Оформление оптического выпуска на основании расчетов в программе ZEMAX

Ю.Ю. Качурин, А.В. Крюков, А.А. Каратеева

Оформление оптического выпуска 
на основании расчетов 
в программе ZEMAX

Учебно-методическое пособие

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 535.31
ББК 22.34
        К30

Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/6308/

Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Лазерные и оптико-электронные системы»

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Качурин, Ю. Ю.
Оформление оптического выпуска на основании расчетов в программе ZEMAX : учебно-методическое пособие / Ю. Ю. Качурин, А. В. Крюков, А. А. Каратеева. — Москва : Издательство МГТУ  
им. Н. Э. Баумана, 2019. — 55, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5236-1

Рассмотрено моделирование двухлинзового склеенного объектива в программе ZEMAX, выполнен аберрационный расчет объектива. Показано формирование таблиц и графиков оптического 
выпуска на основании данных расчета. Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельного выполнения студентами домашнего задания по учебной дисциплине «Прикладная оптика». 
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Оптотехника», «Лазерная техника и 
лазерные технологии» и по специальности «Электронные и оптико-электронные приборы и системы специального назначения».

УДК 535.31
ББК 22.34

К30

ISBN 978-5-7038-5236-1

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

Учебное издание

Качурин Юрий Юрьевич, Крюков Александр Владимирович, Каратеева Анастасия Артуровна

Оформление оптического выпуска на основании расчетов в программе ZEMAX 

Редактор Л.А. Маслова
Художник Э.Ш. Мурадова
Корректор Н.А. Фетисова
Компьютерная верстка Г.Ю. Молотковой

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана.

В оформлении использованы шрифты Студии Артемия Лебедева.

Подписано в печать 23.01.2020. Формат 60×90/8.
Усл. печ. л. 7,0. Тираж 50 экз. Изд. № 527-2018. Заказ.

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.
press@bmstu.ru
www.baumanpress.ru

Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.
baumanprint@gmail.com

Предисловие

Учебно-методическое пособие подготовлено для самостоятельной проработки студентами разделов дисциплины «Прикладная оптика» путем выполнения и защиты домашнего задания. Учебная 
дисциплина «Прикладная оптика» входит в образовательную программу бакалавриата по направлениям подготовки 12.03.02 «Оптотехника» и 12.03.05 «Лазерная техника и лазерные технологии»,  
а также в образовательную программу 12.05.01 «Электронные и оптико-электронные приборы  
и системы специального назначения» (уровень специалитета).
Цель учебно-методического пособия — научить студентов составлять типовой оптический выпуск 
на фотографический объектив, используя данные аберрационного расчета, выполненного в программе ZEMAX. 
Задача учебно-методического пособия — содействие формированию теоретических знаний  
и практических навыков по моделированию, габаритному и аберрационному расчету двухлинзового 
склеенного объектива и оформлению на основании данного расчета конструкторской документации 
в виде оптического выпуска на объектив. 
Студенты после выполнения и защиты домашнего задания:
 • получат базовые знания об основных характеристиках фотографического объектива, о месте 
и роли диафрагм и принципах построения типовой оптической системы двухлинзового склеенного 
объектива;

 • овладеют практическими навыками:
○ выполнения габаритного и аберрационного расчета оптических систем двухлинзового 
склеенного объектива;
○ оформления конструкторской документации в виде оптического выпуска на двухлинзовый склеенный объектив;
○ самостоятельного применения программных средств, предназначенных для аберрацион- 
ного расчета и анализа качества изображения оптических систем.
Планируемые результаты обучения. Дисциплина «Прикладная оптика» построена по модульному 
принципу, каждый модуль представляет собой логически завершенный раздел курса. Для каждого 
модуля приводится набор планируемых результатов обучения, заданных программой дисциплины. 
Достижение этих результатов оценивается при текущем контроле освоения дисциплины. 
Методика освоения материала модулей дисциплины. Дисциплина «Прикладная оптика» предназначена для достижения ряда результатов обучения, которые сформулированы в программе дисциплины. В ней описывается то, что студент после ее освоения должен знать (помнить и понимать), 
уметь (применять, анализировать, оценивать и создавать). Достижение каждого результата оценивается при текущем или промежуточном контроле. Текущий контроль проводится в течение каждого модуля учебной дисциплины. Важной составной частью самостоятельной работы студента является выполнение и защита домашних заданий. Для успешного завершения работы в семестре студент 
должен выполнить все контрольные мероприятия.
Выполнение и оценка результатов выполнения домашнего задания по оформлению оптического выпуска для двухлинзового склеенного объектива входят в контрольные мероприятия модуля 5 
дисциплины.
Критерии текущего контроля и оценка результатов выполнения домашнего задания. Домашнее задание состоит из оформления оптического выпуска для двухлинзового склеенного объектива, расчета числовых значений аберраций третьего порядка и размера аберрационных пятен рассеяния. 
Максимальный балл за выполнение и защиту домашнего задания определен в рабочей программе 
дисциплины «Прикладная оптика» и соответствует 100 %. Выполнение домашнего задания оценивается по шкале: 

 • 100 % — правильное и своевременное решение и правильный полный ответ на вопросы при 
защите; 

 • 60 % — несвоевременное и небрежное решение и правильный, но неполный ответ на вопросы при защите;

 • 0 % — задание не решено. 

