HJ ZEMAX光学设计超级学习手册 9787115345851 人民邮电出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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林晓阳著 著

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出版社： 人民邮电出版社

ISBN：9787115345851

商品编码：29292803873

包装：平装

基本信息

书名：ZEMAX光学设计超级学习手册

定价：59.00元

作者：林晓阳著

出版社：人民邮电出版社

出版日期：

ISBN：9787115345851

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容全面，结构清晰；
讲解细致，循序渐进。
工程应用实例丰富；所有实例均经过精心设计与筛选，代表性强。

内容提要

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《ZEMAX光学设计超级学习手册》以ZEMAX 2010作为软件平台，详细讲解了ZEMAX在光学设计中的使用方法与技巧，帮助读者尽快掌握ZEMAX这一光学设计工具。 《ZEMAX光学设计超级学习手册》结合作者多年的使用和开发经验，通过丰富的工程实例将ZEMAX的使用方法详细介绍给读者。全书共分为11章，主要讲解了ZEMAX的使用界面和基本功能，光学像差理论和成像质量的评价，以及各种透镜和目镜、显微镜、望远镜等目视光学系统的设计。 《ZEMAX光学设计超级学习手册》注重基础，内容详实，突出实例讲解，既可以作为光学设计人员、科研人员等相关专业人士的工具书，也可以作为相关专业高年级本科生、研究生的学习教材。

