全新正版 ZEMAX光学设计超级学习手册 林晓阳著 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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林晓阳著 著

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出版社： 人民邮电出版社

ISBN：9787115345851

商品编码：29523510955

包装：平装

基本信息

书名：全新正版 ZEMAX光学设计超级学习手册

定价：59.00元

作者：林晓阳著

出版社：人民邮电出版社

出版日期：

ISBN：9787115345851

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容全面，结构清晰；
讲解细致，循序渐进。
工程应用实例丰富；所有实例均经过精心设计与筛选，代表性强。

内容提要

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《ZEMAX光学设计超级学习手册》以ZEMAX 2010作为软件平台，详细讲解了ZEMAX在光学设计中的使用方法与技巧，帮助读者尽快掌握ZEMAX这一光学设计工具。 《ZEMAX光学设计超级学习手册》结合作者多年的使用和开发经验，通过丰富的工程实例将ZEMAX的使用方法详细介绍给读者。全书共分为11章，主要讲解了ZEMAX的使用界面和基本功能，光学像差理论和成像质量的评价，以及各种透镜和目镜、显微镜、望远镜等目视光学系统的设计。 《ZEMAX光学设计超级学习手册》注重基础，内容详实，突出实例讲解，既可以作为光学设计人员、科研人员等相关专业人士的工具书，也可以作为相关专业高年级本科生、研究生的学习教材。

