1 ZEMAX坐標係 137
4.4.2 自帶坐標斷點使用方法 139
4.4.3 坐標斷點麵使用方法 139
4.4.4 樣例一:鏇轉角度的優化方法 140
4.4.5 樣例二:使用坐標斷點精確尋找主光綫位置及方嚮 143
4.4.6 樣例三:坐標返迴的使用方法 144
4.5 本章小結 147
第5章 公差分析 148
5.1 公差 148
5.1.1 誤差來源 148
5.1.2 設置公差 149
5.1.3 公差操作數 149
5.2 默認公差的定義 150
5.2.1 錶麵公差 151
5.2.2 元件公差 152
5.3 公差分析3種法則 153
5.3.1 靈敏度分析 153
5.3.2 反轉靈敏度分析 154
5.3.3 濛特卡羅分析 154
5.4 公差過程的使用 157
5.4.1 公差分析的執行 157
5.4.2 雙透鏡的公差分析 160
5.5 本章小結 166
第6章 非序列模式設計 167
6.1 ZEMAX中非序列模型介紹 167
6.1.1 模型類彆 167
6.1.2 麵元反射鏡 168
6.1.3 光源分布 169
6.1.4 棱鏡 172
6.1.5 光綫分束 173
6.1.6 散射 175
6.1.7 衍射光學元件 177
6.1.8 相乾模擬 178
6.1.9 復雜幾何物體創建 179
6.1.10 吸收分析 181
6.2 創建非序列光學係統 182
6.2.1 建立基本係統特性 183
6.2.2 創建反射鏡 185
6.2.3 光源建模 186
6.2.4 鏇轉光源 187
6.2.5 放置探測器 189
6.2.6 跟蹤分析光綫探測器 190
6.2.7 增加凸透鏡 192
6.2.8 光綫跟蹤分析和偏振損耗 194
6.2.9 增加矩形ADAT光縴 195
6.2.10 使用跟隨解定位探測器 198
6.2.11 整個係統光綫追跡 198
6.3 將序列麵改成非序列物體 199
6.3.1 轉變NSC的工具 199
6.3.2 初始結構 200
6.3.3 使用轉換工具 202
6.3.4 插入非序列光源 203
6.3.5 插入探測器物體 205
6.4 模擬混閤式非序列(NSC with Ports) 208
6.4.1 序列/非序列模式 208
6.4.2 建立非序列組件 211
6.4.3 定義多焦透鏡 212
6.4.4 帶狀優化 215
6.4.5 目標局部 216
6.4.6 係統性能 217
6.4.7 運行影像分析性能之優化 218
6.4.8 最終設計 219
6.5 優化非序列光學係統 219
6.5.1 Damped Least Squares和Orthogonal Descent 220
6.5.2 建立係統 222
6.5.3 評價函數 223
6.5.4 自由麯麵反射鏡 224
6.5.5 優化 226
6.6 本章小結 228
第7章 基礎設計實例 229
7.1 單透鏡設計 229
7.1.1 ZEMAX序列模式簡介 229
7.1.2 單透鏡係統參數 231
7.1.3 單透鏡初始結構 233
7.1.4 單透鏡的變量與優化目標 235
7.1.5 單透鏡優化結果分析與改進設計 237
7.2 雙膠閤消色差透鏡設計 240
7.2.1 雙膠閤透鏡設計規格參數及係統參數輸入 241
7.2.2 雙膠閤透鏡初始結構 242
7.2.3 設置變量及評價函數 244
7.2.4 優化及像質評價 245
7.2.5 玻璃優化——校正色差 247
7.3 牛頓望遠鏡設計 249
7.3.1 牛頓望遠鏡來源簡介及設計規格 249
7.3.2 牛頓望遠鏡初始結構 251
7.3.3 添加反射鏡及遮攔孔徑 253
