Zemax光學(xué)設(shè)計從基礎(chǔ)到實踐

本書系統(tǒng)講解了利用Zemax 2023進(jìn)行光學(xué)設(shè)計和仿真分析的各種方法和技巧，主要內(nèi)容包括光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)、認(rèn)識Ansys Zemax OpticStudio、初識鏡頭數(shù)據(jù)編輯器、光學(xué)成像鏡頭設(shè)計、鏡頭編輯高級操作、光學(xué)系統(tǒng)分析、非序列模式設(shè)計、幾何光學(xué)像質(zhì)評價、物理光學(xué)像質(zhì)評價、光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化、光學(xué)系統(tǒng)公差分析和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計實例等。
本書內(nèi)容全面實用，循序漸進(jìn)，實例豐富，且提供全部實例源文件，方便讀者上手實踐。同時，重點實例配套視頻講解，掃描書中相應(yīng)的二維碼，即可邊學(xué)邊看，學(xué)習(xí)更加高效。
本書非常適合從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、仿真與分析的技術(shù)人員自學(xué)使用，也可用作高等院校相關(guān)專業(yè)的教材及參考書。

本書以新版ZEMAX2023為平臺，結(jié)合作者多年的使用和光學(xué)設(shè)計經(jīng)驗，詳細(xì)講解了利用ZEMAX軟件進(jìn)行光學(xué)設(shè)計的思路和技巧。 本書主要具有如下特色： 1.內(nèi)容全面，知識系統(tǒng)。本書幾乎涵蓋了ZEMAX軟件的各個功能模塊，非常適合讀者入門使用，并能在循序漸進(jìn)的講解種逐步進(jìn)階，從而快速掌握利用ZEMAX進(jìn)行光學(xué)設(shè)計的技能。 2.實例豐富，實用性強。書中在介紹各功能模塊的同時，穿插介紹了許多具體實例，不僅有小案例，還有綜合性的大案例，將所有知識加以鞏固和應(yīng)用，使讀者學(xué)會舉一反三。 3.全程圖解，視頻講解。本書采用圖解的方式進(jìn)行講解，閱讀起來更加輕松直觀；同時，重難點章節(jié)配有二維碼視頻講解，掃碼即可邊學(xué)邊看，大大提高學(xué)習(xí)興趣和效率。

光學(xué)是物理學(xué)的重要分支，是研究光的產(chǎn)生、傳播、接收和顯示，以及光與物質(zhì)相互作用的一門學(xué)科。光學(xué)系統(tǒng)是指由多種光學(xué)元件按照一定次序組合成的系統(tǒng)，用于實現(xiàn)光的傳輸、分布、處理或檢測。 
在當(dāng)前計算機輔助科研、教學(xué)的迅猛發(fā)展過程中，計算機輔助光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計已成為光學(xué)設(shè)計不可缺少的一種重要手段。
Zemax是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計軟件，它提供先進(jìn)且符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的分析、優(yōu)化、公差分析功能，能夠快速準(zhǔn)確地完成光學(xué)成像及照明設(shè)計。Zemax軟件通過精簡光學(xué)工程師、機械工程師以及制造工程師之間的工作流與交流過程，幫助公司更快產(chǎn)出高品質(zhì)的設(shè)計。
一、本書特色
1. 針對性強
本書編者根據(jù)自己多年的計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域工作經(jīng)驗和教學(xué)經(jīng)驗，針對初級用戶學(xué)習(xí)Zemax的難點和疑點，由淺入深、全面細(xì)致地講解了Zemax在光學(xué)設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域的各種功能和使用方法。
2. 實例經(jīng)典
本書中有很多實例本身就是工程設(shè)計項目案例，經(jīng)過編者精心提煉和改編，不僅保證了讀者能夠?qū)W好知識點，更重要的是能幫助讀者掌握實際的操作技能。
3. 提升技能
本書從全面提升Zemax設(shè)計能力的角度出發(fā)，結(jié)合大量的案例來講解如何利用Zemax進(jìn)行工程設(shè)計，真正讓讀者懂得計算機輔助光學(xué)設(shè)計并能夠獨立地完成各種工程設(shè)計。
4. 內(nèi)容全面
本書在有限的篇幅內(nèi)，講解了Zemax的全部常用功能。讀者通過學(xué)習(xí)本書，可以較為全面地掌握Zemax相關(guān)知識。本書不僅有透徹的講解，還有豐富的實例，通過這些實例的演練，能夠幫助讀者找到一條學(xué)習(xí)Zemax的捷徑。
二、本書資源與服務(wù)
1. 安裝軟件的獲取
按照本書上的實例進(jìn)行操作練習(xí)，以及使用Zemax進(jìn)行工程設(shè)計時，需要事先在計算機上安裝相應(yīng)的軟件。讀者可訪問ANSYS公司官方網(wǎng)站下載試用版，或到當(dāng)?shù)亟?jīng)銷商處購買正版軟件。
2. 電子資源使用說明
本書配套了豐富的學(xué)習(xí)資源，包含了全書講解實例和練習(xí)實例的源文件素材，并制作了同步教學(xué)視頻。掃書中對應(yīng)二維碼，即可輕松愉悅地學(xué)習(xí)本書。
本書由陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校光電火控系的張璽和陸軍裝備部駐昆明地區(qū)第二軍代室的唐欽編著，其中張璽編寫了第1～6章，唐欽編寫了第7～12章。
本書雖經(jīng)作者幾易其稿，但由于時間倉促加之水平有限，書中不足之處在所難免，望讀者批評指正。

