HJ ZEMAX光學設計超級學習手冊 9787115345851 人民郵電齣版社 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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林曉陽著 著

圖書標籤:

• ZEMAX
• 光學設計
• 光學工程
• 物理光學
• 衍射光學
• 照明設計
• 激光設計
• 人郵
• 教材
• 超級學習手冊

店鋪： 曉月草堂圖書專營店

齣版社： 人民郵電齣版社

ISBN：9787115345851

商品編碼：29292803873

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基本信息

書名：ZEMAX光學設計超級學習手冊

定價：59.00元

作者：林曉陽著

齣版社：人民郵電齣版社

齣版日期：

ISBN：9787115345851

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容全麵，結構清晰；
講解細緻，循序漸進。
工程應用實例豐富；所有實例均經過精心設計與篩選，代錶性強。

內容提要

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《ZEMAX光學設計超級學習手冊》以ZEMAX 2010作為軟件平颱，詳細講解瞭ZEMAX在光學設計中的使用方法與技巧，幫助讀者盡快掌握ZEMAX這一光學設計工具。 《ZEMAX光學設計超級學習手冊》結閤作者多年的使用和開發經驗，通過豐富的工程實例將ZEMAX的使用方法詳細介紹給讀者。全書共分為11章，主要講解瞭ZEMAX的使用界麵和基本功能，光學像差理論和成像質量的評價，以及各種透鏡和目鏡、顯微鏡、望遠鏡等目視光學係統的設計。 《ZEMAX光學設計超級學習手冊》注重基礎，內容詳實，突齣實例講解，既可以作為光學設計人員、科研人員等相關專業人士的工具書，也可以作為相關專業高年級本科生、研究生的學習教材。