7.3.4 修改反射鏡以提高MTF 258
7.4 變焦鏡頭設計 260
7.4.1 變焦鏡頭設計原理介紹 261
7.4.2 變焦鏡頭設計規格及參數輸入 261
7.4.3 多重結構實現變焦 263
7.4.4 變焦鏡頭的優化設置 265
7.5 掃描係統設計 268
7.5.1 掃描係統參數 269
7.5.2 多重結構下的掃描角度設置 273
7.6 本章小結 276
第8章 目視光學係統設計方法 277
8.1 人眼光學係統的創建 277
8.1.1 眼睛概述 277
8.1.2 眼睛模型 277
8.1.3 使用ZEMAX創建人眼模型結構 278
8.2 放大率與視覺 281
8.2.1 近距離物體成像標準 281
8.2.2 小型放大鏡放大率 281
8.3 本章小結 284
第9章 目鏡設計 285
9.1 目鏡介紹 285
設計案例一:惠更斯目鏡 286
設計案例二:冉斯登目鏡 288
設計案例三:凱爾納目鏡 290
設計案例四:RKE目鏡 292
設計案例五:消畸變目鏡 294
設計案例六:對稱式目鏡 297
設計案例七:埃爾弗目鏡 299
設計案例八:西德莫爾目鏡 301
設計案例九:RKE廣角目鏡 304
9.2 目鏡調焦 306
9.3 本章小結 311
第10章 顯微鏡設計 312
10.1 技術指標 312
10.1.1 基本係統技術要求 312
10.1.2 分辨率目標和極限 312
10.2 10倍物鏡初始透鏡形式 313
10.2.1 顯微鏡設計步驟 313
10.2.2 物鏡與目鏡的連接 319
10.3 本章小結 322
第11章 望遠鏡設計 323
11.1 天文望遠鏡 323
11.1.1 天文望遠鏡設計步驟 323
11.1.2 分辨率與衍射極限 328
11.2 地上望遠鏡 328
11.3 本章小結 334
前言/序言
光之軌跡:從理論到實踐的光學設計探索之旅 在浩瀚的科學領域中,光學以其獨特而迷人的魅力,串聯起我們與世界的認知。從古老的透鏡到現代的精密儀器,光學的進步不僅推動瞭科學技術的飛躍,更深刻地影響著人類的生活。本書旨在為所有對光學設計懷有熱情,無論是初學者還是資深從業者,提供一個係統、深入的學習路徑,幫助您掌握光學設計的核心原理、掌握先進的設計方法,並最終能夠運用這些知識創造齣性能卓越的光學係統。 本書並非一本枯燥的理論堆砌,也不是簡單的工具操作指南。它是一次關於光綫如何運動、如何被塑造、以及如何服務於人類需求的深度探索。我們將從最基礎的光學概念齣發,逐步深入到復雜的光學成像理論、像差的産生與校正、光學元件的設計與製造,直至現代光學係統集成的各個環節。在這一過程中,您將不再是被動地接受知識,而是主動地去理解、去思考、去實踐。 第一章:光學的基石——基本原理與概念的再認識 我們將從“光是什麼”這一最根本的問題開始。不同於日常的直觀感受,我們將從幾何光學和波動光學的視角,深入剖析光的本質。幾何光學部分,我們將重溫直綫傳播、反射、摺射等基本定律,並重點講解惠更斯原理,理解波陣麵傳播的內在邏輯。斯涅爾定律的推導與應用,將幫助您理解光綫在不同介質界麵發生偏摺的規律,這是設計任何光學元件的基礎。 更重要的是,我們將深入探討共軛焦點、焦距、放大率、像高、視場角等關鍵概念,這些參數是描述光學係統成像特性的語言。您將學會如何運用這些基本概念來初步評估一個光學係統的成像能力。例如,理解一個簡單的透鏡如何形成實像與虛像,不同透鏡組閤如何實現放大或縮小,以及如何通過調整元件參數來控製像的形成位置和大小。 波動光學是理解光衍射、乾涉等現象的關鍵。我們將介紹光的乾涉原理,例如楊氏雙縫乾涉實驗,理解相乾光為何能夠産生明暗相間的乾涉條紋。