介绍了经典Wolter I型掠入射成像光学系统的基本结构, 推导了由系统的口径和焦距表示的掠入射系统的参数方程组。通过此方程组可得到掠入射光学系统详细的初始设计参数。此外, 针对掠入射系统不能直接使用常规商业光学设计软件进行优化的问题, 以Zemax软件为例, 介绍了怎样利用其宏语言构造优化函数用于掠入射系统的分析和优化。并且进行了一组实例的设计和优化, 优化后系统由经典Wolter I型的抛物面-双曲面结构变为具有相同口径和焦距的双曲面-双曲面结构。最后, 对上述两种掠入射系统的成像性能进行了对比分析。分析结果表明, 双曲面-双曲面的结构提高了掠入射系统大视场的分辨率, 能够满足对太阳进行全日面高分辨率观测的要求。

光学设计是利用光学原理对光学系统进行设计、计算、分析和优化的过程。现代光学设计与传统方法相比，已经发生了显著的变化，尤其是随着计算机技术的引入和光学设计软件的发展，光学设计变得更加高效和精确。在众多光学设计软件中，Zemax和Code-V是两款被广泛认可并应用的软件。本文将比较这两款软件在光学设计功能上的不同。 Zemax和Code-V的成像镜头设计功能都是它们的核心功能，但具体功能的侧重点和性能各有不同。Zemax不仅支持透镜设计，还包括了全功能的光学设计分析能力，它可以通过Matlab、Excel、C++等语言进行扩展程序语言接口，使得其应用更加灵活。而Code-V则被看作是国际领先的大规模光学工程软件，其分析功能全面，优化功能强大，尤其适合进行各种复杂的光学系统分析。 在物理光学分析方面，Zemax可以提供干涉图案的分析，而Code-V则没有提及。另外，Zemax能够定义各种光源，包括LED和自定义光源，这对于复杂光源模拟分析至关重要。与此相比，Code-V同样支持光源模拟，但未在描述中详细说明支持的光源类型。 在扩展程序语言接口上，Zemax可以与多种外部程序语言进行链接，从而拓宽了光学设计的应用场景和功能范围。Code-V虽然没有明确说明支持其他程序语言的链接功能，但作为功能全面的软件，很可能也具备类似功能。 环境分析功能是现代光学设计中不可或缺的部分。温度和压力等环境因素都会对光学系统的性能造成影响，Zemax和Code-V在这方面都提供了相应的分析工具。两款软件在考虑温度变化对玻璃折射率、镜头尺寸和间隔的影响时都表现出了其在热分析方面的专业性。 畸变公差分析是光学设计中用来评估镜头设计容差的一项关键功能。Code-V可以对畸变进行公差分析，帮助工程师了解镜头尺寸变化对系统畸变的影响，但Zemax在这一点上有所欠缺。 部分相干照明分析能力是两个软件的又一重要区别。部分相干光照明在提高成像质量方面有其独到之处，尤其是在光刻领域。Zemax在这一点上缺少直接分析功能，而Code-V则能够提供相关的分析功能。 鬼像分析功能对于评估光学系统中的二次成像问题非常重要。在这一点上，两款软件都有提供相应的分析工具，但Code-V提供的宏语言功能更加强大。 初始结构搜索功能在光学设计中能够帮助设计者快速找到合适的设计结构，节省设计时间。Code-V的“镜头魔棒”功能允许用户输入关键参数后从软件自带的专利库中搜索对应结构，而Zemax没有提供此功能。 在光纤耦合效率方面，Zemax提供了两种分析功能，帮助用户分析光线耦合效率和物理光学传输效率。这一功能对于光纤通信、照明系统设计等领域的应用非常重要。 在成像镜头优化速度上，Code-V有着速度上的优势，这可能意味着在进行大规模优化时Code-V能够提供更快的处理速度。 通过比较，可以看出Zemax和Code-V各有其独特优势。Zemax以其易用性、强大的功能和灵活的接口而著称；而Code-V则在分析功能全面性、优化速度以及独特的功能上占优。光学设计工作者需要根据实际需求和个人偏好来选择合适的软件，同时深入了解所选软件的功能，以便最大限度地发挥其在光学设计中的优势。