編著者

第1章 光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ) 001
1.1 光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ) 002
1.1.1 光學(xué)系統(tǒng)中的概念 002
1.1.2 理想光學(xué)系統(tǒng) 004
1.1.3 近軸系統(tǒng) 005
1.2 光學(xué)設(shè)計概述 006
1.2.1 光學(xué)設(shè)計基本原理 006
1.2.2 光學(xué)設(shè)計的具體步驟 007
1.2.3 光學(xué)設(shè)計軟件 007
1.3 Ansys Zemax簡介 009
1.3.1 Ansys Zemax 軟件分類 009
1.3.2 Ansys Zemax的功能 011
1.3.3 啟動Ansys Zemax OpticStudio 2023  012
1.3.4 切換語言  013
1.4 Ansys Zemax OpticStudio的幫助系統(tǒng) 014
1.4.1 使用目錄和索引查找聯(lián)機幫助 015
1.4.2 使用命令查找聯(lián)機幫助 017
1.4.3 使用網(wǎng)絡(luò)資源 017
1.4.4 幫助工具 018

第2章 認(rèn)識Ansys Zemax OpticStudio 019
2.1 Ansys Zemax OpticStudio用戶界面   020
2.2 編輯器窗口 023
2.2.1 鏡頭數(shù)據(jù)編輯器 023
2.2.2 視場數(shù)據(jù)編輯器 024
2.2.3 窗口操作 027
2.3 文件操作與管理 029
2.3.1　新建項目 029
2.3.2 新建設(shè)計 030
2.3.3　打開項目 031
2.3.4　保存文件 032
2.3.5　關(guān)閉項目 033
2.3.6 文件存檔 033
2.3.7 文件導(dǎo)出 034
2.4 工作環(huán)境的設(shè)置 036
2.5 系統(tǒng)選項設(shè)置 037
2.5.1 設(shè)置系統(tǒng)孔徑 037
2.5.2 設(shè)置視場 040
2.5.3 設(shè)置波長 042
2.5.4 設(shè)置系統(tǒng)環(huán)境 044
2.5.5 設(shè)置偏振 044
2.5.6 設(shè)置高級選項 045
2.5.7 設(shè)置光線瞄準(zhǔn)  046
2.5.8 設(shè)置材料庫 048
2.5.9 設(shè)置標(biāo)題和注解 048
2.5.10 設(shè)置文件 049
2.5.11 設(shè)置單位 049
2.5.12 設(shè)置成本估計 050
2.5.13 設(shè)置非序列 051
2.5.14 實例：新建材料庫 051