目录

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目 录



章 ZEMAX入门 1

1.1 ZEMAX的启动与退出 1

1.2 用户界面 3

1.2.1 窗口类型 4

1.2.2 主窗口介绍 4

1.2.3 文件菜单 5

1.2.4 编辑菜单 6

1.2.5 系统菜单 16

1.2.6 分析菜单 20

1.2.7 工具菜单 20

1.2.8 报告菜单 29

1.2.9 宏指令菜单 32

1.2.10 外扩展菜单 32

1.2.11 窗口菜单 33

1.2.12 帮助菜单 34

1.3 ZEMAX常用操作快捷键 34

1.3.1 放弃长时间计算 34

1.3.2 快捷方式的总结 35

1.4 本章小结 36



第2章 像质评价 37

2.1 外形图 37

2.1.1 二维外形图 37

2.1.2 3D外形图 38

2.1.3 阴影图 39

2.1.4 元件图 39

2.1.5 ISO元件图 41

2.2 几何光学像质量评价 41

2.2.1 特性曲线 41

2.2.2 点列图 43

2.2.3 调制传递函数 46

2.2.4 点扩散函数 48

2.2.5 波前 51

2.2.6 曲面 52

2.2.7 均方根 53

2.2.8 像差系数(Aberration Coefficients) 54

2.2.9 杂项(Miscellaneous) 56

2.3 能量分析 61

2.3.1 能量分布 62

2.3.2 照度 62

2.4 像分析 64

2.4.1 模拟图像 64

2.4.2 双目分析 68

2.4.3 计算 68

2.5 其他 69

2.5.1 玻璃和梯度折射率 69

2.5.2 通用图表 70

2.5.3 偏振状态 71

2.5.4 镀膜(Coatings) 72

2.5.5 物理光学(Physical Optics) 73

2.6 本章小结 73



第3章 初级像差理论与像差校正 74

3.1 几何像差与像差表示方法及像差校正 74

3.1.1 球差 74

3.1.2 慧差 79

3.1.3 像散 85

3.1.4 场曲 89

3.1.5 畸变 95

3.1.6 色差(ColorAberration) 98

3.2 厚透镜初级像差 103

3.3 薄透镜初级像差 105

3.4 像差校正和平衡方法 106

3.5 本章小结 106



第4章 ZEMAX基本功能详解 107

4.1 ZEMAX 3种优化方法 107

4.1.1 优化方法选择 107

4.1.2 Global Search和Hammer Optimization区别 108

4.1.3 局部优化(Optimization)缺点 112

4.1.4 全局搜索优势 112

4.2 ZEMAX评价函数使用方法 114

4.2.1 优化中的术语定义 114

4.2.2 评价函数方程表达 115

4.2.3 波前优化方法 118

4.2.4 光斑尺寸优化方法 120

4.2.5 角谱半径优化方法 121

4.3 ZAMAX多重结构使用方法 122

4.3.1 实例一：模拟元件的变化 123

4.3.2 实例二：衍射级次显示 127

4.3.3 实例三：分光板模拟 131

4.4 ZAMAX坐标断点使用方法 137

4.4.1 ZEMAX坐标系 137

4.4.2 自带坐标断点使用方法 139

4.4.3 坐标断点面使用方法 139

4.4.4 样例一：旋转角度的优化方法 140

4.4.5 样例二：使用坐标断点寻找主光线位置及方向 143

4.4.6 样例三：坐标返回的使用方法 144

4.5 本章小结 147



第5章 公差分析 148

5.1 公差 148

5.1.1 误差来源 148

5.1.2 设置公差 149

5.1.3 公差操作数 149

5.2 默认公差的定义 150

5.2.1 表面公差 151

5.2.2 元件公差 152

5.3 公差分析3种法则 153

5.3.1 灵敏度分析 153

5.3.2 反转灵敏度分析 154

5.3.3 蒙特卡罗分析 154

5.4 公差过程的使用 157

5.4.1 公差分析的执行 157

5.4.2 双透镜的公差分析 160

5.5 本章小结 166



第6章 非序列模式设计 167

6.1 ZEMAX中非序列模型介绍 167

6.1.1 模型类别 167

6.1.2 面元反射镜 168

6.1.3 光源分布 169

6.1.4 棱镜 172

6.1.5 光线分束 173

6.1.6 散射 175

6.1.7 衍射光学元件 177

6.1.8 相干模拟 178

6.1.9 复杂几何物体创建 179

6.1.10 吸收分析 181

6.2 创建非序列光学系统 182

6.2.1 建立基本系统特性 183

6.2.2 创建反射镜 185

6.2.3 光源建模 186

6.2.4 旋转光源 187

6.2.5 放置探测器 189

6.2.6 跟踪分析光线探测器 190

6.2.7 增加凸透镜 192

6.2.8 光线跟踪分析和偏振损耗 194

6.2.9 增加矩形ADAT光纤 195

6.2.10 使用跟随解定位探测器 198

6.2.11 整个系统光线追迹 198

6.3 将序列面改成非序列物体 199

6.3.1 转变NSC的工具 199

6.3.2 初始结构 200

6.3.3 使用转换工具 202

6.3.4 插入非序列光源 203

6.3.5 插入探测器物体 205

6.4 模拟混合式非序列(NSC with Ports) 208

6.4.1 序列/非序列模式 208

6.4.2 建立非序列组件 211

6.4.3 定义多焦透镜 212

6.4.4 带状优化 215

6.4.5 目标局部 216

6.4.6 系统性能 217

6.4.7 运行影像分析性能之优化 218

6.4.8 终设计 219

6.5 优化非序列光学系统 219

