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光学系统设计（Zemax 初学手册）

蔡长青

ISUAL 计划团队

国立成功大学物理系

（第一版，1999 年 7 月 29 日）

内容纲目:

前言

习作一：单镜片(Singlet)

习作二：双镜片

习作三：牛顿望远镜

习作四：Schmidt-Cassegrain 和 aspheric corrector

习作五：multi-configuration laser beam expander

习作六：fold mirrors 和 coordinate breaks

习作七：使用 Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces

前言

　　整个福尔摩沙卫星二号「红色精灵」科学酬载计划，其量测仪器基本上

是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。

　　这份初学手册提供初学者使用软件作光学系统设计练习，整个需要

Zemax 光学系统设计软件。它基本上是 Zemax 使用手册中 tutorial 的中文翻译，

由蔡长青同学完成，并在 Zemax E. E. 7.0 上测试过。由于蔡长青同学不在参与

「红色精灵」计划，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验，整个内容已

在 Zemax E. E. 8.0 版上测试过。我们希望藉此初学手册（共有七个习作）与后

续更多的习作与文件，使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。（陈志隆注）

(回内容纲目) 习作一：单镜片(Singlet)

　　你将学到：启用 Zemax，如何键入 wavelength，lens data，产生 ray

fan，OPD，spot diagrams，定义 thickness solve 以及 variables，执行简单光

学设计优化。

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plane，即成像平面。回到我们的 singlet，我们需要 4 个面 (surface)，于是在 STO

栏上，选取 insert cifter，就在 STO 后面再插入一个镜片，编号为 2，通常 OBJ

为 0，STO 为 1，而 IMA 为 3。

　　再来如何输入镜片的材质为 BK7。在 STO 列中的 glass 栏上，直接打上

BK7 即可。又孔径的大小为 25mm，则第一面镜合理的 thickness 为 4，也是直

接键入。再来决定第 1 及第 2 面镜的曲率半径，在此分别选为 100 及-100，凡是

圆心在镜面之右边为正值，反之为负值。而再令第 2 面镜的 thickness 为 100。

　　现在你的输入数据已大致完毕。你怎么检验你的设计是否达到要求呢？

选 analysis 中的 fans，其中的 Ray Aberration，将会把 transverse 的 ray

aberration 对 pupil coordinate 作图。其中 ray aberration 是以 chief ray 为参考

点计算的。纵轴为 EY 的，即是在 Y 方个的 aberration，称作 tangential 或者 YZ

plane。同理 X 方向的 aberration 称为 XZ plane 或 sagittal。

　　Zemax 主要的目的，就是帮我们矫正 defocus，用 solves 就可以解决

这些问题。solves 是一些函数，它的输入变量为 curvatures，thickness，

glasses，semi-diameters，conics，以及相关的 parameters 等。parameters 是

用来描述或补足输入变量 solves 的型式。如 curvature 的型式有 chief ray

angle，pick up，Marginal ray normal，chief ray normal，Aplanatic，Element

power，concentric with surface 等。而描述 chief ray angle solves 的 parameter

即为 angle，而补足 pick up solves 的 parameters 为 surface，scale factor 两项，

所以 parameters 本身不是 solves，要调整的变量才是 solves 的对象。

　　在 surface 2 栏中的 thickness 项上点两下，把 solve type 从 fixed 变成

Marginal Ray height，然后 OK。这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的 height

为 0，即 paraxial focus。再次 update ray fan，你可发现 defocus 已经不见了。

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