目录

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目 录



章 ZEMAX入门 1

1.1 ZEMAX的启动与退出 1

1.2 用户界面 3

1.2.1 窗口类型 4

1.2.2 主窗口介绍 4

1.2.3 文件菜单 5

1.2.4 编辑菜单 6

1.2.5 系统菜单 16

1.2.6 分析菜单 20

1.2.7 工具菜单 20

1.2.8 报告菜单 29

1.2.9 宏指令菜单 32

1.2.10 外扩展菜单 32

1.2.11 窗口菜单 33

1.2.12 帮助菜单 34

1.3 ZEMAX常用操作快捷键 34

1.3.1 放弃长时间计算 34

1.3.2 快捷方式的总结 35

1.4 本章小结 36



第2章 像质评价 37

2.1 外形图 37

2.1.1 二维外形图 37

2.1.2 3D外形图 38

2.1.3 阴影图 39

2.1.4 元件图 39

2.1.5 ISO元件图 41

2.2 几何光学像质量评价 41

2.2.1 特性曲线 41

2.2.2 点列图 43

2.2.3 调制传递函数 46

2.2.4 点扩散函数 48

2.2.5 波前 51

2.2.6 曲面 52

2.2.7 均方根 53

2.2.8 像差系数(Aberration Coefficients) 54

2.2.9 杂项(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 模拟图像 64

2.4.2 双目分析 68

2.4.3 计算 68

2.5 其他 69

2.5.1 玻璃和梯度折射率 69

2.5.2 通用图表 70

2.5.3 偏振状态 71

2.5.4 镀膜(Coatings) 72

2.5.5 物理光学(Physical Optics) 73

2.6 本章小结 73



第3章 初级像差理论与像差校正 74

3.1 几何像差与像差表示方法及像差校正 74

3.1.1 球差 74

3.1.2 慧差 79

3.1.3 像散 85

3.1.4 场曲 89

3.1.5 畸变 95

3.1.6 色差(ColorAberration) 98

3.2 厚透镜初级像差 103

3.3 薄透镜初级像差 105

3.4 像差校正和平衡方法 106

3.5 本章小结 106



第4章 ZEMAX基本功能详解 107

4.1 ZEMAX 3种优化方法 107

4.1.1 优化方法选择 107

4.1.2 Global Search和Hammer Optimization区别 108

4.1.3 局部优化(Optimization)缺点 112

4.1.4 全局搜索优势 112

4.2 ZEMAX评价函数使用方法 114

4.2.1 优化中的术语定义 114

4.2.2 评价函数方程表达 115

4.2.3 波前优化方法 118

4.2.4 光斑尺寸优化方法 120

4.2.5 角谱半径优化方法 121

4.3 ZAMAX多重结构使用方法 122

4.3.1 实例一：模拟元件的变化 123

4.3.2 实例二：衍射级次显示 127

4.3.3 实例三：分光板模拟 131

4.4 ZAMAX坐标断点使用方法 137

4.4.1 ZEMAX坐标系 137

4.4.2 自带坐标断点使用方法 139

4.4.3 坐标断点面使用方法 139

4.4.4 样例一：旋转角度的优化方法 140

4.4.5 样例二：使用坐标断点寻找主光线位置及方向 143

4.4.6 样例三：坐标返回的使用方法 144

4.5 本章小结 147



第5章 公差分析 148

5.1 公差 148

5.1.1 误差来源 148

5.1.2 设置公差 149

5.1.3 公差操作数 149

5.2 默认公差的定义 150

5.2.1 表面公差 151

5.2.2 元件公差 152

5.3 公差分析3种法则 153

5.3.1 灵敏度分析 153

5.3.2 反转灵敏度分析 154

5.3.3 蒙特卡罗分析 154

5.4 公差过程的使用 157

5.4.1 公差分析的执行 157

5.4.2 双透镜的公差分析 160

5.5 本章小结 166



第6章 非序列模式设计 167