6.5.1 Damped Least Squares和Orthogonal Descent 220

6.5.2 建立系统 222

6.5.3 评价函数 223

6.5.4 自由曲面反射镜 224

6.5.5 优化 226

6.6 本章小结 228



第7章 基础设计实例 229

7.1 单透镜设计 229

7.1.1 ZEMAX序列模式简介 229

7.1.2 单透镜系统参数 231

7.1.3 单透镜初始结构 233

7.1.4 单透镜的变量与优化目标 235

7.1.5 单透镜优化结果分析与改进设计 237

7.2 双胶合消色差透镜设计 240

7.2.1 双胶合透镜设计规格参数及系统参数输入 241

7.2.2 双胶合透镜初始结构 242

7.2.3 设置变量及评价函数 244

7.2.4 优化及像质评价 245

7.2.5 玻璃优化——校正色差 247

7.3 牛顿望远镜设计 249

7.3.1 牛顿望远镜来源简介及设计规格 249

7.3.2 牛顿望远镜初始结构 251

7.3.3 添加反射镜及遮拦孔径 253

7.3.4 修改反射镜以提高MTF 258

7.4 变焦镜头设计 260

7.4.1 变焦镜头设计原理介绍 261

7.4.2 变焦镜头设计规格及参数输入 261

7.4.3 多重结构实现变焦 263

7.4.4 变焦镜头的优化设置 265

7.5 扫描系统设计 268

7.5.1 扫描系统参数 269

7.5.2 多重结构下的扫描角度设置 273

7.6 本章小结 276



第8章 目视光学系统设计方法 277

8.1 人眼光学系统的创建 277

8.1.1 眼睛概述 277

8.1.2 眼睛模型 277

8.1.3 使用ZEMAX创建人眼模型结构 278

8.2 放大率与视觉 281

8.2.1 近距离物体成像标准 281

8.2.2 小型放大镜放大率 281

8.3 本章小结 284



第9章 目镜设计 285

9.1 目镜介绍 285

设计案例一：惠更斯目镜 286

设计案例二：冉斯登目镜 288

设计案例三：凯尔纳目镜 290

设计案例四：RKE目镜 292

设计案例五：消畸变目镜 294

设计案例六：对称式目镜 297

设计案例七：埃尔弗目镜 299

设计案例八：西德莫尔目镜 301

设计案例九：RKE广角目镜 304

9.2 目镜调焦 306

9.3 本章小结 311



0章 显微镜设计 312

10.1 技术指标 312

10.1.1 基本系统技术要求 312

10.1.2 分辨率目标和极限 312

10.2 10倍物镜初始透镜形式 313

10.2.1 显微镜设计步骤 313

10.2.2 物镜与目镜的连接 319

10.3 本章小结 322



1章 望远镜设计 323

11.1 天文望远镜 323

11.1.1 天文望远镜设计步骤 323

11.1.2 分辨率与衍射极限 328

11.2 地上望远镜 328

11.3 本章小结 334

作者介绍

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文摘

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序言

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光影世界的精妙构建：探索光学设计的无限可能 在这个由光线编织而成的世界里，光学设计扮演着至关重要的角色。从我们日常生活中习以为常的眼镜、相机，到尖端科技的望远镜、显微镜，再到推动人类探索宇宙奥秘的空间站和深空探测器，无不凝聚着光学设计师的智慧与心血。它是一门融合了物理学、数学、工程学以及艺术的综合性学科，其核心在于如何精确地控制光的传播，使其满足特定的成像、照明或能量传输需求。 光学设计的旅程，远不止于对透镜、反射镜等光学元件的简单堆砌。它是一个系统性的工程，需要设计师深入理解光的波动性和粒子性，掌握折射、反射、衍射、干涉等基本光学原理，并能够将其转化为实际可行的设计方案。一个优秀的光学设计，往往需要在成像质量、体积、重量、成本、可靠性等多个维度之间寻求精妙的平衡。这要求设计师不仅要有扎实的理论基础，更要有丰富的实践经验和敏锐的洞察力。 基础理论的奠基：光学的基石与视界的拓展 光学设计的根基，在于对光的本质及其行为规律的深刻理解。几何光学是开启光学设计大门的钥匙，它将光视为沿直线传播的射线，通过斯涅尔定律（Snell's Law）描述光在不同介质中的折射，以及通过反射定律来模拟光线的反射。利用这些基本规则，我们可以构建出简单的成像系统，例如凸透镜成像，它构成了我们最早认识的光学器件——放大镜的原理。几何光学为我们提供了分析和设计光学系统最直观的工具，是理解各种光学器件工作机制的基础。 然而，光学世界的奥秘远不止于此。当光线的尺度接近其波长时，波动光学的影响便不可忽视。光的干涉和衍射现象，是波动光学最具代表性的特征。干涉，如同水面上的涟漪相互叠加，可以增强或抵消，这在全息摄影、干涉仪等领域有着广泛应用。衍射，则是光线绕过障碍物或通过狭缝时发生的弯曲现象，它限制了光学系统的分辨率，也为我们提供了理解光学极限的视角。理解波动光学，能帮助设计师更深入地分析复杂光学系统的性能，并解决一些几何光学无法解释的现象。 除了对光线本身的研究，光学系统与物质的相互作用也是设计的关键。色散（Dispersion）现象，即不同波长的光在介质中传播速度不同，导致白光被分解成彩色光谱，这是棱镜和彩虹的成因，也是设计消色差透镜时必须克服的挑战。偏振（Polarization）现象，描述了光波电场振动的方向性，偏振片的应用广泛，从液晶显示器到偏振显微镜，都离不开对偏振的理解和利用。掌握这些基础理论，就像为光学设计师描绘出了一幅幅精确的坐标系和画布，他们将在其上挥洒创意，勾勒出理想的光学蓝图。 光学元件的精雕细琢：塑光之形，达意之境 光学设计离不开对各种光学元件的精确选择和运用。透镜，作为光学系统中最核心的组成部分，承载着聚焦、发散、成像等关键功能。