ZEMAX软件在象差设计中的应用高志山NUST南京理工大学2006年3月前言南京理工大学光电智能工程技术研究中心于1998年从美国进口ZEMAX光学设计软件，过去，我校光电信息工程本科专业的“光学CAD”或“光学CAD课程设计”课程教学，依靠我校老一辈自己研发的光学设计软件OP(Optical Program)。目前国内外光学行业广泛使用ZEMAX光学设计软件，用于公司、研究所、高校的产品设计、研究、教学培训，为了适应行业对人才的需求，我校从2000年开始在课堂教学中引入ZEMAX软件的相关知识，并在“光学CAD课程设计”教学中完全使用ZEMAX软件作为工具软件。我校光学信息工程的光学设计课程体系包含“应用光学”(4学分)、“象质评价技术”(2学分)、“光学CAD课程设计”(3学分)。“应用光学”主要讲授高斯光学光束变换、成象原理，“象质评价技术”主要讲授象差理论，为后续的“光学CAD课程设计”打下基础，“光学CAD课程设计”是主要讲授光学系统设计、系统性能辅助分析的方法与技巧。在课程体系的三个阶段，都要涉及ZEMAX软件有关概念，但ZEMAX软件中透镜系统的建立、象质评价指标的物理含义、优化设计方法等概念均在“光学CAD课程设计”中详细阐述。笔者在使用ZEMAX软件从事科研、及多年从事“光学CAD”教学研究的基础上，为“光学CAD课程设计”编写的。第一章讲述ZEMAX软件的窗口、透镜系统建立的基本方法、象质评价指标的物理含义、设计举例。第二章讲述ZEMAX的优化设计准备工作，如“傻瓜评价函数”（或缺省评价函数）、ZEMAX内建操作符的物理含义。第三章讲述ZEMAX中如何在评价函数中建立象差的控制？包括轴上象差与轴外象差、举例设计自由空间光通信的光学天线。第四章讲述典型光学系统的象差设计方法。本书在排版、校对过程中得到博士生孔梅梅、硕士生李新华、朱佳丽、吕振华等同志的大力帮助，在此谨向他们致以深切谢意，并向引为本书参考文献的作者或单位致谢！由于编者水平有限、编写时间仓促，书中缺点与不足，在所难免，做请读者批评指正。高志山2006年3月于南京理工大学目录第1章ZEMAX用户界面…1.2 ZEMAX的视窗类型】I.3主视窗的操作(Main Window Operations)21.4.3其他光学特性参数的输入方法…51.4.4 ZEMAX中的象质评价方法第2章ZEMAX优化与操作符.292.1 Merit Function(评价函数)的构成要素…2.2评价函数的“傻瓜”（或缺省）构成方法……302.3修改成自定义评价函数34第3章象差设计在ZEMAX中的实现…433.1 Default merit function和现有象差控制符的局限性…443.1.】轴上点的象差操作符局限性…443.1.2轴外物点的象差操作符局限性…4432常见象差控制在评价函数中的实现3.2.】轴上球差、色差的控制操作符….463.2.2轴外初级象差的控制操作符…483.2.3轴外物点视场孔径高级象差的定义及其控制操作符…523.3象差设计举例一自由空间光通信中光学天线的设计…53第4章象差设计举例….664.】望远物镜或准直物镜的设计…664.1.1双胶合望远物镜的设计…664.1.2大相对孔径的望远物镜的设计4.】3摄远型物镜设计764.2显微物镜设计…844.2.】显微物镜的特点844.2.2设计例子…4.2.2.1低倍消色差物镜设计.854.2.2.2中倍消色差显微物镜设计.874.3目镜设计…4.3.1目镜光学特性特点…4.3.2目镜的像差校正…主要参考文献…附录A2005年《光学CAD》课程设计内容安排.101附录B课程设计后举例说明设计1提交的书面材料标准格式.107