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针对光电对抗稳定平台中的变焦镜头进行了光机结构设计及热光学特性分析。根据30~120 mm 变焦要求采用凸轮机构进行结构设计。为确保工作在高低温环境下的光学系统获得高分辨率的目标图像，利用有限元方法分析了高低温环境下整机热变形与轴向温度场下变形位移，采用Zernike 多项式对形变后的镜面进行拟合，带入Zemax 软件分析出调制传递函数(MTF)、峰谷值(PV)、均方根(RMS)等评价函数随温度变化曲线，验证了光机设计的合理性。经过高低温可靠性实验对分析结果与变焦光学系统的温度适应性进行了验证。

标题 "长出瞳距瞄准镜，10倍放大率" 描述的是一个光学瞄准镜的设计特点，具有10倍的放大能力，出瞳距较大，可达50毫米。出瞳距是观察者眼睛到瞄准镜出瞳（即最后一片透镜的虚拟成像位置）的距离，较大的出瞳距意味着用户在保持舒适视场的同时，可以更方便地进行瞄准，特别是对于戴眼镜的用户更为友好。然而，为了获得最佳的图像质量，可能需要调整出瞳距，并且可能需要移除目镜中的两个局部转像系统。 光学设计在瞄准镜中扮演着至关重要的角色。课程设计通常会涉及理论学习与实际操作，让学生了解如何优化透镜系统以实现清晰、无畸变的图像。在这个特定的案例中，我们有以下几个关键知识点： 1. **放大率**：10倍放大率表示瞄准镜能使目标图像放大10倍，这对于远距离观察或射击至关重要，因为它能提高目标辨识度。 2. **透镜转像**：在光学系统中，转像通常指改变光线传播方向，使图像在目镜处正立显示。这可能通过反射或折射透镜来实现，确保用户看到的图像方向正确。 3. **出瞳距**：出瞳距决定了观察者眼睛与瞄准镜之间的安全距离，以及图像清晰度。较大的出瞳距允许更宽的视场和更灵活的头部位置，但过大可能会导致像质下降。 4. **目镜**：目镜是瞄准镜的末端部分，直接面对观察者的眼睛。在这个设计中，目镜包含两个局部转像系统，可能用于进一步修正图像方向，使其适应人眼观看。 5. **ZEMAX**：这是一个强大的光学设计软件，广泛用于模拟和优化光学系统的性能。通过ZEMAX，设计师可以预测和改进透镜布局，以达到理想的光学效果。 6. **物镜和转像设计**：压缩包内的“物镜”和“物镜+转像”文件可能包含了物镜的初始设计和添加转像系统后的设计方案，而“目镜2”可能指的是另一种目镜配置。至于“转像”文件，可能是单独的转像组件设计或相关算法。 综合这些知识点，我们可以推断这是一个涉及到光学设计原理和实践的项目，使用ZEMAX进行仿真，以实现一个具有10倍放大率和大出瞳距的瞄准镜。为了改善像质，需要对现有的光学结构进行调整，可能包括重新配置目镜的转像系统。这样的设计挑战有助于提升学生在光学工程领域的专业技能。

提出了一种菲涅耳透镜的普适设计方法，可适用于广义朗伯分布的LED光源，能够同时实现聚光和均匀配光。该方案能够克服传统透镜均匀配光聚光效果不佳的问题，得到的菲涅耳透镜具有聚光比率高、厚度薄、数值孔径较大、光效利用率较高等优点，有助于充分改善LED光源的照明质量，尤其适用于大发光角度的LED光源。在理论设计的基础上，利用专业软件对透镜进行3D建模和仿真，结果进一步验证了该方案的有效性和可靠性。