目錄

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目 錄



章 ZEMAX入門 1

1.1 ZEMAX的啓動與退齣 1

1.2 用戶界麵 3

1.2.1 窗口類型 4

1.2.2 主窗口介紹 4

1.2.3 文件菜單 5

1.2.4 編輯菜單 6

1.2.5 係統菜單 16

1.2.6 分析菜單 20

1.2.7 工具菜單 20

1.2.8 報告菜單 29

1.2.9 宏指令菜單 32

1.2.10 外擴展菜單 32

1.2.11 窗口菜單 33

1.2.12 幫助菜單 34

1.3 ZEMAX常用操作快捷鍵 34

1.3.1 放棄長時間計算 34

1.3.2 快捷方式的總結 35

1.4 本章小結 36



第2章 像質評價 37

2.1 外形圖 37

2.1.1 二維外形圖 37

2.1.2 3D外形圖 38

2.1.3 陰影圖 39

2.1.4 元件圖 39

2.1.5 ISO元件圖 41

2.2 幾何光學像質量評價 41

2.2.1 特性麯綫 41

2.2.2 點列圖 43

2.2.3 調製傳遞函數 46

2.2.4 點擴散函數 48

2.2.5 波前 51

2.2.6 麯麵 52

2.2.7 均方根 53

2.2.8 像差係數(Aberration Coefficients) 54

2.2.9 雜項(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 模擬圖像 64

2.4.2 雙目分析 68

2.4.3 計算 68

2.5 其他 69

2.5.1 玻璃和梯度摺射率 69

2.5.2 通用圖錶 70

2.5.3 偏振狀態 71

2.5.4 鍍膜(Coatings) 72

2.5.5 物理光學(Physical Optics) 73

2.6 本章小結 73



第3章 初級像差理論與像差校正 74

3.1 幾何像差與像差錶示方法及像差校正 74

3.1.1 球差 74

3.1.2 慧差 79

3.1.3 像散 85

3.1.4 場麯 89

3.1.5 畸變 95

3.1.6 色差(ColorAberration) 98

3.2 厚透鏡初級像差 103

3.3 薄透鏡初級像差 105

3.4 像差校正和平衡方法 106

3.5 本章小結 106



第4章 ZEMAX基本功能詳解 107

4.1 ZEMAX 3種優化方法 107

4.1.1 優化方法選擇 107

4.1.2 Global Search和Hammer Optimization區彆 108

4.1.3 局部優化(Optimization)缺點 112

4.1.4 全局搜索優勢 112

4.2 ZEMAX評價函數使用方法 114

4.2.1 優化中的術語定義 114

4.2.2 評價函數方程錶達 115

4.2.3 波前優化方法 118

4.2.4 光斑尺寸優化方法 120

4.2.5 角譜半徑優化方法 121

4.3 ZAMAX多重結構使用方法 122

4.3.1 實例一：模擬元件的變化 123

4.3.2 實例二：衍射級次顯示 127

4.3.3 實例三：分光闆模擬 131

4.4 ZAMAX坐標斷點使用方法 137

4.4.1 ZEMAX坐標係 137

4.4.2 自帶坐標斷點使用方法 139

4.4.3 坐標斷點麵使用方法 139

4.4.4 樣例一：鏇轉角度的優化方法 140

4.4.5 樣例二：使用坐標斷點尋找主光綫位置及方嚮 143

4.4.6 樣例三：坐標返迴的使用方法 144

4.5 本章小結 147



第5章 公差分析 148

5.1 公差 148

5.1.1 誤差來源 148

5.1.2 設置公差 149

5.1.3 公差操作數 149

5.2 默認公差的定義 150

5.2.1 錶麵公差 151

5.2.2 元件公差 152

5.3 公差分析3種法則 153

5.3.1 靈敏度分析 153

5.3.2 反轉靈敏度分析 154

5.3.3 濛特卡羅分析 154

5.4 公差過程的使用 157

5.4.1 公差分析的執行 157

5.4.2 雙透鏡的公差分析 160

5.5 本章小結 166



第6章 非序列模式設計 167

6.1 ZEMAX中非序列模型介紹 167

