光学设计学习路径

记录我在光学设计领域的学习资料、感悟等

2025-07-18 | 阅读：次

Zemax

1. Zemax光学系统设计与优化流程

设计与优化全流程：Zemax光学系统设计与优化步骤
初始结构设计：Zemax 光学镜头设计镜头初始结构、专利收集方法汇总3. Zemax各种像差图像意义分析与优化：一文看懂ZEMAX像差、像差图、基本像差的控制和优化
MTF优化：提高镜头MTF的方法

2. Zemax进行杂散光分析

全流程视频参考： zemax杂散光分析-光学设计
全流程文本参考： ZEMAX | 杂散光分析——第一篇 ZEMAX | 杂散光分析——第二篇 ZEMAX | 杂散光分析——第三篇

注：途中遇到没有自动生成颜色探测器的问题，后续手动添加解决；注意查看Zemax自带的用户手册，如滤字符串等相关内容来筛选光线。

3. Zemax公差分析 2025-08-04

全流程视频参考： ZEMAX公差分析视频先适当优化了一下，优化函数设置为波前，类型设置PTV参考主光线，光瞳采样设置20环12臂进行优化。注意公差分析前要取消所有变量！同时要注意套样板操作，使光学系统各项参数精度符合加工要求。
公差分析用到的的重要资料

2-1 现代光学加工等级表

2-2 Zemax公差分析向导介绍一文了解ZEMAX公差分析 ZEMAX公差分析【标准版】

4. Zemax材料库格式解读

1、以H-K9L为例：

Zemax材料库参数如下

NM H-K9L 2 517642 1.516800(折射率Nd) 64.198732(阿贝数Vd) 0 1 1 GC ED 7.600000000E+000 9.500000000E+000 2.520000000E+000(p) -5.000000000E-004(dPgF) 0 0 // TCE CD 6.145552510E-001 1.459878840E-002 6.567750170E-001 2.877695880E-003 1.026993460E+000 1.076530510E+002 0.000000000E+000 0.000000000E+000 0.000000000E+000 0.000000000E+000 // K1、L1、K2、L2、K3、L3…… TD -1.040000000E-006 1.480000000E-008 -5.170000000E-011 3.850000000E-007 4.550000000E-010 2.110000000E-001 2.000000000E+001 // D0、D1、D2、E0、E1、Ltk、Temp MD 79.20 0.211 595 736.000 0.931 OD 1.00000 2.00000 -1.00000 -1.00000 -1.00000 -1.00000 LD 3.02000000E-001 2.32500000E+000 // 波长范围 IT 2.90000E-001 2.75000E-001 1.00000E+001 IT 3.00000E-001 5.57000E-001 1.00000E+001 IT 3.10000E-001 7.76000E-001 1.00000E+001 IT 3.20000E-001 8.94000E-001 1.00000E+001 IT 3.30000E-001 9.51000E-001 1.00000E+001 IT 3.40000E-001 9.74000E-001 1.00000E+001 IT 3.50000E-001 9.82000E-001 1.00000E+001 IT 3.60000E-001 9.92000E-001 1.00000E+001 IT 3.70000E-001 9.95000E-001 1.00000E+001 IT 3.80000E-001 9.95000E-001 1.00000E+001 IT 3.90000E-001 9.96000E-001 1.00000E+001 IT 4.00000E-001 9.97000E-001 1.00000E+001 IT 4.20000E-001 9.97000E-001 1.00000E+001 IT 4.40000E-001 9.97000E-001 1.00000E+001 IT 4.60000E-001 9.97000E-001 1.00000E+001 IT 4.80000E-001 9.97000E-001 1.00000E+001 IT 5.00000E-001 9.97000E-001 1.00000E+001 IT 5.50000E-001 9.97000E-001 1.00000E+001 IT 6.00000E-001 9.97000E-001 1.00000E+001 IT 6.50000E-001 9.97000E-001 1.00000E+001 IT 7.00000E-001 9.97000E-001 1.00000E+001 IT 8.00000E-001 9.98000E-001 1.00000E+001 IT 8.50000E-001 9.98000E-001 1.00000E+001 IT 9.00000E-001 9.98000E-001 1.00000E+001 IT 9.50000E-001 9.98000E-001 1.00000E+001 IT 1.00000E+000 9.98000E-001 1.00000E+001 IT 1.06000E+000 9.98000E-001 1.00000E+001 IT 1.20000E+000 9.98000E-001 1.00000E+001 IT 1.40000E+000 9.75000E-001 1.00000E+001 IT 1.60000E+000 9.87000E-001 1.00000E+001 IT 1.80000E+000 9.57000E-001 1.00000E+001 IT 2.00000E+000 9.04000E-001 1.00000E+001 IT 2.20000E+000 7.78000E-001 1.00000E+001 IT 2.40000E+000 7.09000E-001 1.00000E+001 BD 0.6328 2.70