### 光学设计软件Zemax中文教程知识点概览 #### Zemax软件简介 - **Zemax**是一款在光学设计领域享有盛誉的软件工具，它能够帮助设计师们精确地模拟和优化各种光学系统的性能。 - **特点**：该软件具备强大的功能集，包括但不限于光学系统建模、光线追踪分析、公差分析等，这些功能使得Zemax成为光学设计工程师们不可或缺的工具之一。 #### 学习资源 - **中文教程**：针对不熟悉英语的学习者提供了中文版本的教程，以便更好地理解和掌握Zemax的操作技巧和设计理念。 #### 核心章节概述 - **第1章 引言** - 介绍Zemax的基本概念和发展历程。 - 阐述光学设计的重要性及其对现代科技的影响。 - **第2章 用户界面** - 详细介绍Zemax的操作界面，包括菜单栏、工具栏、主工作区等组成部分。 - 解释各个部分的功能和作用，帮助初学者快速熟悉软件环境。 - **第3章 约定和定义** - 定义在Zemax中使用的关键术语和符号。 - 为后续章节中的深入讨论打下坚实的基础。 - **第4章 教程** - 提供了一系列实际操作案例，从简单的单透镜设计到复杂的多组件系统。 - **教程1：单透镜**——介绍如何创建基本的单透镜模型，并对其进行初步分析。 - **教程2：双透镜**——通过增加第二个透镜来探讨如何改善光学性能。 - **教程3：牛顿望远镜**——讲解望远镜的设计原理及其在Zemax中的实现方法。 - **教程4：带有非球面矫正器的施密特—卡塞格林系统**——探讨高级光学元件的应用，如非球面镜片，以提高成像质量。 - **教程5：多重结构配置的激光束扩大器**——介绍复杂系统的设计考虑因素，如激光光学组件。 - **教程6：折叠反射镜面和坐标断点**——教授如何利用反射镜和坐标系调整来优化光线路径。 - **教程7：消色差单透镜**——专注于解决色差问题的方法和技术。 - **第5章 文件菜单** - 介绍如何管理项目文件，包括新建、打开、保存等功能。 - **第6章 编辑菜单** - 探讨编辑工具的使用，如复制、粘贴、删除等操作。 - **第7章 系统菜单** - 涉及设置选项，如单位选择、默认参数设置等。 - **第8章 分析菜单** - 这一章节是教程的核心部分，涵盖了多种分析工具和方法： - **§8.1 导言**：概述本章的主要内容和目标。 - **§8.2 外形图**：展示如何使用外形图来评估光学系统的基本性能。 - **§8.3 特性曲线**：通过特性曲线分析系统的像差特性。 - **§8.4 点列图**：解释点列图的用途，用于检查光线的聚焦情况。 - **§8.5 调制传递函数MTF** - **§8.5.1 调制传递函数**：介绍MTF的基本概念及其重要性。 - **§8.5.2 离焦的MTF**：讨论离焦情况下MTF的变化情况。 - **§8.5.3 MTF曲面**：演示如何通过曲面图形直观显示不同条件下的MTF值。 - **§8.5.4 MTF和视场的关系**：探讨MTF随视场变化的趋势。 - **§8.5.5 几何传递函数**：介绍另一种评价光学系统性能的指标。 - **§8.5.6 离焦的MTF**：进一步深入研究离焦对MTF的影响。 - **§8.6 点扩散函数（PSF）** - **§8.6.1 FFT点扩散函数**：利用快速傅立叶变换方法计算PSF。 - **§8.6.2 惠更斯点扩散函数**：介绍惠更斯原理下的PSF计算方法。 - **§8.6.3 用FFT计算PSF横截面**：具体示例展示如何使用FFT技术获取PSF的横截面数据。 - **§8.7 波前** - **§8.7.1 波前图**：通过波前图评估系统的波前误差。 - **§8.7.2 干涉图**：利用干涉图分析光学系统的相位差异。 - **§8.8 均方根（RMS）** - **§8.8.1 作为视场函数的均方根**：探讨均方根值随着视场变化的情况。 - **§8.8.2 作为波长函数的RMS**：研究不同波长下均方根值的变化趋势。 - **§8.8.3 作为离焦量函数的均方根**：考察离焦对均方根值的影响。 - **§8.9 包围圆能量** - **§8.9.1 衍射法**：介绍使用衍射理论计算包围圆能量的方法。 - **§8.9.2 几何法**：提供基于几何光学的计算策略。 - **§8.9.3 线性/边缘响应**：探讨包围圆能量与线性或边缘响应之间的关系。 - **§8.10 照度** - **§8.10.1 相对照度**：比较不同条件下光源的照度水平。 - **§8.10.2 渐晕图**：利用渐晕图分析光线在系统中的分布情况。 - **§8.10.3 XY方向照度分布**：展示XY平面上的照度分布特征。 - **§8.10.4 二维面照度**：给出整个二维平面内的照度分布图像。 - **§8.11 像分析** - **§8.11.1 几何像分析**：基于几何光学理论评估成像质量。 - **§8.11.2 衍射像分析**：考虑衍射效应时的成像效果分析。 - **§8.12 其他** - **§8.12.1 场曲和畸变**：讨论光学系统中的场曲现象和畸变问题。 - **§8.12.2 网格畸变**：探讨由于网格结构导致的图像畸变现象。 - **§8.12.3 光线痕迹图**：通过光线痕迹图追踪光线路径。 - **§8.12.4 万用图**：介绍如何生成综合性的图表，以全面评估光学系统的性能。 #### 结语 Zemax不仅是一款功能强大的软件工具，更是光学设计领域不断进步的重要推手。通过本教程的学习，不仅可以掌握Zemax的基本操作和高级功能，还能深入了解光学设计背后的科学原理和技术挑战。希望读者能够在实践中不断探索，运用Zemax创造出更多创新和高效的光学解决方案。