Таким образом, итоговую оценку можно привести к традиционной следующим способом:

Процент выполнения задания 
и правильных ответов
Оценка

85–100 ……………………….................…………………………..…….............…. Отлично

71–84 ……………………………………………..…………………........................... Хорошо

60–70 ………………………………………………............................................... Удовлетворительно

Менее 59 ……………...…………………………………….................…............... Неудовлетворительно

Рекомендации по организации самостоятельной работы студентов. На выполнение домашнего 
задания в учебном плане выделено 3 часа самостоятельной работы. Сроки получения и сдачи задания также определены в учебном плане и в рабочей программе дисциплины «Прикладная оптика».

Введение

Оптический выпуск представляет собой рабочий документ, в котором собраны данные о самой 
оптической системе, а также результаты ее аберрационного расчета. Государственного стандарта на 
выполнение оптического выпуска нет, но есть некоторые традиции его заполнения. В рабочем документе приводятся данные об оптической системе, значения остаточных аберраций и их графики 
(прил. 1).
К данным об оптической системе относятся: 
 • название;
 • основные оптические характеристики;
 • спектральный состав излучения;
 • эскиз оптической системы с соблюдением масштабных пропорций;
 • конструктивные параметры:
○ радиусы кривизны;
○ осевые расстояния (толщины линз и воздушные промежутки);
○ марки стекол с показателями преломления;
○ световые диаметры;
○ стрелки прогиба на световых диаметрах;

 • информация о диафрагмах и зрачках;
 • дополнительная информация, свойственная конкретному классу оптических систем, такая 
как положение предмета, положение изображения, фактическое фокусное расстояние и фокальные 
отрезки, увеличение в зрачках.
Остаточные аберрации приводятся в таблицах:
 • аберрации точки на оси;
 • аберрации главных лучей;
 • аберрации широких пучков лучей меридионального сечения;
 • аберрации широких пучков лучей сагиттального сечения.
В зависимости от спектрального состава значения остаточных аберраций даются для характерных 
длин волн. Динамика изменения остаточных аберраций показывается на графиках.
В зависимости от назначения и характеристик оптической системы на оптическом выпуске 
могут быть приведены аберрации широких пучков лучей косого сечения, волновые аберрации, среднеквадратичные значения (СКЗ) волновой аберрации. В зависимости от режима работы системы на 
выпуск выносят модуляционно-передаточную функцию (МПФ) — для режима распознавания либо 
функцию концентрации энергии (ФКЭ) — для режима обнаружения объектов.
Составление оптического выпуска по данным аберрационного расчета в любой специализированной компьютерной программе начинается с корректного задания оптической системы с учетом 
особенностей интерфейса и правила знаков конкретной программы. Важными этапами также являются извлечение необходимой информации из таблиц анализа, полученных в результате обработки 
исходных данных, ее интерпретация и конвертация в соответствии с принятыми в России обозначениями и единицами измерения.
Проектирование современных оптических систем невозможно без использования специализированных компьютерных программ, таких как CodeV, ZEMAX, Oslo, Opal. На кафедре «Лазерные  
и оптико-электронные приборы» в качестве базовых используются специализированные компьютерные программы Opal и ZEMAX (далее — программа ZEMAX) [1, 2].
Особенности работы с программой Opal рассмотрены в работах [3, 4]. Настоящее учебно-методическое пособие является продолжением работы [5], в которой описаны базовые возможности 
программы ZEMAX. В качестве примера рассматривается типовое задание на составление оптического выпуска на примере двухлинзового склеенного объектива (представлено ниже).
Для этого в пособии рассматриваются: 
 • особенности ввода исходных данных: 
○ конструктивных параметров;

○ спектрального состава; 
○ положения и величины предмета;

 • текстовые окна анализа и их использование для составления таблиц оптического выпуска.
Составление оптического выпуска показано на примере двухлинзового склеенного объектива, 
параметры которого представлены в табл. В.1, В.2.

Таблица В.1

Образец задания «Объектив Об44»

Номер 
п/п

Конструктивные параметры оптической системы

Радиус  
кривизны 
ri, мм

Толщина 
линзы
di, мм

Показатели преломления ni
для длин волн
Марка
стекла
λe = 0,54607 мкм
λF’ = 0,47999 мкм
λC’ = 0,64385 мкм

–
–
1,00000
1,00000
1,00000
–

1
139,64
3,00
1,62981
1,63829
1,62203
БФ12

2
52,55
9,00
1,51829
1,52241
1,51429
K8

3
–195,15
–
1,00000
1,00000
1,00000
–

Таблица В.2

Дополнительные данные оптической системы

Название характеристики
Значение

Диаметр апертурной диафрагмы DАД
33,20 мм

Удаление апертурной диафрагмы от первой поверхности sАД
0,00 мм

Диаметр виньетирующей диафрагмы DВД 
33,20 мм

Удаление виньетирующей диафрагмы от первой поверхности sВД
–58,00 мм

Удаление предмета от первой поверхности s
–∞

Угловое поле в пространстве предметов 2w
6,00°

Варианты домашнего задания с информацией о параметрах двухлинзового склеенного объектива представлены в прил. 2. На основании задания в первой главе учебно-методического пособия 
рассмотрены особенности ввода исходных данных, во второй главе — текстовые окна анализа и их 
использование.