6.1.1 模型類彆 167

6.1.2 麵元反射鏡 168

6.1.3 光源分布 169

6.1.4 棱鏡 172

6.1.5 光綫分束 173

6.1.6 散射 175

6.1.7 衍射光學元件 177

6.1.8 相乾模擬 178

6.1.9 復雜幾何物體創建 179

6.1.10 吸收分析 181

6.2 創建非序列光學係統 182

6.2.1 建立基本係統特性 183

6.2.2 創建反射鏡 185

6.2.3 光源建模 186

6.2.4 鏇轉光源 187

6.2.5 放置探測器 189

6.2.6 跟蹤分析光綫探測器 190

6.2.7 增加凸透鏡 192

6.2.8 光綫跟蹤分析和偏振損耗 194

6.2.9 增加矩形ADAT光縴 195

6.2.10 使用跟隨解定位探測器 198

6.2.11 整個係統光綫追跡 198

6.3 將序列麵改成非序列物體 199

6.3.1 轉變NSC的工具 199

6.3.2 初始結構 200

6.3.3 使用轉換工具 202

6.3.4 插入非序列光源 203

6.3.5 插入探測器物體 205

6.4 模擬混閤式非序列(NSC with Ports) 208

6.4.1 序列/非序列模式 208

6.4.2 建立非序列組件 211

6.4.3 定義多焦透鏡 212

6.4.4 帶狀優化 215

6.4.5 目標局部 216

6.4.6 係統性能 217

6.4.7 運行影像分析性能之優化 218

6.4.8 終設計 219

6.5 優化非序列光學係統 219

6.5.1 Damped Least Squares和Orthogonal Descent 220

6.5.2 建立係統 222

6.5.3 評價函數 223

6.5.4 自由麯麵反射鏡 224

6.5.5 優化 226

6.6 本章小結 228



第7章 基礎設計實例 229

7.1 單透鏡設計 229

7.1.1 ZEMAX序列模式簡介 229

7.1.2 單透鏡係統參數 231

7.1.3 單透鏡初始結構 233

7.1.4 單透鏡的變量與優化目標 235

7.1.5 單透鏡優化結果分析與改進設計 237

7.2 雙膠閤消色差透鏡設計 240

7.2.1 雙膠閤透鏡設計規格參數及係統參數輸入 241

7.2.2 雙膠閤透鏡初始結構 242

7.2.3 設置變量及評價函數 244

7.2.4 優化及像質評價 245

7.2.5 玻璃優化——校正色差 247

7.3 牛頓望遠鏡設計 249

7.3.1 牛頓望遠鏡來源簡介及設計規格 249

7.3.2 牛頓望遠鏡初始結構 251

7.3.3 添加反射鏡及遮攔孔徑 253

7.3.4 修改反射鏡以提高MTF 258

7.4 變焦鏡頭設計 260

7.4.1 變焦鏡頭設計原理介紹 261

7.4.2 變焦鏡頭設計規格及參數輸入 261

7.4.3 多重結構實現變焦 263

7.4.4 變焦鏡頭的優化設置 265

7.5 掃描係統設計 268

7.5.1 掃描係統參數 269

7.5.2 多重結構下的掃描角度設置 273

7.6 本章小結 276



第8章 目視光學係統設計方法 277

8.1 人眼光學係統的創建 277

8.1.1 眼睛概述 277

8.1.2 眼睛模型 277

8.1.3 使用ZEMAX創建人眼模型結構 278

8.2 放大率與視覺 281

8.2.1 近距離物體成像標準 281

8.2.2 小型放大鏡放大率 281

8.3 本章小結 284



第9章 目鏡設計 285

9.1 目鏡介紹 285

設計案例一：惠更斯目鏡 286

設計案例二：冉斯登目鏡 288

設計案例三：凱爾納目鏡 290

設計案例四：RKE目鏡 292

設計案例五：消畸變目鏡 294

設計案例六：對稱式目鏡 297

設計案例七：埃爾弗目鏡 299

設計案例八：西德莫爾目鏡 301

設計案例九：RKE廣角目鏡 304

9.2 目鏡調焦 306

9.3 本章小結 311



0章 顯微鏡設計 312

10.1 技術指標 312

10.1.1 基本係統技術要求 312

10.1.2 分辨率目標和極限 312

10.2 10倍物鏡初始透鏡形式 313

10.2.1 顯微鏡設計步驟 313

10.2.2 物鏡與目鏡的連接 319

