本書系統(tǒng)講解了利用Zemax 2023進行光學設計和仿真分析的各種方法和技巧，主要內(nèi)容包括光學設計基礎、認識Ansys Zemax OpticStudio、初識鏡頭數(shù)據(jù)編輯器、光學成像鏡頭設計、鏡頭編輯高級操作、光學系統(tǒng)分析、非序列模式設計、幾何光學像質(zhì)評價、物理光學像質(zhì)評價、光學系統(tǒng)的優(yōu)化、光學系統(tǒng)公差分析和光學系統(tǒng)設計實例等。本書內(nèi)容全面實用，循序漸進，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，掃描書中相應的二維碼，即可邊學邊看，學習更加高效。本書非常適合從事光學系統(tǒng)設計、仿真與分析的技術(shù)人員自學使用，也可用作高等院校相關專業(yè)的教材及參考書。

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目錄

第1章 光學設計基礎 001

1.1 光學系統(tǒng)基礎 002

1.1.1 光學系統(tǒng)中的概念 002

1.1.2 理想光學系統(tǒng) 004

1.1.3 近軸系統(tǒng) 005

1.2 光學設計概述 006

1.2.1 光學設計基本原理 006

1.2.2 光學設計的具體步驟 007

1.2.3 光學設計軟件 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)絡資源 017

1.4.4 幫助工具 018

第2章 認識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 新建設計 030

2.3.3 打開項目 031

2.3.4 保存文件 032

2.3.5 關閉項目 033

2.3.6 文件存檔 033

2.3.7 文件導出 034

2.4 工作環(huán)境的設置 036

2.5 系統(tǒng)選項設置 037

2.5.1 設置系統(tǒng)孔徑 037

2.5.2 設置視場 040

2.5.3 設置波長 042

2.5.4 設置系統(tǒng)環(huán)境 044

2.5.5 設置偏振 044

2.5.6 設置高級選項 045

2.5.7 設置光線瞄準 046

2.5.8 設置材料庫 048

2.5.9 設置標題和注解 048

2.5.10 設置文件 049

2.5.11 設置單位 049

2.5.12 設置成本估計 050

2.5.13 設置非序列 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)設置 061

3.2.1 表面類型設置 061

3.2.2 實例：切換雙折射透鏡光學系統(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 膜層設置 082

3.2.9 設置凈口徑 084

3.2.10 實例：設置凸凹透鏡系統(tǒng)表面孔徑 085

3.2.11 延伸區(qū)設置 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)設置 091

3.2.15 TCE設置 092

第4章 光學成像鏡頭設計 094

4.1 光學成像系統(tǒng) 095

4.1.1 物體成像原理 095

4.1.2 光學透鏡 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：平行光光學系統(tǒng)設計 104

4.3.4 實例：雙折射透鏡光學系統(tǒng) 107

4.3.5 實體模型圖 110

4.3.6 CAD零件圖 112

4.3.7 實例：投影儀光學系統(tǒng) 112

第5章 鏡頭編輯高級操作 117

5.1 表面參數(shù)設置 118

5.1.1 設置繪圖屬性 118

5.1.2 設置通光孔徑 119

5.1.3 實例：設置凸凹透鏡系統(tǒng)表面參數(shù) 120

5.1.4 設置表面散射類型 122

5.1.5 設置表面傾斜和偏心 124

5.1.6 實例：玻璃透鏡系統(tǒng) 126

5.2 坐標間斷 128

5.2.1 選擇坐標間斷面 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：反射鏡光學系統(tǒng)設計 132

5.3 表面轉(zhuǎn)換設置 134

5.3.1 坐標系轉(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)設計 136

5.3.4 復合表面 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：鏡頭組光學系統(tǒng) 139

5.4 多重結(jié)構(gòu)設計 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)則面光學系統(tǒng)表面分析 165

6.2.4 膜層分析 168

6.2.5 實例：屏蔽藍光光學系統(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：衍射光柵光學系統(tǒng)色差分析 186

第7章 非序列模式設計 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 標準點列圖 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：光學系統(tǒng)圖形模擬分析 308

9.6 激光傳播 309

9.6.1 物理光學傳播分析 309

9.6.2 高斯光束 312

9.6.3 光纖耦合 314

9.6.4 實例：近軸面光學系統(tǒng)全面衍射光學分析 315

第10章 光學系統(tǒng)的優(yōu)化 317

10.1 光學系統(tǒng)優(yōu)化設計的過程 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 尋找很好非球面 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)光學加工圖 353

第12章 光學系統(tǒng)設計實例 356

12.1 目鏡設計 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 光纖耦合光學系統(tǒng)設計 365

12.2.1 初始結(jié)構(gòu)設計 366

12.2.2 光纖耦合 371

12.2.3 多重結(jié)構(gòu)設計 371

12.3 奧夫納中繼器光學系統(tǒng)設計 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 380