6.1 ZEMAX中非序列模型介绍 167

6.1.1 模型类别 167

6.1.2 面元反射镜 168

6.1.3 光源分布 169

6.1.4 棱镜 172

6.1.5 光线分束 173

6.1.6 散射 175

6.1.7 衍射光学元件 177

6.1.8 相干模拟 178

6.1.9 复杂几何物体创建 179

6.1.10 吸收分析 181

6.2 创建非序列光学系统 182

6.2.1 建立基本系统特性 183

6.2.2 创建反射镜 185

6.2.3 光源建模 186

6.2.4 旋转光源 187

6.2.5 放置探测器 189

6.2.6 跟踪分析光线探测器 190

6.2.7 增加凸透镜 192

6.2.8 光线跟踪分析和偏振损耗 194

6.2.9 增加矩形ADAT光纤 195

6.2.10 使用跟随解定位探测器 198

6.2.11 整个系统光线追迹 198

6.3 将序列面改成非序列物体 199

6.3.1 转变NSC的工具 199

6.3.2 初始结构 200

6.3.3 使用转换工具 202

6.3.4 插入非序列光源 203

6.3.5 插入探测器物体 205

6.4 模拟混合式非序列(NSC with Ports) 208

6.4.1 序列/非序列模式 208

6.4.2 建立非序列组件 211

6.4.3 定义多焦透镜 212

6.4.4 带状优化 215

6.4.5 目标局部 216

6.4.6 系统性能 217

6.4.7 运行影像分析性能之优化 218

6.4.8 终设计 219

6.5 优化非序列光学系统 219

6.5.1 Damped Least Squares和Orthogonal Descent 220

6.5.2 建立系统 222

6.5.3 评价函数 223

6.5.4 自由曲面反射镜 224

6.5.5 优化 226

6.6 本章小结 228



第7章 基础设计实例 229

7.1 单透镜设计 229

7.1.1 ZEMAX序列模式简介 229

7.1.2 单透镜系统参数 231

7.1.3 单透镜初始结构 233

7.1.4 单透镜的变量与优化目标 235

7.1.5 单透镜优化结果分析与改进设计 237

7.2 双胶合消色差透镜设计 240

7.2.1 双胶合透镜设计规格参数及系统参数输入 241

7.2.2 双胶合透镜初始结构 242

7.2.3 设置变量及评价函数 244

7.2.4 优化及像质评价 245

7.2.5 玻璃优化——校正色差 247

7.3 牛顿望远镜设计 249

7.3.1 牛顿望远镜来源简介及设计规格 249

7.3.2 牛顿望远镜初始结构 251

7.3.3 添加反射镜及遮拦孔径 253

7.3.4 修改反射镜以提高MTF 258

7.4 变焦镜头设计 260

7.4.1 变焦镜头设计原理介绍 261

7.4.2 变焦镜头设计规格及参数输入 261

7.4.3 多重结构实现变焦 263

7.4.4 变焦镜头的优化设置 265

7.5 扫描系统设计 268

7.5.1 扫描系统参数 269

7.5.2 多重结构下的扫描角度设置 273

7.6 本章小结 276



第8章 目视光学系统设计方法 277

8.1 人眼光学系统的创建 277

8.1.1 眼睛概述 277

8.1.2 眼睛模型 277

8.1.3 使用ZEMAX创建人眼模型结构 278

8.2 放大率与视觉 281

8.2.1 近距离物体成像标准 281

8.2.2 小型放大镜放大率 281

8.3 本章小结 284



第9章 目镜设计 285

9.1 目镜介绍 285

设计案例一：惠更斯目镜 286

设计案例二：冉斯登目镜 288

设计案例三：凯尔纳目镜 290

设计案例四：RKE目镜 292

设计案例五：消畸变目镜 294

设计案例六：对称式目镜 297

设计案例七：埃尔弗目镜 299

设计案例八：西德莫尔目镜 301

设计案例九：RKE广角目镜 304

9.2 目镜调焦 306

9.3 本章小结 311



0章 显微镜设计 312

10.1 技术指标 312

10.1.1 基本系统技术要求 312

10.1.2 分辨率目标和极限 312

10.2 10倍物镜初始透镜形式 313

10.2.1 显微镜设计步骤 313