附上成都光明官网玻璃参数：

另：关于Synopsys的材料库及材料文件(.LIB)的解析，软件自带用户手册上有全面的解释。

光学基础知识

简单介绍一下三种情况：

1、光学系统的出瞳和冷光阑完全重合，此时冷光阑效率为100%，探测器完全接收不到镜筒内壁发出的热辐射（不考虑散射、多次反射等杂散光来源）； 2、光学系统的出瞳和冷光阑不重合(出瞳直径大于冷光阑)，一部分筒内壁发出的热辐射可以直接照射到探测器； 3、光学系统的出瞳和冷光阑不重合(出瞳直径小于冷光阑)，此时冷光阑起到了渐晕光阑的作用，边缘视场的一部分成像光线被遮挡，在红外热成像中，渐晕往往是不可接受的。

4. 二次成像系统的优化过程

参考关于二次成像系统在优化过程中的一些问题。参考一二次成像系统：中间像面、一二次成像位置(IMSF、M解、REAY)、入出瞳位置(ENPP、EXPP)、冷光阑。

5. 优化时手动调整镜片曲率、厚度的影响（以单透镜为例）

1、前后两个面都是正曲面时，镜片越厚，聚焦能力越强；两面的曲率差距越大，聚焦能力越强；

2、前后两个面都是负曲面时，镜片越厚，聚焦能力越强；两面的曲率差距越大，聚焦能力越强；

3、前后两个面一正一负时，镜片越厚，聚焦能力越弱；曲率半径差距越大，聚焦能力越强；

4、前后两个面一负一正时，镜片越厚，聚焦能力越弱；曲率半径差距越大，聚焦能力越强；

5、两个面曲率半径同号时，如果后表面曲率半径-前表面曲率半径 > 0（即后表面向正向的弯曲程度小），那么聚焦点在主平面右边，否则聚焦点在主平面左边。

6、两个面曲率半径异号时，如果后表面曲率半径-前表面曲率半径 > 0（即后表面向正向的弯曲程度小），，那么聚焦点在主平面左边，否则聚焦点在主平面右边。

注：考虑一下上述规律是否与阿贝数有关，上述实验使用成都光明HWS9材料。

6. 解读光线光扇图

非常好的解读文章：谁能说下zemax的光扇图怎么看像差？

一点感悟： 1、轴上视场：像面上的理论聚焦点在主光轴上；轴外视场：像面上的理论聚焦点在主光轴外； 2、像散和场曲都可以当做是一种“离焦”，像散是子午方向和弧矢方向之间存在离焦，场曲是不同视场间存在的离焦；

7. 常见的红外光学材料及加工厂

1. 常见红外材料

参考：常见的红外光学材料

2. 红外玻璃厂及代表型号

红外材料AMTIR

8. 镜头设计中透镜材料的选择及搭配

1. 玻璃搭配

对于减小视场角、承担视场像差的负光焦度前组，其负透镜使用“好”玻璃，正透镜使用“坏”玻璃。对于承担光焦度、校正孔径像差的正光焦度后组，其负透镜使用“坏”玻璃，正透镜使用“好”玻璃。

2. 好坏玻璃定义

使用场景基本上是反远距镜头。
“好”“坏”定义： “好”玻璃可定义为高折射率+更低色散玻璃，或低折射率+更低色散的玻璃。“坏”玻璃可定义为高折射率+更高色散玻璃，或低折射率+更高色散的玻璃。

3. 玻璃材料的折射率与色散

高折射率材质相比低折射率材质，在相同光焦度的前提下，可以拥有更平坦的表面，更小的光线角度，更小的像差。低色散材质相比高色散材质，在相同光焦度的前提下，产生的色差更小。但一般材质都是“好”“坏”特性的结合体，高折射率材质具有高色散，低折射材质具有低色散。

4. 好坏玻璃的判断

判断 “好”“坏”玻璃需要有一款“平均”玻璃，这里的“平均”是指平均折射率和平均色散。如果某一块材质具有平均折射率，但具有更低的色散，那么就可以称之为“好”玻璃。

5. 常见的好坏玻璃

常见的“好”玻璃有： H-FK61、H-QK3L、H-ZLAF55D、H-ZLAF50E等。常见的“坏”玻璃有： H-ZF1、H-ZF11、H-ZF7LA、H-ZF52等。