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光学设计在现代科技和工业领域中扮演着至关重要的角色，特别是在照明光学中，中继聚光镜系统的设计是一项基础而关键的技术。这种系统主要用于解决光源亮度不均匀的问题，确保目标区域能够得到均匀的光照，同时避免能量损失。下面我们将详细讨论ZEMAX光学设计软件在中继聚光镜系统设计中的应用以及相关的光学原理。 中继聚光镜系统由两个主要的光学元件组成：聚光镜和中继镜头。聚光镜作为第一个元件，其主要任务是聚集来自光源的光线，这通常通过精心设计的曲面形状来实现，使光源在第二个元件——中继镜头上形成清晰的像。中继镜头则负责将聚光镜形成的像传递到所需的照明面上，确保照明的均匀性。 在处理亮度不均匀的光源时，如灯丝或放电管，聚光镜的作用尤为重要。这些光源虽然亮度分布不均，但可以通过聚光镜将光线集中并均匀分布到照明面上。为了达到这一效果，聚光镜必须能够覆盖整个光源，并且其尺寸和形状应根据光源特性进行调整。中继镜头则需要精确设计，以确保从聚光镜转移过来的光线能准确地投射到目标区域，避免能量损失。 在使用ZEMAX进行设计时，需要利用其强大的镜头编辑器功能。光阑被设定为光源的位置，聚光镜与物体平面对齐，这有助于优化设计以减小点斑，提高成像质量。然而，设计时需注意，聚光镜的倾斜角度过大可能会导致照明强度下降，因此需要适当平衡角度和照明效率之间的关系。 为了分析系统的照度分布，ZEMAX提供了扩展光源分析工具，如几何光学图像分析，这有助于我们理解光线如何在系统内传播并影响最终的照明效果。比如，聚光镜的形状会直接影响照射形状，圆形聚光镜会产生圆形的光照分布，而矩形聚光镜则会产生矩形的光照分布。 更复杂的系统，如复眼透镜，是由多个这样的中继聚光镜单元组合而成，它们可以进一步提高照明的均匀性和效率。Ansys Zemax软件不仅提供了全面的光学设计功能，还包括优化和公差分析，这对于确保设计在实际生产中的性能至关重要。 ZEMAX光学设计技术在中继聚光镜系统设计中起到了核心作用，它帮助设计师克服亮度不均匀、能量损失等挑战，实现高效、均匀的照明效果。对于需要在照明设计中实现高精度和可靠性的项目，ZEMAX无疑是一个强大的工具。

自由曲面匀光透镜被广泛应用于发光二极管(LED)照明中。传统的基于几何近似的自由曲面求解方法，由于存在建模误差，导致求解的面型不够精确，照明面均匀性下降。提出了一种误差分析及补偿方法，通过建立面型误差和出射角度误差之间的联系，结合光线追迹，实现了面型误差的准确量化和修正。采用该方法，针对1000 mm 工作距离，直径200 mm 照明范围的景观照明透镜进行了补偿设计，并用Lighttools 软件进行了仿真。结果表明：点光源模拟情况下，相对于传统几何近似求解方法，照明均匀性(最小照度/平均照度)由68.0%提升到98.5%；1 mm×1 mm尺寸LED 光源模拟情况下，在直径160 mm 的照明范围内，均匀性达到91.8%，具有良好的实用性。