10.2.2 物镜与目镜的连接 319

10.3 本章小结 322



1章 望远镜设计 323

11.1 天文望远镜 323

11.1.1 天文望远镜设计步骤 323

11.1.2 分辨率与衍射极限 328

11.2 地上望远镜 328

11.3 本章小结 334

作者介绍

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文摘

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序言

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深入光学的奥秘，点亮设计的智慧——一本关于光学设计及其背后原理的探索之旅 光学，这门研究光如何传播、相互作用以及如何被利用的学科，是现代科技发展不可或缺的基石。从我们日常生活中随处可见的眼镜、相机镜头，到尖端领域如激光技术、生物成像、天文望远镜，无不闪耀着光学的智慧。本书并非一本具体的学习手册，而是旨在带领读者踏上一段深度探索光学设计及其背后原理的旅程，激发对这一迷人领域的兴趣，理解其核心概念，并感知其在现实世界中的巨大影响力。 第一篇：光学的基石——理解光的本质与传播 在开始任何光学设计之前，我们必须对光有一个深入的理解。这一篇将从最基础的概念入手，为读者构建坚实的知识框架。 1. 光的粒子性与波动性：一个统一的视角 光是什么？ 从古至今，人类对光的探索从未停止。我们将回顾光的历史性认识，从牛顿的微粒说，到惠更斯、杨格、麦克斯韦的波动说，再到爱因斯坦的光电效应和普朗克的量子理论，最终理解光具有波粒二象性。这种二象性是理解许多光学现象的基础，也为后续的光学设计提供了理论指导。 电磁波谱的广阔天地： 光只是电磁波谱中的一小部分，但却是我们最熟悉的部分。我们将探讨可见光、紫外线、红外线、X射线、伽马射线等不同波段的特性，以及它们各自在科学研究和技术应用中的独特性。理解不同波段光的性质，对于选择合适的材料和设计合适的成像系统至关重要。例如，红外成像在夜视、热成像等领域有广泛应用，而紫外线则常用于杀菌和材料分析。 光的传播路径：直线传播与折射、反射 直线传播的假设： 在均匀介质中，光线沿直线传播，这是几何光学的基础。我们将探讨这个简单假设的意义，以及它在透镜、反射镜等基本光学元件设计中的应用。 斯涅尔定律：折射的奥秘： 当光线从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射。我们将深入讲解斯涅尔定律，理解折射率的概念，以及不同材料折射率的差异如何影响光的偏折角度。这对于设计透镜、棱镜等屈折元件至关重要，例如，眼镜镜片的度数就是基于折射定律计算的。 反射定律：光线的回旋： 光线遇到界面时会发生反射。我们将阐述反射定律，理解入射角、反射角和法线的关系。平面镜、球面镜的成像原理都建立在反射定律之上，它们是望远镜、相机等许多光学系统的核心组成部分。 2. 光的干涉与衍射：揭示光的波动本质 双缝干涉：波的叠加奏响和谐乐章： 当两束相干光波叠加时，会产生明暗相间的干涉条纹。我们将详细解释干涉的原理，包括相长干涉和相消干涉，并探讨杨氏双缝实验的经典意义。理解干涉现象，对于设计干涉仪、全息术等高精度光学测量技术至关重要。 衍射：光线的绕行与展宽： 光波在传播过程中遇到障碍物边缘或穿过小孔时，会发生弯曲和散开的现象，这就是衍射。我们将分析不同形状障碍物引起的衍射图样，并探讨菲涅尔衍射和夫琅和费衍射的区别。衍射是限制光学成像分辨率的关键因素之一，理解它有助于优化光学系统的设计，减少像差。 第二篇：光学设计的核心——透镜、反射镜与成像原理 在掌握了光学的基本原理后，我们将进入光学设计的核心——透镜和反射镜的设计及其成像原理。 1. 透镜的魔力：聚焦与成像 凸透镜与凹透镜： 我们将详细介绍凸透镜和凹透镜的形状、类型（如双凸、平凸、凹月等）以及它们对光线的聚焦或发散作用。 成像原理：虚实、正倒、放大缩小： 通过几何光线作图法和成像公式（如高斯成像公式），我们将清晰地阐述凸透镜和凹透镜的成像规律。理解成像的三要素：像的性质（实像/虚像）、像的正倒（正像/倒像）以及像的大小（放大/缩小）。 焦距与物距、像距的关系： 焦距是透镜最重要的参数，它决定了透镜的聚光能力。我们将深入探讨焦距、物距和像距之间的定量关系，理解这些关系如何指导我们选择合适的透镜来获得所需的成像效果。 