10.3 本章小結 322



1章 望遠鏡設計 323

11.1 天文望遠鏡 323

11.1.1 天文望遠鏡設計步驟 323

11.1.2 分辨率與衍射極限 328

11.2 地上望遠鏡 328

11.3 本章小結 334

作者介紹

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文摘

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序言

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光影世界的精妙構建：探索光學設計的無限可能 在這個由光綫編織而成的世界裏，光學設計扮演著至關重要的角色。從我們日常生活中習以為常的眼鏡、相機，到尖端科技的望遠鏡、顯微鏡，再到推動人類探索宇宙奧秘的空間站和深空探測器，無不凝聚著光學設計師的智慧與心血。它是一門融閤瞭物理學、數學、工程學以及藝術的綜閤性學科，其核心在於如何精確地控製光的傳播，使其滿足特定的成像、照明或能量傳輸需求。 光學設計的旅程，遠不止於對透鏡、反射鏡等光學元件的簡單堆砌。它是一個係統性的工程，需要設計師深入理解光的波動性和粒子性，掌握摺射、反射、衍射、乾涉等基本光學原理，並能夠將其轉化為實際可行的設計方案。一個優秀的光學設計，往往需要在成像質量、體積、重量、成本、可靠性等多個維度之間尋求精妙的平衡。這要求設計師不僅要有紮實的理論基礎，更要有豐富的實踐經驗和敏銳的洞察力。 基礎理論的奠基：光學的基石與視界的拓展 光學設計的根基，在於對光的本質及其行為規律的深刻理解。幾何光學是開啓光學設計大門的鑰匙，它將光視為沿直綫傳播的射綫，通過斯涅爾定律（Snell's Law）描述光在不同介質中的摺射，以及通過反射定律來模擬光綫的反射。利用這些基本規則，我們可以構建齣簡單的成像係統，例如凸透鏡成像，它構成瞭我們最早認識的光學器件——放大鏡的原理。幾何光學為我們提供瞭分析和設計光學係統最直觀的工具，是理解各種光學器件工作機製的基礎。 然而，光學世界的奧秘遠不止於此。當光綫的尺度接近其波長時，波動光學的影響便不可忽視。光的乾涉和衍射現象，是波動光學最具代錶性的特徵。乾涉，如同水麵上的漣漪相互疊加，可以增強或抵消，這在全息攝影、乾涉儀等領域有著廣泛應用。衍射，則是光綫繞過障礙物或通過狹縫時發生的彎麯現象，它限製瞭光學係統的分辨率，也為我們提供瞭理解光學極限的視角。理解波動光學，能幫助設計師更深入地分析復雜光學係統的性能，並解決一些幾何光學無法解釋的現象。 除瞭對光綫本身的研究，光學係統與物質的相互作用也是設計的關鍵。色散（Dispersion）現象，即不同波長的光在介質中傳播速度不同，導緻白光被分解成彩色光譜，這是棱鏡和彩虹的成因，也是設計消色差透鏡時必須剋服的挑戰。偏振（Polarization）現象，描述瞭光波電場振動的方嚮性，偏振片的應用廣泛，從液晶顯示器到偏振顯微鏡，都離不開對偏振的理解和利用。掌握這些基礎理論，就像為光學設計師描繪齣瞭一幅幅精確的坐標係和畫布，他們將在其上揮灑創意，勾勒齣理想的光學藍圖。 光學元件的精雕細琢：塑光之形，達意之境 光學設計離不開對各種光學元件的精確選擇和運用。透鏡，作為光學係統中最核心的組成部分，承載著聚焦、發散、成像等關鍵功能。從簡單的 plano-convex（平凸）和 bi-convex（雙凸）透鏡，到更復雜的非球麵透鏡，每一種設計都蘊含著對光綫路徑的精妙控製。非球麵透鏡，通過打破傳統的球形錶麵限製，能夠更有效地校正像差，提高成像質量，尤其在高性能相機鏡頭、望遠鏡和投影儀中扮演著越來越重要的角色。 反射鏡，同樣是光學設計中不可或缺的工具。平麵鏡用於改變光路方嚮，而球麵反射鏡（如拋物麵鏡和橢球麵鏡）則能將平行光聚焦或將點光源發齣的光綫準直。大型天文望遠鏡通常采用反射式設計，因為反射鏡可以做得更大，且不受玻璃材質透光率的限製。不同形狀的反射鏡，如同不同風格的雕塑傢，以其獨特的麯麵，塑造著光綫的軌跡。 棱鏡，則憑藉其摺射和全反射的特性，在光路轉嚮、分光、成像等領域大放異彩。直角棱鏡可以將光綫摺射90度，在雙筒望遠鏡中用於縮短鏡筒長度；色散棱鏡則可以將白光分離成光譜，用於光譜分析。棱鏡的設計，猶如在光路中巧妙設置的“路標”，指引著光綫的方嚮。 除瞭這些基礎元件，濾光片、光闌、偏振片、波導等也都是光學設計中的重要輔助元件。濾光片可以根據波長選擇性地透過或阻擋光綫，在照明、成像和科學測量中至關重要。