第3章 初識鏡頭數(shù)據(jù)編輯器 055
3.1 鏡頭數(shù)據(jù)基本操作 056
3.1.1 單元格操作 056
3.1.2 輸入數(shù)據(jù) 057
3.1.3 行列操作 057
3.1.4 切換視圖顯示 059
3.1.5 輸入表面參數(shù) 060
3.2 鏡頭數(shù)據(jù)設(shè)置 061
3.2.1 表面類型設(shè)置 061
3.2.2 實例：切換雙折射透鏡光學(xué)系統(tǒng)表面 064
3.2.3 定義表面注釋 067
3.2.4 定義曲率半徑 067
3.2.5 設(shè)置厚度 068
3.2.6 選擇材料 074
3.2.7 實例：凸透鏡和凹透鏡系統(tǒng) 076
3.2.8 膜層設(shè)置 082
3.2.9 設(shè)置凈口徑 084
3.2.10 實例：設(shè)置凸凹透鏡系統(tǒng)表面孔徑 085
3.2.11 延伸區(qū)設(shè)置 086
3.2.12 機械半直徑 087
3.2.13 實例：二元面單透鏡系統(tǒng) 087
3.2.14 圓錐系數(shù)設(shè)置 091
3.2.15 TCE設(shè)置 092

第4章 光學(xué)成像鏡頭設(shè)計 094
4.1 光學(xué)成像系統(tǒng) 095
4.1.1 物體成像原理 095
4.1.2 光學(xué)透鏡  095
4.1.3 光闌 096
4.2 Zemax模型 098
4.2.1 序列模型 098
4.2.2 非序列模型 098
4.3 光線追跡 099
4.3.1 二維布局圖 099
4.3.2 三維布局圖 103
4.3.3 實例：平行光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 104
4.3.4 實例：雙折射透鏡光學(xué)系統(tǒng) 107
4.3.5 實體模型圖 110
4.3.6 CAD零件圖 112
4.3.7 實例：投影儀光學(xué)系統(tǒng) 112

第5章 鏡頭編輯高級操作 117
5.1 表面參數(shù)設(shè)置 118
5.1.1 設(shè)置繪圖屬性 118
5.1.2 設(shè)置通光孔徑 119
5.1.3 實例：設(shè)置凸凹透鏡系統(tǒng)表面參數(shù) 120
5.1.4 設(shè)置表面散射類型 122
5.1.5 設(shè)置表面傾斜和偏心 124
5.1.6 實例：玻璃透鏡系統(tǒng) 126
5.2 坐標(biāo)間斷 128
5.2.1 選擇坐標(biāo)間斷面 128
5.2.2 表面旋轉(zhuǎn)偏心 130
5.2.3 轉(zhuǎn)折反射鏡 132
5.2.4 實例：反射鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 132
5.3 表面轉(zhuǎn)換設(shè)置 134
5.3.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 134
5.3.2 雙通系統(tǒng) 135
5.3.3 實例：玻璃透鏡雙通系統(tǒng)設(shè)計 136
5.3.4 復(fù)合表面 136
5.3.5 表面翻轉(zhuǎn) 138
5.3.6 轉(zhuǎn)換TrueFreeForm表面 138
5.3.7 改變焦距 139
5.3.8 實例：鏡頭組光學(xué)系統(tǒng) 139
5.4 多重結(jié)構(gòu)設(shè)計 143
5.4.1 多重結(jié)構(gòu)編輯器 143
5.4.2 操作數(shù)類型 145
5.4.3 實例：系統(tǒng)孔徑多重結(jié)構(gòu)設(shè)計 149
5.4.4 熱分析 151
5.4.5 共軛分析 152
5.4.6 實例：多重結(jié)構(gòu)共軛分析 152

第6章 光學(xué)系統(tǒng)分析 154
6.1 光線追跡分析 155
6.1.1 光線追跡過程 155
6.1.2 單光線追跡 156
6.1.3 光跡圖 156
6.1.4 基面數(shù)據(jù) 158
6.1.5 Y-Ybar 圖 159
6.1.6 漸暈圖 159
6.1.7 入射角 vs.像高 160
6.1.8 實例：平行光光學(xué)系統(tǒng)光線追跡 160
6.2 偏振與表面物理分析 163
6.2.1 偏振分析 163
6.2.2 表面分析 164
6.2.3 實例：不規(guī)則面光學(xué)系統(tǒng)表面分析 165
6.2.4 膜層分析 168
6.2.5 實例：屏蔽藍(lán)光光學(xué)系統(tǒng)分析 169
6.3 材料分析 172
6.3.1 色散圖 172
6.3.2 玻璃圖 172
6.3.3 無熱化玻璃圖 173
6.3.4 透過率曲線 173
6.4 輸出報告 174
6.4.1 表面數(shù)據(jù)報告 174
6.4.2 分類數(shù)據(jù)報告 175
6.4.3 實例：1/4玻板光學(xué)系統(tǒng)偏振分析 176
6.5 幾何像差分析 178
6.5.1 球差 178
6.5.2 實例：凸凹透鏡系統(tǒng)球差分析 179
6.5.3 彗差 179
6.5.4 實例：凸凹透鏡系統(tǒng)彗差分析 180
6.5.5 像散 181
6.5.6 實例：凸凹透鏡系統(tǒng)像散分析 181
6.5.7 場曲 184
6.5.8 實例：凸凹透鏡系統(tǒng)場曲分析 184
6.5.9 畸變 186
6.5.10 色差 186
6.5.11 實例：衍射光柵光學(xué)系統(tǒng)色差分析  186