透镜组合：协同工作，实现复杂功能： 单个透镜往往无法满足复杂的光学设计需求。我们将探讨如何组合多个透镜，利用它们的协同作用，实现更精细的成像，例如，显微镜、望远镜和相机的物镜和目镜系统。 2. 反射镜的运用：引导与汇聚 平面镜、凹面镜、凸面镜： 我们将介绍不同类型的反射镜及其反射原理，重点分析凹面镜和凸面镜的成像特性。 球面反射镜的成像： 类似透镜，反射镜的成像也遵循成像公式。我们将探讨凹面镜和凸面镜如何成像，以及它们在望远镜（如牛顿望远镜、卡塞格林望远镜）和汽车后视镜等应用中的作用。 非球面反射镜：突破球差的限制： 球面镜会产生球差，影响成像质量。我们将介绍非球面反射镜的概念，以及它们如何通过精确的曲面设计来校正球差，实现更高质量的光学成像。 3. 像差：光学设计的挑战与解决方案 什么是像差？ 理想的光学系统能够精确地在像面形成清晰的像。然而，由于光的波动性和透镜、反射镜的几何形状，实际的光学系统往往会产生各种像差，导致图像模糊、失真。 几何像差： 我们将深入剖析几种主要的几何像差，包括： 球差 (Spherical Aberration): 不同入射高度的光线聚焦在不同点上的现象。 彗差 (Coma): 像点像彗星尾巴状的畸变。 像散 (Astigmatism): 不同方向的光线聚焦在不同点上的现象。 场曲 (Field Curvature): 像面不是平面的现象。 畸变 (Distortion): 像的形状与物体的形状不符，如枕形畸变和桶形畸变。 色像差 (Chromatic Aberration): 由于不同颜色的光折射率不同，导致不同颜色光聚焦在不同点上的现象。我们将区分轴向色差和倍率色差。 像差的校正策略： 像差是光学设计中的核心难题。我们将探讨几种主要的校正方法，包括： 组合使用不同类型的透镜： 例如，使用会聚透镜和发散透镜组合来校正球差和色差。 使用特殊形状的镜面： 如非球面镜。 优化元件的排列和间距： 通过精密的计算和布局，最大程度地减少像差的影响。 第三篇：光学设计的实践与应用——从原理到现实 了解了光学设计的原理和挑战后，我们将进一步探讨光学设计在各个领域的实际应用，以及实现这些应用所需的基本设计思路。 1. 成像系统的设计：相机、显微镜、望远镜 相机镜头的设计： 从简单的单透镜相机到复杂的数码单反镜头，我们将分析不同类型相机镜头的设计需求，包括广角、标准、长焦镜头的特性，以及如何通过多镜片组合来平衡分辨率、畸变、色差等指标。 显微镜的光学系统： 显微镜通过放大微小物体来揭示其细节。我们将探讨显微镜的物镜和目镜系统如何协同工作，实现高倍率、高分辨率的成像。 望远镜的分类与设计： 从折射望远镜到反射望远镜，我们将分析它们的光学原理和设计特点，以及如何根据观测目标（行星、星系）选择合适的望远镜类型和口径。 2. 非成像光学设计：照明、激光器、光纤 照明系统的设计： 照明系统并非为了成像，而是为了有效、均匀地分配光线。我们将探讨如何设计反射器、透镜等元件，将光源的光线导向目标区域，实现高效的照明效果，例如，LED灯具的设计。 激光器的光学元件： 激光器产生高度准直、单色、相干的光束。我们将简要介绍激光器腔体内的反射镜设计，以及如何通过这些元件来维持激光振荡。 光纤通信的光学原理： 光纤通信是现代信息传输的重要手段。我们将简要介绍光纤的结构和全反射原理，以及光信号如何通过光纤传输。 3. 光学设计流程与现代工具 设计流程概述： 一个完整的光学设计项目通常包括需求分析、初步设计、优化计算、公差分析、系统集成和测试等环节。 现代光学设计软件的应用： 如今，专业的光学设计软件（例如，Zemax，这里只是提及了其名字，但并不深入讲解其具体功能）已经成为光学设计不可或缺的工具。它们能够进行复杂的光线追迹、像差分析、优化设计和公差分析，极大地提高了设计效率和精度。我们将简要提及这类软件在模拟和验证设计方面的作用。 新材料与新技术的探索： 光学材料和技术不断发展，例如，衍射光学元件、超表面、三维打印光学器件等，它们为光学设计带来了新的可能性。 结语： 光学设计是一个融合了物理学、数学、工程学和艺术的学科。它不仅仅是关于镜片和反射镜的组合，更是关于如何巧妙地操控光，以满足人类在科学研究、技术创新和社会发展中的各种需求。本书旨在提供一个广阔的视野，让读者得以窥探光学设计的深度与广度，理解其背后精妙的原理，并从中获得启发。每一次对光的精妙操控，都凝聚着无数光学设计者们的智慧与汗水，共同推动着人类文明的进步。希望这段旅程能点燃你对光学世界的无限好奇，并激励你进一步探索这片充满魅力的领域。