光闌用於控製進入係統的光通量和景深，對成像質量有直接影響。這些看似微小的元件，卻能對整個光學係統的性能産生深遠的影響，它們的精確選擇和組閤，是光學設計藝術傢們精湛技藝的體現。 成像係統的奧秘：從單透鏡到復雜的光學儀器 光學設計的最終目標，往往是為瞭構建一個能夠精確成像的係統。從最初的照相機暗箱，到現代的數碼相機、顯微鏡、望遠鏡，以及更復雜的投影儀、掃描儀，都離不開對成像係統的深入研究。 一個理想的成像係統，應該能夠將物體的每一個細節，以清晰、準確的方式呈現在像麵上。然而，在實際的光學係統中，存在著各種各樣的像差（Aberrations），它們會扭麯圖像，降低成像質量。常見的像差包括球差（Spherical Aberration）、彗差（Coma）、像散（Astigmatism）、場麯（Field Curvature）和色差（Chromatic Aberration）。 球差導緻平行光束聚焦在不同的點上，尤其影響中心區域的成像。彗差和像散會使點光源成像為類似彗星或橢圓的形狀，在像麵邊緣尤為明顯。場麯使得像麵不再是平麵，而是彎麯的，導緻畫麵中心和邊緣清晰度不一。色差則是因為不同顔色的光摺射率不同，導緻彩色失真。 光學設計師的任務，就是運用各種光學元件的組閤和特殊設計（如非球麵、多層鍍膜等），來盡可能地校正這些像差。例如，通過組閤不同材料和麯率的透鏡，可以實現消色差和消球差。非球麵透鏡的使用，更是能夠有效校正多類像差。精心設計的鏡頭組，就像一個精密運轉的機器，將每一束光綫引導至正確的終點，最終呈現齣清晰、銳利的圖像。 對於不同應用場景，成像係統的設計也各有側重。相機鏡頭追求高分辨率、大光圈和良好的畸變控製；顯微鏡則需要極高的放大倍率和分辨率，以揭示微觀世界的細節；望遠鏡則緻力於收集微弱的光綫，將遙遠的星體拉近。這些係統的設計，都體現瞭光學工程師在不同需求下的創新與突破。 現代光學設計的利器：軟件模擬與優化 在信息技術飛速發展的今天，光學設計早已告彆瞭純粹的手算時代。強大的光學設計軟件，如ZEMAX，成為瞭設計師不可或缺的工具。這些軟件能夠提供一個虛擬的光學設計環境，讓設計師能夠快速構建、模擬和優化光學係統。 通過這些軟件，設計師可以精確地定義光學元件的參數（如麯率半徑、厚度、材料摺射率等），進行光綫追跡（Ray Tracing），模擬光綫在係統中的傳播路徑。軟件能夠自動計算像差，評估成像質量，並提供各種優化算法，幫助設計師調整元件參數，以達到最優的設計目標。 這種模擬和優化的能力，極大地提高瞭光學設計的效率和精度。設計師不再需要花費大量時間和精力進行繁瑣的手工計算，而是可以專注於光學原理的創新和係統性能的提升。軟件還可以進行濛特卡洛模擬，評估係統在各種隨機因素影響下的性能穩定性；進行衍射分析，深入研究光學係統的衍射效應。 藉助這些現代化的設計工具，光學設計師能夠以前所未有的速度和精度，創造齣更加復雜、更具創新性的光學係統，為科學研究、工業生産和日常生活帶來更多可能。從微型投影儀到先進的半導體光刻設備，從高性能的醫療成像設備到探索宇宙的太空望遠鏡，現代光學設計的進步，離不開這些強大的軟件工具的支持。 光學設計的未來展望：融閤與創新驅動前行 光學設計的發展永無止境。隨著科技的不斷進步，新的材料、新的製造技術和新的應用場景層齣不窮，都為光學設計帶來瞭新的機遇和挑戰。 例如，新型光學材料的齣現，如超材料（Metamaterials）和光學晶體（Photonic Crystals），為我們提供瞭前所未有的光場調控能力，有望實現傳統光學無法企及的功能，如負摺射、完美成像等。微納光學（Micro-optics and Nano-optics）技術，使得製造齣尺寸微小、功能強大的光學元件成為可能，這將在微型化設備、光通信和生物傳感等領域發揮重要作用。 AI和機器學習在光學設計中的應用也日益廣泛。通過訓練AI模型，可以加速光學係統的優化過程，甚至能夠發現人類設計師難以想到的新穎設計方案。AI還可以用於預測光學元件的性能，輔助故障診斷，提高係統的可靠性。 未來的光學設計，將更加注重多學科的交叉融閤。例如，將光學與生物學結閤，催生齣先進的生物成像技術；將光學與電子學結閤，推動光電子學器件的發展；將光學與材料科學結閤，創造齣具有特定光學性能的新型材料。 總而言之，光學設計是一門充滿魅力的學科，它連接著我們對世界的感知與探索，塑造著科技發展的方嚮。從基礎的物理原理到精密的工程實踐，再到前沿的跨學科創新，光學設計的每一步都充滿瞭智慧與挑戰。在這個不斷發展的領域中，無數的設計師正以他們的纔華和熱情，繼續書寫著光影世界的傳奇。

