ZEMAX光學系統設計實戰

隨著光電信息產業的高速發展，企業和科研院所對光學設計人才的需求日趨增多，那么對于光學設計者，他們最需要掌握的知識與技能是什么？
首先需要了解光學系統設計的流程，要了解如何根據使用要求來制訂光學系統的總體設計方案。其次要了解如何計算光學系統的特征參數，如何找到一個適合的光學系統初始結構，如何利用光學設計軟件實現對光學系統的像差計算、分析評價和優化校正，最終得到符合功能要求的光學系統設計結果，以及如何分析光學系統的制造公差及工藝。而這整個設計過程在本書中都可以一一得到體驗。
本書以目前國內外使用較為廣泛的Zemax OpticStudio光學軟件為平臺，以分類項目式設計案例為主線，將光學理論和設計實踐融合統一。在內容上，優先介紹典型光學系統的設計，從典型光學系統設計演變出形形色色的其它系統，包括激光、紅外、紫外、光譜儀等現代光學系統的設計。全書力求覆蓋的系統類型廣泛，且能反映光學領域發展的新技術、新材料、新工藝。內容深入淺出，通俗易懂，便于引導讀者快速理解和掌握光學系統設計的方法、技巧和精髓，并為讀者提供了大量的光學系統結構素材。
 書中案例皆是結合作者十幾年的企業光學設計工作經歷和十幾年的光學設計教學經歷所得，在撰寫本書過程中，得到了一些同行的幫助，在這里表示真摯感謝。
值得一提的是：書中對光學基本理論的描述以及對ZEMAX軟件的介紹相對簡明；閱讀本書之前，讀者需熟悉工程光學基本理論，了解光學系統光線追跡方法、近軸公式、典型光學系統及分辨率等，還需使用過ZEMAX光學軟件，了解基本的操作界面和菜單。其二，作者在ZEMAX光學材料庫中加入了成都光明（CDGM）等多個材料廠商的目錄，如果讀者在核實一些案例時出現材料找不到的問題，請嘗試多渠道下載和查詢光學材料庫文件，或聯系作者（dongmeihu@126.com）。其三，書中多數案例的設計過程比較曲折，耗時較長，但在描述時省略了一些細節，讀者若按書中步驟設計操作時，可能會得到不一樣的設計結果，這是光學設計本質所決定的。其四，書中部分案例的結構參數做了四舍五入，讀者想核實光學數據時，可能需要對后截距（BFL）等做少量調整。最后，關于本書中出現的所有數據，在沒有明確給出單位時，角度單位為“度”，長度單位為“毫米”。
本書由南陽理工學院胡冬梅撰寫。鑒于知識水平所限，書中難免出現疏漏之處，懇請廣大讀者給予批評指正！ 

作者

本書以Zemax OpticStudio（簡稱為ZEMAX）軟件為平臺，介紹了光學系統設計全過程相關理論、技術和方法。從典型光學系統的設計出發，用30余個工程設計案例，展現了不同功能類型、不同指標要求的光學系統設計過程和技巧，闡述了光學系統設計中共性問題的解決方案。全書章節順序安排符合光學設計者的認知和實踐規律。書中對光學基本理論的描述以及對ZEMAX軟件的使用介紹簡明扼要，讀者可從諸多實戰案例中體會光學系統設計的精髓和樂趣。
本書可供從事光學系統設計、光電儀器研發以及其他光學相關工作的工程技術人員參考使用，也可作為光學、光學工程、光電信息工程、測控技術與儀器等專業的本科及研究生實踐教學教材。

第1章光學系統設計概要1
1.1光學設計概念1
1.2光學系統設計要求的提出2
1.2.1儀器對光學系統的設計要求2
1.2.2光學系統設計要求示例3
1.3光學系統設計流程4
1.4光學設計發展與光學軟件的關系5
1.4.1光學設計的發展歷程5
1.4.2光學設計軟件6

第2章像差綜述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中的呈現10
2.2彗差11
2.2.1彗差定義及計算11
2.2.2彗差的校正方法12
2.2.3彗差在ZEMAX中的呈現13
2.3場曲與像散14
2.3.1細光束場曲及其校正方法14
2.3.2細光束像散及其校正方法16
2.3.3場曲與像散在ZEMAX中的呈現18
2.4畸變19
2.4.1畸變及其校正方法19
2.4.2畸變在ZEMAX中的呈現20
2.5色差21
2.5.1軸向色差和倍率色差21
2.5.2色差校正方法24
2.5.3色差在ZEMAX中的呈現24
2.6波像差25
2.6.1波像差概述25
2.6.2波像差在ZEMAX中的呈現26