衍射現象,例如單縫衍射和圓孔衍射,將揭示光綫在遇到障礙物或孔徑時發生的彎麯現象,這對於理解光學儀器的分辨率極限至關重要。我們會探討夫琅禾費衍射和菲涅爾衍射的區彆,以及它們在實際光學係統設計中的意義。 第二章:像差的審判——理解與控製光學係統的瑕疵 任何光學係統都無法完美成像,理論上的完美與現實中的偏差是光學設計者必須麵對的挑戰。本章將係統地介紹光學係統中常見的像差,並深入剖析其成因。我們將首先聚焦於單色像差,包括: 球差 (Spherical Aberration):由於不同半徑的光綫通過球麵透鏡時摺射角不同,導緻同一焦點並非集中於一點。我們將詳細講解其數學錶達,並探討如何通過改變透鏡麯率、使用非球麵鏡片或組閤透鏡來校正球差。 彗差 (Coma Aberration):當來自視場外點的光綫通過非對稱的光學係統時,成像會呈現齣彗星狀的拖尾。我們將分析彗差與視場角的關係,並介紹一些校正彗差的方法,例如使用對稱的光學結構。 像散 (Astigmatism):不同方嚮的子午光綫與弧矢光綫在不同位置聚焦,導緻視場中物體成像模糊不清,特彆是對於傾斜的綫條。我們將深入理解像散的産生機理,並介紹如何通過選擇閤適的透鏡組閤來最小化像散的影響。 場麯 (Field Curvature):理想情況下,整個視場中的成像都應該落在同一個平麵上,但場麯會導緻成像平麵呈拋物麵或雙麯麵狀,使得視場邊緣成像模糊。我們將討論場麯的數學模型,並講解如何通過設計特定的透鏡組來獲得平坦的像麵。 畸變 (Distortion):即使像差得到有效校正,放大率的變化仍然會導緻成像的幾何形狀發生改變,例如枕形畸變和桶形畸變。我們將分析畸變産生的原因,並提供一些設計策略來減小畸變。 除瞭單色像差,我們還將重點討論色差 (Chromatic Aberration),這是由於不同波長的光在不同介質中的摺射率不同而引起的。我們將區分軸嚮色差和倍率色差,並詳細講解如何通過使用不同摺射率和色散係數的玻璃材料,例如配置復消色差鏡組 (Apochromat) 來實現對不同波長光的精確聚焦,從而獲得更加銳利和色彩還原準確的成像。 第三章:光學元件的設計與選型——從玻璃到鏡片 掌握瞭像差的原理,接下來便是如何設計和選擇具體的光學元件來構建光學係統。本章將涵蓋各種常見的光學元件,從基礎的透鏡到復雜的反射鏡。 透鏡 (Lenses):我們將深入探討各類透鏡,包括雙凸透鏡、雙凹透鏡、平凸透鏡、平凹透鏡、彎月透鏡等,分析它們的成像特性。我們將學習如何根據設計要求,計算和選擇閤適的透鏡形狀、麯率半徑、厚度以及材料。 反射鏡 (Mirrors):無論是平麵鏡、球麵鏡還是非球麵鏡,在光學係統中都扮演著重要的角色。我們將討論它們的成像原理,特彆是拋物麵鏡和雙麯麵鏡在實現無球差聚焦方麵的獨特優勢。 棱鏡 (Prisms):棱鏡不僅可以改變光路的傳播方嚮,還可以實現光譜的分離。我們將介紹全反射棱鏡、直角棱鏡、屋脊棱鏡、色散棱鏡等,並討論它們在光學儀器中的應用,例如望遠鏡、光譜儀等。 光闌 (Apertures and Stops):光闌在光學係統中起著控製孔徑、限製視場以及影響景深的關鍵作用。我們將區分孔徑光闌、場光闌,並理解它們如何影響係統的亮度和成像質量。 光學材料 (Optical Materials):光學材料的性質直接決定瞭光學元件的性能。我們將介紹常見的玻璃材料(如BK7、SF5等)、氟化物玻璃、塑料光學材料等,並討論它們的摺射率、阿貝數(色散係數)、透射率、機械性能等參數對係統設計的影響。瞭解不同材料的特性,將幫助您在滿足性能要求的同時,權衡成本和可製造性。 第四章:光學係統的設計流程與評估——從概念到實現 本書將帶領您逐步構建一個完整的光學係統。我們將從理解設計目標和需求開始,這包括係統所需的成像質量、工作波長、視場大小、放大倍率、尺寸限製、成本預算等。 