从简单的 plano-convex（平凸）和 bi-convex（双凸）透镜，到更复杂的非球面透镜，每一种设计都蕴含着对光线路径的精妙控制。非球面透镜，通过打破传统的球形表面限制，能够更有效地校正像差，提高成像质量，尤其在高性能相机镜头、望远镜和投影仪中扮演着越来越重要的角色。 反射镜，同样是光学设计中不可或缺的工具。平面镜用于改变光路方向，而球面反射镜（如抛物面镜和椭球面镜）则能将平行光聚焦或将点光源发出的光线准直。大型天文望远镜通常采用反射式设计，因为反射镜可以做得更大，且不受玻璃材质透光率的限制。不同形状的反射镜，如同不同风格的雕塑家，以其独特的曲面，塑造着光线的轨迹。 棱镜，则凭借其折射和全反射的特性，在光路转向、分光、成像等领域大放异彩。直角棱镜可以将光线折射90度，在双筒望远镜中用于缩短镜筒长度；色散棱镜则可以将白光分离成光谱，用于光谱分析。棱镜的设计，犹如在光路中巧妙设置的“路标”，指引着光线的方向。 除了这些基础元件，滤光片、光阑、偏振片、波导等也都是光学设计中的重要辅助元件。滤光片可以根据波长选择性地透过或阻挡光线，在照明、成像和科学测量中至关重要。光阑用于控制进入系统的光通量和景深，对成像质量有直接影响。这些看似微小的元件，却能对整个光学系统的性能产生深远的影响，它们的精确选择和组合，是光学设计艺术家们精湛技艺的体现。 成像系统的奥秘：从单透镜到复杂的光学仪器 光学设计的最终目标，往往是为了构建一个能够精确成像的系统。从最初的照相机暗箱，到现代的数码相机、显微镜、望远镜，以及更复杂的投影仪、扫描仪，都离不开对成像系统的深入研究。 一个理想的成像系统，应该能够将物体的每一个细节，以清晰、准确的方式呈现在像面上。然而，在实际的光学系统中，存在着各种各样的像差（Aberrations），它们会扭曲图像，降低成像质量。常见的像差包括球差（Spherical Aberration）、彗差（Coma）、像散（Astigmatism）、场曲（Field Curvature）和色差（Chromatic Aberration）。 球差导致平行光束聚焦在不同的点上，尤其影响中心区域的成像。彗差和像散会使点光源成像为类似彗星或椭圆的形状，在像面边缘尤为明显。场曲使得像面不再是平面，而是弯曲的，导致画面中心和边缘清晰度不一。色差则是因为不同颜色的光折射率不同，导致彩色失真。 光学设计师的任务，就是运用各种光学元件的组合和特殊设计（如非球面、多层镀膜等），来尽可能地校正这些像差。例如，通过组合不同材料和曲率的透镜，可以实现消色差和消球差。非球面透镜的使用，更是能够有效校正多类像差。精心设计的镜头组，就像一个精密运转的机器，将每一束光线引导至正确的终点，最终呈现出清晰、锐利的图像。 对于不同应用场景，成像系统的设计也各有侧重。相机镜头追求高分辨率、大光圈和良好的畸变控制；显微镜则需要极高的放大倍率和分辨率，以揭示微观世界的细节；望远镜则致力于收集微弱的光线，将遥远的星体拉近。这些系统的设计，都体现了光学工程师在不同需求下的创新与突破。 现代光学设计的利器：软件模拟与优化 在信息技术飞速发展的今天，光学设计早已告别了纯粹的手算时代。强大的光学设计软件，如ZEMAX，成为了设计师不可或缺的工具。这些软件能够提供一个虚拟的光学设计环境，让设计师能够快速构建、模拟和优化光学系统。 通过这些软件，设计师可以精确地定义光学元件的参数（如曲率半径、厚度、材料折射率等），进行光线追迹（Ray Tracing），模拟光线在系统中的传播路径。软件能够自动计算像差，评估成像质量，并提供各种优化算法，帮助设计师调整元件参数，以达到最优的设计目标。 这种模拟和优化的能力，极大地提高了光学设计的效率和精度。设计师不再需要花费大量时间和精力进行繁琐的手工计算，而是可以专注于光学原理的创新和系统性能的提升。软件还可以进行蒙特卡洛模拟，评估系统在各种随机因素影响下的性能稳定性；进行衍射分析，深入研究光学系统的衍射效应。 借助这些现代化的设计工具，光学设计师能够以前所未有的速度和精度，创造出更加复杂、更具创新性的光学系统，为科学研究、工业生产和日常生活带来更多可能。从微型投影仪到先进的半导体光刻设备，从高性能的医疗成像设备到探索宇宙的太空望远镜，现代光学设计的进步，离不开这些强大的软件工具的支持。 光学设计的未来展望：融合与创新驱动前行 光学设计的发展永无止境。随着科技的不断进步，新的材料、新的制造技术和新的应用场景层出不穷，都为光学设计带来了新的机遇和挑战。 例如，新型光学材料的出现，如超材料（Metamaterials）和光学晶体（Photonic Crystals），为我们提供了前所未有的光场调控能力，有望实现传统光学无法企及的功能，如负折射、完美成像等。微纳光学（Micro-optics and Nano-optics）技术，使得制造出尺寸微小、功能强大的光学元件成为可能，这将在微型化设备、光通信和生物传感等领域发挥重要作用。 AI和机器学习在光学设计中的应用也日益广泛。通过训练AI模型，可以加速光学系统的优化过程，甚至能够发现人类设计师难以想到的新颖设计方案。AI还可以用于预测光学元件的性能，辅助故障诊断，提高系统的可靠性。 未来的光学设计，将更加注重多学科的交叉融合。例如，将光学与生物学结合，催生出先进的生物成像技术；将光学与电子学结合，推动光电子学器件的发展；将光学与材料科学结合，创造出具有特定光学性能的新型材料。 总而言之，光学设计是一门充满魅力的学科，它连接着我们对世界的感知与探索，塑造着科技发展的方向。从基础的物理原理到精密的工程实践，再到前沿的跨学科创新，光学设计的每一步都充满了智慧与挑战。在这个不断发展的领域中，无数的设计师正以他们的才华和热情，继续书写着光影世界的传奇。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计和装帧质量都给我留下了非常深刻的印象。首先，那种厚重而又坚实的质感，让人一眼就能感觉到这不是那种轻飘飘的快餐读物，而是经过精心打磨的专业工具书。色彩的运用也十分考究，主色调沉稳大气，与内容本身的专业性相得益彰。我尤其欣赏它在细节处理上的用心，比如字体排版的清晰度和间距的舒适度，长时间阅读也不会让人感到视觉疲劳。这对于需要长时间在电脑前进行光学设计工作的人来说，简直是一种福音。