参考从透镜材料的选择及搭配看光学镜头架构设计

6. 材料选择

选择合适的红外材料适当匹配正负透镜光焦度, 以达到消色差和热差的目的。单晶锗的性能稳定, 在红外中波3~5μm波段有较好的透过率, 硅是一种化学惰性材料, 其硬度高, 导热性好, 在红外中波3~5μm波段有很好的透光性能。 (1) 光焦度匹配在中红外波段, 为了合理分配光焦度, 负光焦度元件常采用锗, 正光焦度元件常采用硅, 相当于可见光系统中胶合透镜的火石玻璃和冕牌玻璃, 这样就可以利用这两种材料的性能匹配来满足系统所需的光焦度。 (2) 消色差光学系统消色差的方法是通过组合阿贝数相差较大的材料, 系统中所选的硅和锗在中波时的阿贝数vi分别为237.8和107.2, 阿贝数相差较大, 通过材料匹配能够有效校正色差。锗的折射率较高, 硅的折射率略低于锗, 属于高折射率低色散材料, 这也对其他像差的校正也十分有利。 (3) 消热差在温度变化较大的条件下, 锗的折射率随温度的变化系数dn/dt是普通玻璃的约100倍, 为保证成像质量需对系统进行无热化设计。在无热化设计消热差过程, 我们采用组合热差系数相差较大的材料的方法, 来消除系统热差。系统中采用的硅和锗的热差系数分别为7.03×10-5和12.5×10-5, 利用二者组合, 再结合镜筒材料选择的是热膨胀系数较小的钛合金TC4, 最终有效消除了热差对系统成像质量的影响。

Synopsys

1. Synopsys一些资料总结

Synopsys官网知识库 Synopsys指令总结 Synopsys 光学设计软件课程三十七：自动查找和更改镜头结构近红外镜头初始结构设计 Synopsys每月一题——监控镜头设计（第一期）超广角镜头初始结构设计–>广角镜头设计的另一种方法 Synopsys中如何使用玻璃替换方法来优化玻璃 Synopsys中，对元件材料优化方法GSEARCH

2. Synopsys指令与用法

1. 指令总结

LM DEFAULT LE FETCH PAD 1 N-BK7 MRG YMP1 YP1 APS SN MPW（Menu, MOW（Menu, SPS MGI MGT PXT MSS PLOT SN PIN NB SN UMC NB 例如：4 UMC -.125 YMT 现在透镜的曲率 EDGE CAP 打开DEFAULT.MAC文件打开LENSEDIT.RLE文件文件名（无后缀）打开透镜文件现实图像 RD 100 TH 5 GTB S GLM 1.6205 60.32 表面1，曲率半径100，厚度5，材料库肖特，玻璃模型（折射率、阿贝数）具体材料自动玻璃搜索命令表面1顶点平面上的轴向边缘光线高度。表面1顶点平面上的主光线高度。指定面为光阑，负号使实际光瞳生效 Pupil Wizard）菜单 Object Wizard）菜单类似Zemax的镜头编辑器打开“几何图像”菜单，显示各种相差玻璃库近轴光线追迹模式切换 BACK FOR WAVL = .4 TO .8 在命令行CW输入作图为表面SN拾取表面NB的折射率在SN表面折射或反射后，求出球面曲率，要生成所需的F/number，请为NB输入(1/2FNUM)。求解为4，得到F /4.0，由于YMT求解，表面5处于近轴焦点。展示每片透镜的中心、边缘厚度及每个面的高度（通光孔径）查看通光孔径大小

{ LUL / LLL / LUA / LLA } TAR WT WINDOW 例子：LUL 90 .1 1 A TOTL !设置总长上限为90，权重0.1，窗口(公差，可接受误差)大小1 AEC [ TAR WT [ WINDOW ] ] 边缘自动控制小于TAR，目标默认为1 mm，默认权重和窗口均为1.0 ACC [ TAR WT [ WINDOW ] ] 中心厚度最大值TAR，默认厚度为1英寸，默认权重为1 ACM [ TAR WT [ WINDOW ] ] 中心厚度最小值TAR，默认权重为1 ACA [ ANGLE WT [ WINDOW ] ] 光线临界角不超过，窗口默认1° AGE：用于监测玻璃镜片的边缘厚度（适用于厚度（TH）为变量的情况）。 AFE：与 AGE 类似，同样用于监测边缘厚度，但监测孔径取决于以下情况：若已定义 EFILE（参数文件）中的 A 点和 E 点，则以这两点为孔径；若未定义，则以 CAO（主孔径）为孔径。 AAE：用于监测空气间隔的边缘厚度（适用于厚度（TH）为变量的情况）。 ASC：用于防止曲面斜率过大（适用于曲率（CV）为变量的情况）。 AAC：（孔径控制）用于监测通光孔径，防止其过大。该操作数适用于所有孔径。 AZA：用于监测 ZFILE（变焦参数文件）所定义的变焦透镜中，每个变焦组两侧的气隙及边缘尺寸。 ADT：用于监测透镜直径与厚度的比值。 AMS：用于监测弯月形透镜曲率中心之间的间距。