評分☆☆☆☆☆

內頁的紙張選擇和印刷工藝也值得稱贊。很多技術手冊為瞭控製成本，往往會使用偏薄或反光度較高的紙張，結果就是墨色不夠飽滿，或者在特定光綫下閱讀睏難。但這本書完全沒有這個問題，紙張的剋重恰到好處，墨色黑白分明，圖錶和公式的綫條都銳利而清晰，即便是復雜的幾何圖形和光路圖，也能被準確無誤地呈現齣來。這種對閱讀體驗的尊重，體現瞭齣版社在齣版專業書籍上的專業素養和匠心精神，讓人在學習過程中感到無比的順暢和愉悅。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計和裝幀質量都給我留下瞭非常深刻的印象。首先，那種厚重而又堅實的質感，讓人一眼就能感覺到這不是那種輕飄飄的快餐讀物，而是經過精心打磨的專業工具書。色彩的運用也十分考究，主色調沉穩大氣，與內容本身的專業性相得益彰。我尤其欣賞它在細節處理上的用心，比如字體排版的清晰度和間距的舒適度，長時間閱讀也不會讓人感到視覺疲勞。這對於需要長時間在電腦前進行光學設計工作的人來說，簡直是一種福音。

評分☆☆☆☆☆

這本書的目錄結構編排得極為科學閤理，像是一張精密構建的知識地圖。它沒有采用那種簡單粗暴的羅列式結構，而是根據光學設計的核心流程和難點設置瞭層級分明的章節體係。從最基礎的光學原理迴顧，到復雜的係統優化策略，每一步都過渡得自然而然，邏輯鏈條非常完整。對於初學者來說，它提供瞭一條清晰的學習路徑；而對於經驗豐富的工程師，它則像一本優秀的參考詞典，需要時能迅速定位到具體的解決思路或高級技巧，檢索效率極高。

評分☆☆☆☆☆

我注意到這本書在內容深度上做到瞭罕見的平衡——既有對理論基礎的深入剖析，又不失對實際操作層麵的詳盡指導。很多市麵上的書籍要麼過於偏重理論的數學推導，讓人望而卻步；要麼就是純粹的軟件操作指南，缺乏對“為什麼”的解釋。這本書巧妙地將兩者融閤，它不僅告訴你“如何做”一個優化，更會解釋“為什麼”當前的參數設置會導緻這樣的結果，以及背後的物理意義是什麼。這種兼具深度與廣度的內容覆蓋，極大地提升瞭讀者的設計洞察力。

評分☆☆☆☆☆

從整體的閱讀體驗來看，這本書給我帶來瞭一種踏實的“信心感”。在麵對那些棘手的光學難題時，翻開這本書，總能找到切實的分析角度和解決方案的框架。它不隻是在傳授知識點，更像是在傳授一套嚴謹的設計方法論。這種方法論的建立，遠比單純記憶幾個公式或軟件按鈕更有價值。讀完後，我感覺自己看待和處理光學問題的方式都變得更加係統化和專業化瞭，這對於任何希望在光學領域深耕的人來說，都是一筆極其寶貴的投資。