ZEMAX 光學設計從基礎到實踐

第1章 光學設計基礎 001
1.1 光學系統基礎 002
1.1.1 光學系統中的概念 002
1.1.2 理想光學系統 004
1.1.3 近軸系統 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 014
1.4.1 使用目錄和索引查找聯機幫助 015
1.4.2 使用命令查找聯機幫助 017
1.4.3 使用網絡資源 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 鏡頭數據編輯器 023
2.2.2 視場數據編輯器 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 工作環境的設置 036
2.5 系統選項設置 037
2.5.1 設置系統孔徑 037
2.5.2 設置視場 040
2.5.3 設置波長 042
2.5.4 設置系統環境 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 初識鏡頭數據編輯器 055
3.1 鏡頭數據基本操作 056
3.1.1 單元格操作 056
3.1.2 輸入數據 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 060
3.2 鏡頭數據設置 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 076
3.2.8 膜層設置 082
3.2.9 設置凈口徑 084
3.2.10 實例：設置凸凹透鏡系統表面孔徑 085
3.2.11 延伸區設置 086
3.2.12 機械半直徑 087
3.2.13 實例：二元面單透鏡系統 087
3.2.14 圓錐系數設置 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 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：平行光光學系統設計 104
4.3.4 實例：雙折射透鏡光學系統 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 112
第5章 鏡頭編輯高級操作 117
5.1 表面參數設置 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：設置凸凹透鏡系統表面參數 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 126
5.2 坐標間斷 128
5.2.1 選擇坐標間斷面 128
5.2.2 表面旋轉偏心 130
5.2.3 轉折反射鏡 132
5.2.4 實例：反射鏡光學系統設計 132
5.3 表面轉換設置 134
5.3.1 坐標系轉換 134
5.3.2 雙通系統 135
5.3.3 實例：玻璃透鏡雙通系統設計 136
5.3.4 覆合表面 136
5.3.5 表面翻轉 138
5.3.6 轉換TrueFreeForm表面 138
5.3.7 改變焦距 139
5.3.8 實例：鏡頭組光學系統 139
5.4 多重結構設計 143
5.4.1 多重結構編輯器 143
5.4.2 操作數類型 145
5.4.3 實例：系統孔徑多重結構設計 149
5.4.4 熱分析 151
5.4.5 共軛分析 152
5.4.6 實例：多重結構共軛分析 152
第6章 光學系統分析 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 基面數據 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：不規則面光學系統表面分析 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 表面數據報告 174
6.4.2 分類數據報告 175
6.4.3 實例：1/4玻板光學系統偏振分析 176
6.5 幾何像差分析 178
6.5.1 球差 178
6.5.2 實例：凸凹透鏡系統球差分析 179
6.5.3 彗差 179
6.5.4 實例：凸凹透鏡系統彗差分析 180
6.5.5 像散 181
6.5.6 實例：凸凹透鏡系統像散分析 181
6.5.7 場曲 184
6.5.8 實例：凸凹透鏡系統場曲分析 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 合並物體 210
7.2.6 創建多面體 211
7.2.7 實例：創建六角形透鏡 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 229
7.5 非序列光線追跡 236
7.5.1 非序列系統光線追跡方法 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 242
第8章 幾何光學像質評價 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 網格畸變 255
8.1.7 實例：凸凹透鏡系統場曲顯示 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：衍射光柵光學系統色差顯示 258
8.1.12 賽德爾系數 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：凸凹透鏡系統點列圖分析 267
8.3 波前差分析 268
8.3.1 波前圖 268
8.3.2 幹涉圖 269
8.3.3 實例：凹凸透鏡系統球差顯示分析 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 276
8.3.7 Zernike系數vs.視場 276
8.3.8 實例：凹凸透鏡系統球差定量分析 277
第9章 物理光學像質評價 279
9.1 點擴散函數 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 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 部分相幹圖像分析 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：近軸面光學系統全面衍射光學分析 315
第10章 光學系統的優化 317
10.1 光學系統優化設計的過程 318
10.2 手動調整 318
10.2.1 快速聚焦 318
10.2.2 快速調整 319
10.2.3 滑塊控件 319
10.2.4 可視化優化器 320
10.2.5 實例：不規則面光學系統手動調整 321
10.3 自動優化 322
10.3.1 評價函數編輯器 322
10.3.2 評價函數操作數 323
10.3.3 優化向導 325
10.3.4 執行優化 327
10.3.5 實例：凹凸透鏡系統球差自動優化 328
10.4 全局優化 331
10.4.1 全局優化 332
10.4.2 錘形優化 332
10.4.3 玻璃替換模板 333
10.5 優化工具 333
10.5.1 尋找最佳非球面 333
10.5.2 非球面類型轉換 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 公差數據編輯器 339
11.2.2 公差分析向導 340
11.2.3 執行公差分析 342
11.2.4 實例：凹凸透鏡系統公差分析 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：凹凸透鏡系統快速公差分析 348
11.4 公差數據可視化 349
11.4.1 公差數據查看器 349
11.4.2 直方圖分析 350
11.4.3 良率分析 351
11.5 加工圖紙與數據分析 351
11.5.1 ISO元件圖 352
11.5.2 Zemax元件制圖 352
11.5.3 實例：二元面系統光學加工圖 353
第12章 光學系統設計實例 356
12.1 目鏡設計 357
12.1.1 定義初始結構 357
12.1.2 球差顯示分析 360
12.1.3 球差定量分析 361
12.1.4 系統自動優化 362
12.1.5 圖形模擬分析 364
12.2 光纖耦合光學系統設計 365
12.2.1 初始結構設計 366
12.2.2 光纖耦合 371
12.2.3 多重結構設計 371
12.3 奧夫納中繼器光學系統設計 372
12.3.1 定義初始結構 373
12.3.2 系統優化 375
12.3.3 波前數據分析 378
參考文獻 380