评分☆☆☆☆☆

我注意到这本书在内容深度上做到了罕见的平衡——既有对理论基础的深入剖析，又不失对实际操作层面的详尽指导。很多市面上的书籍要么过于偏重理论的数学推导，让人望而却步；要么就是纯粹的软件操作指南，缺乏对“为什么”的解释。这本书巧妙地将两者融合，它不仅告诉你“如何做”一个优化，更会解释“为什么”当前的参数设置会导致这样的结果，以及背后的物理意义是什么。这种兼具深度与广度的内容覆盖，极大地提升了读者的设计洞察力。

评分☆☆☆☆☆

从整体的阅读体验来看，这本书给我带来了一种踏实的“信心感”。在面对那些棘手的光学难题时，翻开这本书，总能找到切实的分析角度和解决方案的框架。它不只是在传授知识点，更像是在传授一套严谨的设计方法论。这种方法论的建立，远比单纯记忆几个公式或软件按钮更有价值。读完后，我感觉自己看待和处理光学问题的方式都变得更加系统化和专业化了，这对于任何希望在光学领域深耕的人来说，都是一笔极其宝贵的投资。

评分☆☆☆☆☆

内页的纸张选择和印刷工艺也值得称赞。很多技术手册为了控制成本，往往会使用偏薄或反光度较高的纸张，结果就是墨色不够饱满，或者在特定光线下阅读困难。但这本书完全没有这个问题，纸张的克重恰到好处，墨色黑白分明，图表和公式的线条都锐利而清晰，即便是复杂的几何图形和光路图，也能被准确无误地呈现出来。这种对阅读体验的尊重，体现了出版社在出版专业书籍上的专业素养和匠心精神，让人在学习过程中感到无比的顺畅和愉悦。

评分☆☆☆☆☆

这本书的目录结构编排得极为科学合理，像是一张精密构建的知识地图。它没有采用那种简单粗暴的罗列式结构，而是根据光学设计的核心流程和难点设置了层级分明的章节体系。从最基础的光学原理回顾，到复杂的系统优化策略，每一步都过渡得自然而然，逻辑链条非常完整。对于初学者来说，它提供了一条清晰的学习路径；而对于经验丰富的工程师，它则像一本优秀的参考词典，需要时能迅速定位到具体的解决思路或高级技巧，检索效率极高。