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1、1广东工业大学物理与光电工程学院广东工业大学物理与光电工程学院ZEMAX 软件和像差设计软件和像差设计光学器件光学器件 CAD应用光学和光学工程教研组应用光学和光学工程教研组 2013/9/2i前言前言广东省的经济发展环境和产业分布特点吸引了众多的光学光电相关企业的进驻。国家的“节能减排”政策又大力促进了材料，半导体和照明产业的新一轮的改革和投入。例如，在 LED 节能照明，激光制版和光电子信息产业方面，无论是企业的数量还是企业对经济发展的贡献，都有可观的增长。所以，今后几年行业对专门应用型人才的旺盛需求。广东工业大学物理与光电工程学院及时地注意到行业发展的大趋势，进行了专业培养方案的调整，增
2、设了光学工程教研组，旨在培养光学和光机电行业企业所需光学工程方面的人才。光学工程的课程体系包含应用光学 （2 学分） ， 光学器件设计 （3 学分）和光学器件 CAD 课程设计 （2 学分） 。 应用光学主要讲授高斯光学光束变换、成像原理；光学器件设计主要讲授像差理论和像质评价，为后续的课程设计打基础；光学器件 CAD 课程设计主要讲解光学系统设计，性能分析和优化方法。ZEMAX 光学设计软件，被广泛用于公司、研究所和高校用于产品设计，研究和教学培训。2007 年被引进我校的光学设计教学当中，我们在像差教学以及课程设计教学中完全使用 ZEMAX 软件作为分析和优化工具。ZEMAX 软件让学生得
3、到直观和形象地感知透镜光学系统的建立，像质评价指标的物理表述，像差优化和系统成形等各个过程。内容安排：第一章 ZEMAX 软件简介，讲述软件的用户界面，工具栏，透镜系统的建立的基本方法，像质评价的物理意义和相关举例。第二章 ZEMAX 优化操作符，介绍评价函数，操作符的定义和使用。第三章 ZEMAX 像差设计和优化，讲解建立像差控制的评价函数，如轴上和轴外像差的评价函数以及设计实例。第四章典型光学系统的设计。iiiii目 录前言.i第一章 ZEMAX 软件简介.11.1 简介.11.2 用户界面.11.3 主视窗的操作（Main Windows Operations）.21.4 光学系统的建立
4、.31.4.1 设计要求.31.4.2 初始结构.31.4.3 其他光学特性参数输入方法.41.4.4 ZEMAX 中像质评价方法 .9第二章 ZEMAX 优化与操作符.212.1 Merit Function（评价函数）的构成要素.212.2 评价函数的“默认” （缺省）构成方法.212.3 修改成自定义评价函数法.24第三章 像差设计在 ZEMAX 中的实现 .313.1 Default Merit Function 和现有像差控制符的局限性 .323.1.1 轴上点的像差操作符的局限性.323.1.2 轴外物点的像差操作符的局限性.323.2 常见像差控制在评价函数中的实现.333.2.
5、1 轴上球差、色差的控制操作符.333.2.2 轴外初级像差的控制操作符.343.2.3 轴外物点视场孔径高级像差的定义及其控制操作符 .383.3 像差设计举例.39第四章 像差设计实例.494.1 望远镜物镜或准直物镜的设计.491第一章第一章 ZEMAX 软件简介软件简介1.1 简介简介ZEMAX Optical Design Program（ZEMAX）是由美国 ZeMaX Development Corporation 公司开发的专用光学设计软件包，软件逐步升级，我们使用的版本是 2007。ZEMAX 是 Windows 平台上的视窗式的用户界面，操作习惯和快捷键风格如同 Windo
6、ws。1.2 用户界面用户界面ZEMAX 的视窗类型，和 Windows 的基本一致，打开不同的视窗可以执行操作不同的任务，可分为： 主视窗 （Main Window）ZEMAX 启动以后，进入主视窗（图 1.1） 。主视窗顶端有标题栏（title bar） 、菜单栏（menu bar）和工具栏（tools bar） 。 编辑视窗（Editor Window）ZEMAX 中有 6 种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor） ，评价函数编辑器（Merit Function Editor） 、多重组态编辑器（Multi-configuration Edi
7、tor） 、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor） 、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor） 、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor） 。图图 1.1 ZEMAX 主视窗界面主视窗界面2 图形视窗（Graphic Window）最常用的有草图（Layout） 、扇形图（Ray fans） 、调制传递函数（MTF Plots）图等。 文本视窗（Text Windows）设计的文字资料，如详细数据（Prescription Data） 、像差数据等显示在文本视窗中。 对话框（Dialogs）固定大
8、小，在过程中跳出来的视窗（鼠标拖曳不能改变大小） 。用于定义或更新视场（Fields） 、波长（Wavelengths） 、孔径（Apertures） 、面型（Surface types）等。1.3 主视窗的操作（主视窗的操作（Main Windows Operations） 主视窗在执行 ZEMAX 后显示出来，可以用鼠标拖动改变大小，如图 1.1 所示。上部有标题栏、菜单栏、快捷按钮。底部状态栏中显示当前镜头系统的焦距（EFFL） 、F 数（WFNO） 、入瞳直径（ENPD） 、系统总长（TOTR） 。主视窗中的快捷按钮和状态栏中内容可以自定义，菜单栏中有： 文件（File）展开后有文件的打开（Open） ，新建（New） ，存储（Save） ，另存为（Save as）等，偏好（Preference）可以修改文字大小，快捷按钮和状态栏中的内容。 编辑器（Editors）栏