第3章ZEMAX中光學系統綜合像質評價方式28
3.1垂軸幾何像差曲線評價28
3.2點列圖評價29
3.3分辨率與點擴散函數評價30
3.4包圍圓能量曲線評價32
3.5光學傳遞函數評價33
3.6雜散光分析與評價35

第4章典型光學系統方案設計37
4.1開普勒望遠鏡系統方案設計（案例）37
4.2生物顯微鏡系統方案設計（案例）39
4.3投影光學系統方案設計（案例）41
4.4透鏡轉像系統方案設計44

第5章基于ZEMAX的光學系統設計過程46
5.1ZEMAX用戶界面簡介46
5.1.1ZEMAX用戶界面46
5.1.2窗口類型及其操作51
5.1.3快捷鍵總結53
5.2光學系統初始結構的確定54
5.2.1鏡頭選型（案例）54
5.2.2在ZEMAX中輸入初始系統數據（案例）55
5.2.3像差評估（案例）56
5.3ZEMAX優化方法與技巧57
5.3.1變量設定與ZEMAX優化算法57
5.3.2在ZEMAX中處理光學材料58
5.3.3光學系統像差優化技巧60
5.4ZEMAX中評價函數的使用61
5.4.1構建評價函數操作數的意義61
5.4.2ZEMAX中默認評價函數的使用61
5.4.3自定義評價函數操作數要點63
5.4.4光學系統優化操作（案例）65
5.5基于ZEMAX的光學系統公差分析67
5.5.1光學零件的材料誤差68
5.5.2光學零件的加工公差68
5.5.3光學系統的公差分析（案例）72

第6章望遠物鏡設計80
6.1望遠物鏡設計的特點80
6.2望遠物鏡的像差公差81
6.3望遠物鏡結構類型82
6.4折射式望遠物鏡的設計（案例）85
6.5反射式望遠物鏡的設計（案例）91
6.6折反射式望遠物鏡的設計（案例）95

第7章顯微物鏡設計101
7.1顯微物鏡設計的特點101
7.2顯微物鏡的結構類型103
7.3低倍消色差顯微物鏡的設計（案例）105
7.4平場消色差顯微物鏡的設計（案例）111

第8章目鏡設計118
8.1目鏡系統的特點118
8.2目鏡的像差公差及設計思路119
8.3目鏡的基本結構類型120
8.4凱涅爾目鏡的設計（案例）123
8.5長出瞳距目鏡的設計（案例）128
8.6廣角目鏡的設計（案例）133
8.7目鏡系統的光路翻轉（案例）139

第9章攝影物鏡設計143
9.1攝影物鏡的光學特性和像差容差143
9.2攝影物鏡基本類型145
9.3非球面在物鏡設計中的應用151
9.4天塞型照相物鏡的設計（案例）154
9.5超廣角監控鏡頭的設計（案例）159
9.6大孔徑攝影物鏡的設計（案例）166
9.7變焦攝影物鏡的設計（案例）173

第10章照明系統設計182
10.1照明光學系統的設計要求182
10.2照明光學系統的分類特點183
10.3照明光學系統的結構型式184
10.4非球面聚光照明系統的設計（案例）186
10.5基于積分管的勻光照明系統設計（案例）188

第11章現代光學系統設計196
11.1特殊光學材料簡介196
11.1.1紅外光學材料196
11.1.2紫外光學材料197
11.2紅外光學系統設計197
11.2.1概述197
11.2.2中波紅外成像物鏡的設計（案例）198
11.3紫外光學系統的設計204
11.3.1概述204
11.3.2日盲紫外光學系統的設計（案例）205
11.4激光光學系統的設計210
11.4.1概述210
11.4.2激光掃描物鏡的設計（案例）211
11.4.3變波長激光擴束鏡的設計（案例）215
11.5太赫茲光學系統的設計221
11.5.1概述221
11.5.2太赫茲成像系統的設計（案例）221

第12章其它類型光學系統設計227
12.1投影物鏡的設計（案例）227
12.2雙遠心工業鏡頭設計（案例）232
12.3醫用內窺鏡物鏡設計（案例）238
12.4自由空間光學天線的設計（案例）243
12.5光譜儀衍射系統設計（案例）248

附錄254
附錄AZEMAX優化函數操作數匯總254
附錄BZEMAX常用多重配置操作數259
附錄CZEMAX常用公差設置操作數261
附錄D光學材料一覽表262
附錄E光學制圖示例269

參考文獻274