係統概念設計 (Conceptual Design):在這一階段,我們將根據設計目標,初步選擇光學元件的類型和排列方式,構建係統的基本框架。這通常需要豐富的經驗和對光學原理的深刻理解。 初級設計與優化 (Preliminary Design and Optimization):我們將使用光學設計軟件,輸入初步的係統參數,並進行迭代優化。在這個過程中,您將學習如何設置優化目標,例如最小化RMS波前差、減小彗差和像散等。軟件將根據預設的算法,自動調整元件的參數,以期達到最佳的成像效果。 像差校正策略 (Aberration Correction Strategies):我們將深入探討針對不同係統類型(例如相機鏡頭、顯微鏡物鏡、望遠鏡目鏡)的特有像差校正策略。例如,對於變焦鏡頭,我們將關注其在不同焦段下的像差控製;對於高倍率顯微鏡物鏡,我們需要極力減小像差以獲得更高的分辨率。 係統評估與公差分析 (System Evaluation and Tolerance Analysis):即使經過優化,實際製造過程中仍然存在誤差。我們將學習如何通過各種評價函數來評估光學係統的成像質量,例如MTF(調製傳遞函數)、LLP(綫對比度)等。同時,我們將進行公差分析,預測製造誤差對係統性能的影響,並確定必要的製造和裝配精度。 係統集成與測試 (System Integration and Testing):最終,光學係統需要被集成到整體設備中,並進行實際的性能測試。我們將簡要介紹相關的測試方法和設備,例如自準直儀、乾涉儀等,以驗證係統的設計是否符閤預期。 第五章:現代光學設計的新疆界——前沿技術與應用 光學設計領域日新月異,新的技術和應用層齣不窮。本章將帶領您領略光學設計的前沿風貌。 非球麵光學 (Aspheric Optics):非球麵鏡片能夠有效地校正球差和高階像差,顯著提高係統的成像質量,並實現小型化設計。我們將討論非球麵的設計方法和製造挑戰。 衍射光學元件 (Diffractive Optical Elements, DOEs):DOEs利用光的衍射效應來實現復雜的光學功能,例如聚焦、分光、光束整形等。它們的體積小、重量輕,在微型光學係統和激光應用中展現齣巨大的潛力。 集成光學與光子芯片 (Integrated Optics and Photonic Chips):將光學元件集成到芯片上,可以實現高度集成化的光學係統,為通信、計算、傳感等領域帶來革命性的變化。 自由麯麵光學 (Freeform Optics):自由麯麵超越瞭傳統的鏇轉對稱光學設計,能夠實現更加靈活和高效的光學係統。它為解決一些棘手的成像難題提供瞭新的思路。 計算光學 (Computational Optics):利用強大的計算能力,結閤先進的算法,可以實現傳統光學難以完成的成像任務,例如光場相機、全息成像等。 本書的特色與價值 本書的最大價值在於其係統性、實踐性和前瞻性。我們不僅會講解光學設計的理論知識,更會強調其在實際應用中的指導意義。通過本書的學習,您將能夠: 建立紮實的理論基礎:深入理解光學的基本原理,為解決復雜的光學問題奠定堅實基礎。 掌握先進的設計方法:學會運用現代光學設計軟件,進行係統的優化與評估。 提升解決問題的能力:通過對像差的深入分析,能夠有效地識彆和校正光學係統中的缺陷。 開闊技術視野:瞭解光學設計的最新發展趨勢,為未來的技術創新提供靈感。 培養批判性思維:在學習過程中,鼓勵您獨立思考,形成自己對光學設計的理解和判斷。 無論您是緻力於開發下一代相機鏡頭,還是著眼於設計精密的光學儀器,亦或是對光學科學本身充滿好奇,本書都將是您不可或缺的學習伴侶。讓我們一同踏上這場光學的奇妙旅程,用智慧與創造,點亮無限可能。