第7章 非序列模式設(shè)計 190
7.1 非序列模式  191
7.1.1 非序列元件編輯器 191
7.1.2 布局圖顯示 193
7.1.3 實例：創(chuàng)建菲涅耳透鏡 194
7.2 物體編輯 203
7.2.1 物體編輯器 203
7.2.2 調(diào)整物體位置 205
7.2.3 陣列物體 206
7.2.4 實例：陣列透鏡 206
7.2.5 合并物體 210
7.2.6 創(chuàng)建多面體 211
7.2.7 實例：創(chuàng)建六角形透鏡 212
7.3 物體屬性設(shè)置 217
7.3.1 “類型”選項卡 217
7.3.2 “繪圖”選項卡 218
7.3.3 “光源”選項卡 219
7.3.4 “膜層/散射”選項卡 221
7.3.5 “散射路徑”選項卡 222
7.3.6 “體散射”選項卡 222
7.3.7 “折射率”選項卡 222
7.3.8 實例：環(huán)形鏡頭 223
7.4 探測器分析 227
7.4.1 探測器的形狀 227
7.4.2 探測器工具 228
7.4.3 探測器查看器 229
7.4.4 實例：GRIN透鏡光學(xué)系統(tǒng) 229
7.5 非序列光線追跡 236
7.5.1 非序列系統(tǒng)光線追跡方法 236
7.5.2 定義光源模型 237
7.5.3 光線追跡控制 239
7.5.4 Lightning追跡 240
7.5.5 特定光線比對 240
7.5.6 單光線追跡 241
7.5.7 實例：雙折射立方體成像系統(tǒng) 242

第8章 幾何光學(xué)像質(zhì)評價 249
8.1 幾何像差分析 250
8.1.1 光線像差圖 250
8.1.2 光程差圖 251
8.1.3 光瞳像差圖 252
8.1.4 全視場像差圖 252
8.1.5 場曲/畸變 253
8.1.6 網(wǎng)格畸變 255
8.1.7 實例：凸凹透鏡系統(tǒng)場曲顯示 255
8.1.8 軸向像差 256
8.1.9 垂軸色差 257
8.1.10 色焦移 258
8.1.11 實例：衍射光柵光學(xué)系統(tǒng)色差顯示 258
8.1.12 賽德爾系數(shù) 260
8.1.13 塞德爾圖 261
8.2 點列圖分析 262
8.2.1 標(biāo)準(zhǔn)點列圖 262
8.2.2 離焦點列圖 265
8.2.3 全視場點列圖 265
8.2.4 矩陣點列圖 266
8.2.5 實例：凸凹透鏡系統(tǒng)點列圖分析 267
8.3 波前差分析 268
8.3.1 波前圖 268
8.3.2 干涉圖 269
8.3.3 實例：凹凸透鏡系統(tǒng)球差顯示分析 271
8.3.4 傅科分析 273
8.3.5 對比度損失圖 274
8.3.6 Zernike系數(shù) 276
8.3.7 Zernike系數(shù)vs.視場 276
8.3.8 實例：凹凸透鏡系統(tǒng)球差定量分析 277