光线网格像差定义（Raygrid Aberration Definitions）

2. 用法样例

M 0 10 A P YA 1 0 0 0 11 用YA控制真实边缘光线坐标在表面11为0 M 3 10 A PYA 11 用PYA（近轴边缘光线高度）来控制光阑（表面11）的大小为3 SYNOPSYS代码详解（不同优化程序对镜头的改善） RMS P 1 600 0 0 查看1视场的 RMS 光斑大小 FRMS M P 600 0 0 RMS随视场变化图

设计经验

1. Zemax套样板

最好一片一片匹配样板，比如一次换一片镜片，匹配好再优化，然后匹配其他镜片，再优化；
手动匹配效果更好，先匹配样板稀疏的曲率，优化后再匹配密集的；
Zemax导入自己的样板库 zemax可以导入自己的样板，步骤如下： 1、打开zemax文档目录，找到testplate文件夹。 2、随便复制一个tpd文件，重命名为你想起名的样板文件。 3、删除样板文件的所有内容，往里面输入你的样板库。 4.、继续保存为tpd文件，样板匹配的时候调用即可。格式如下： 1、！后面跟注释，可用于开头备注样板目的，样板制作人等信息。 2、第一列是序号第二列是曲率半径第三列是你样板的口径第四列0 或者1 或者-1 代表了是一对样板或者凸样板或者凹样板。 3、支持从excel直接复制粘贴到tpd文件中，这样制作也比较快。 4、例如下面是我样板库里面的部分截图。

2. 初始结构与镜头优化方向

如何选择初始结构：怎么选择各种镜头的初始结构
考虑向何方向优化镜头：理论分析在镜头设计中的指导意义（实例）
Zemax优化透镜，如何进一步减小RMS半径，并减小畸变和场曲：
- 刚开始优化的时候不要用SPHA，COMA，LACL等初级像差优化操作数，一开始可以只控制畸变，畸变用DIMX来控制（一点一点降低，不要一下子给它勒到最小值），前期不要加那么多的操作数，还是以默认评价函数为主;
- 优化过程中可能会使结构不合理，需要加一些限制结构的操作数，比如厚度控制，厚薄比控制、反曲等等，还有操作数的权重要小一点，比如0.1，可以通过将实际值乘以10，100，1000……来增加操作数的贡献值;
- 当点列图降到差不多10的时候，再一点点继续降低畸变，色差（根据色差的定义用组合操作数来控制）;
- 换材料的时候锤不动了可以手动换，不要一次全换，先将一片的材料设置为变量，优化，看看折射率和阿贝数往大了走还是小了走，再根据光学玻璃Nd-Vd曲线，选择相应的材料，手动输入替换。
光焦度优化光焦度的理解及在Zemax中计算光焦度：ZEMAX中镜片光焦度优化使每个透镜光焦度分布均匀。可以通过限制光线通过每个面入射和出射角度来控制，即避免在某个面上，入射与出射角度之间的差值过大，也就是使光线比较平滑的通过每个面。按照高斯光学：${u=h\phi}$，孔径角的转角一致，光焦度分布也基本一致。

3. 将高成本玻璃替换成低成本的

(1)首先考虑成本

材料价格这个是相对的，如果口径小，重量轻，加工一片贵的材料和便宜的材料价格相差不大，此时加工费占大头；
如果是打样，材料占的比重比较少，成本主要在治工具以及调机时间上。但如果是批量，材料成本也是重要一部分。

(2)替换原则

在玻璃图附近找Nd，Vd相近的玻璃替换并优化（有时宁愿用贵材料也尽量不增加玻璃片数：玻璃多了带来的装配误差多，降低透过率，增加重量，成本…………除了极个别的像FK61，71这种没法替代外，很少有玻璃是不能换的）；
如果直接替换玻璃无法得到符合要求的系统，再考虑增加玻璃（贵的镜片无非是生产厂家单一，价格垄断；或者原材料贵，这类型要么属于Nd大，要么属于Vd大，从光焦度的分配来说，只要片数不做限制，总可以加镜片去分担该镜片所承担的功能）。

4. 优化瓶颈

如果刚开始是使用“点列图+RMS+质心”方式优化，尝试切换“波前+PTV+主光线”优化，如果发现依旧止步不前：使用“波前+PTV+主光线”优化，同时在评价函数编辑器导入RMS优化文件，长时间锤形优化（注意调整好主重要镜片厚度和空气间隔，防止它们出现极端情况。可以先用局部优化跑一下，看有没有极端情况的苗头）。另：优化完成之后，若部分视场（如边缘视场）点列图、MTF等效果相对于其他视场较差，可在视场数据编辑器处加大对应视场权重，更新评价函数后重新优化。

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LyraZeta