评分☆☆☆☆☆

初次接触 ZEMAX 软件，我真的是一头雾水，网络上零散的教程看了不少，但总感觉不成体系，学习效率不高。这次偶然看到这本书，名字听起来就特别“硬核”，我一直希望有一本能够系统地、深入地讲解 ZEMAX 操作和光学设计原理的书籍，而这本书的出现，无疑是给我打了一剂强心针。虽然还没来得及深入阅读，但从目录和简介中，我能感受到作者在内容上的精心编排。它似乎不是那种泛泛而谈的介绍，而是真正希望读者能够“学会”ZEMAX，并且能够运用它来解决实际的光学设计问题。我非常期待书中能有详细的操作步骤、案例分析，能够带领我一步一步地从零基础走向熟练掌握，甚至能够融会贯通，灵活运用到各种复杂的光学系统设计中去。我特别关注它在讲解光学设计思维和方法论方面的深度，因为我知道 ZEMAX 只是工具，更重要的是背后的设计理念。希望这本书能帮助我建立起一套完整的光学设计知识体系，让我能够自信地面对各种光学设计挑战。

评分☆☆☆☆☆

我是一位光学工程专业的学生，目前正在学习光电信息专业方向。在学校的课程中，我们接触到了不少光学设计的理论知识，也开始使用 ZEMAX 进行一些简单的模拟。然而，我发现书本上的理论往往比较抽象，而 ZEMAX 的操作又比较繁琐，两者之间的联系常常难以建立。这本书的名字“全新正版 ZEMAX光学设计超级学习手册”让我看到了希望，我希望它能够在我学习理论和实践之间架起一座桥梁。我期待书中能够用清晰易懂的语言，将复杂的物理光学概念与 ZEMAX 中的具体实现相结合，让我能够更好地理解为什么在软件中要这样操作。同时，我也希望能有不同复杂度的案例分析，从基础的透镜设计到复杂的成像系统，能够循序渐进地引导我掌握 ZEMAX 的应用。这本书如果能帮助我理解“为什么”，而不仅仅是“怎么做”，那将是对我学业的巨大帮助。

评分☆☆☆☆☆

我是一名光学产品工程师，平时工作中会接触到各种光学器件的选型和初步设计。虽然公司有专门的光学设计团队，但我个人也想提升这方面的能力，以便更好地与他们沟通，并能独立完成一些初步的设计评估。看到这本书，我感觉它可能正是我所需要的。我希望书中能够包含一些实用的设计流程和经验分享，比如如何根据产品需求快速搭建一个初步的光学模型，如何进行合理的设计参数设定，以及在初步设计阶段需要注意的关键点。另外，我对书中的公差分析和优化设计部分特别感兴趣，因为在实际产品开发中，这些环节往往是影响产品性能和成本的关键。如果这本书能提供一些关于如何进行有效公差分析和迭代优化的指导，那将对我非常有价值。我期待它能帮助我更高效地完成日常工作，并为公司的产品开发贡献更多力量。

评分☆☆☆☆☆

作为一个光学爱好者，我一直对光学设计和 ZEMAX 软件充满好奇。虽然我没有专业的背景，但我对光学成像的原理和技术一直抱有浓厚的兴趣，也希望能通过学习 ZEMAX 软件来亲手设计一些有趣的光学系统，比如DIY一个望远镜或者微距镜头。我非常期待这本书能够从一个非常基础的层面开始讲解，即使对于完全没有光学基础的读者也能理解。我希望书中能够包含很多可视化和图解，帮助我理解抽象的光学概念，并且有大量的实例操作，让我能够跟着一步一步地学会如何使用 ZEMAX。我希望能通过这本书，不仅仅是学会软件操作，更能体会到光学设计的魅力，甚至能够启发我创造出一些属于自己的光学作品。对于我这样的业余爱好者来说，一本能够寓教于乐，并且能真正带我入门的书籍，是最宝贵的。

评分☆☆☆☆☆

作为一个已经使用 ZEMAX 有一段时间的设计人员，我一直觉得自己的知识体系存在一些“短板”，很多时候只能停留在软件操作的表面，而对于更深层次的光学原理和优化方法，总感觉隔靴搔痒。看到这本书的标题，我立刻被吸引了，因为它承诺的是“超级学习手册”，这暗示着它可能不仅仅是基础操作的罗列，而是能够帮助使用者实现“质的飞跃”。我尤其希望书中能够深入剖析 ZEMAX 中各种优化算法的原理和适用场景，以及如何有效地利用这些工具来解决实际设计中遇到的像像差校正、公差分析等棘手问题。另外，关于如何构建高效的光学设计流程，以及如何将理论知识与软件实践相结合，也是我非常期待的内容。我希望这本书能让我对 ZEMAX 的理解上升到一个新的高度，不仅仅是把它当做一个绘图工具，而是能够真正发挥其强大的分析和优化能力，设计出更优、更具创新性的光学系统。