第9章 物理光學(xué)像質(zhì)評價 279
9.1 點擴散函數(shù) 280
9.1.1 FFT算法  280
9.1.2 惠更斯算法 283
9.2 MTF分析 284
9.2.1 FFT算法 284
9.2.2 惠更斯算法 287
9.2.3 高斯求積算法 288
9.2.4 實例：偶次非球面光學(xué)系統(tǒng) 289
9.3 RMS分析 292
9.3.1 RMS vs.視場 292
9.3.2 二維視場RMS圖 293
9.3.3 實例：衍射光柵光學(xué)系統(tǒng)RMS分析 294
9.4 能量集中度分析 296
9.4.1 衍射 296
9.4.2 幾何 297
9.4.3 幾何線/邊緣擴散 298
9.4.4 擴展光源 299
9.4.5 實例：雙折射透鏡光學(xué)系統(tǒng)能量集中度分析 299
9.5 圖像擴展分析 300
9.5.1 圖像模擬 301
9.5.2 幾何圖像分析 302
9.5.3 幾何位圖圖像分析 304
9.5.4 部分相干圖像分析 305
9.5.5 擴展圖像分析 306
9.5.6 相對照度分析 307
9.5.7 實例：光學(xué)系統(tǒng)圖形模擬分析 308
9.6 激光傳播 309
9.6.1 物理光學(xué)傳播分析 309
9.6.2 高斯光束 312
9.6.3 光纖耦合 314
9.6.4 實例：近軸面光學(xué)系統(tǒng)全面衍射光學(xué)分析 315

第10章 光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化 317
10.1 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的過程 318
10.2 手動調(diào)整 318
10.2.1 快速聚焦 318
10.2.2 快速調(diào)整 319
10.2.3 滑塊控件 319
10.2.4 可視化優(yōu)化器 320
10.2.5 實例：不規(guī)則面光學(xué)系統(tǒng)手動調(diào)整 321
10.3 自動優(yōu)化 322
10.3.1 評價函數(shù)編輯器 322
10.3.2 評價函數(shù)操作數(shù) 323
10.3.3 優(yōu)化向?qū)?325
10.3.4 執(zhí)行優(yōu)化 327
10.3.5 實例：凹凸透鏡系統(tǒng)球差自動優(yōu)化 328
10.4 全局優(yōu)化 331
10.4.1 全局優(yōu)化 332
10.4.2 錘形優(yōu)化 332
10.4.3 玻璃替換模板 333
10.5 優(yōu)化工具 333
10.5.1 尋找最佳非球面 333
10.5.2 非球面類型轉(zhuǎn)換  334
10.5.3 庫存鏡頭匹配 334
10.5.4 樣板匹配 335
10.5.5 樣板列表 336

第11章 光學(xué)系統(tǒng)公差分析  337
11.1 公差分析概述 338
11.2 公差分析方法 339
11.2.1 公差數(shù)據(jù)編輯器 339
11.2.2 公差分析向?qū)?340
11.2.3 執(zhí)行公差分析 342
11.2.4 實例：凹凸透鏡系統(tǒng)公差分析 345
11.3 快速公差分析 347
11.3.1 快速靈敏度分析  347
11.3.2 快速良率分析 347
11.3.3 實例：凹凸透鏡系統(tǒng)快速公差分析 348
11.4 公差數(shù)據(jù)可視化 349
11.4.1 公差數(shù)據(jù)查看器  349
11.4.2 直方圖分析 350
11.4.3 良率分析 351
11.5 加工圖紙與數(shù)據(jù)分析 351
11.5.1 ISO元件圖 352
11.5.2 Zemax元件制圖 352
11.5.3 實例：二元面系統(tǒng)光學(xué)加工圖 353

第12章 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計實例 356
12.1 目鏡設(shè)計 357
12.1.1 定義初始結(jié)構(gòu) 357
12.1.2 球差顯示分析 360
12.1.3 球差定量分析 361
12.1.4 系統(tǒng)自動優(yōu)化 362
12.1.5 圖形模擬分析 364
12.2 光纖耦合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 365
12.2.1 初始結(jié)構(gòu)設(shè)計 366
12.2.2 光纖耦合 371
12.2.3 多重結(jié)構(gòu)設(shè)計 371
12.3 奧夫納中繼器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 372
12.3.1 定義初始結(jié)構(gòu) 373
12.3.2 系統(tǒng)優(yōu)化 375
12.3.3 波前數(shù)據(jù)分析 378

參考文獻(xiàn) 380