在光学设计软件ZEMAX中，2D视图、3D视图和实体模型是三种不同的可视化工具，分别用于从不同维度展示光学系统的结构、布局和物理特性。它们的核心区别体现在维度、功能、应用场景及信息呈现方式上，以下是详细对比：

一、维度与信息呈现

二、功能与应用场景

1. 2D视图：快速布局与参数验证

• 功能：
  • 以平面投影形式展示光学系统的侧面或俯视图，支持标注关键参数（如曲率半径、厚度、直径）。
  • 可叠加光线追迹结果（如近轴光线、实际光线），验证系统布局是否合理。
• 应用场景：
  • 初步设计阶段：快速检查透镜排列顺序、间距和孔径匹配。
  • 公差分析：通过标注公差范围（如厚度公差TTHI），评估制造可行性。
  • 示例：
    • 在双胶合透镜设计中，用2D视图确认两片透镜的曲率半径和胶合层厚度是否符合设计要求。
    • 在反射镜系统中，用2D视图检查光路折叠角度是否满足机械安装空间限制。

2. 3D视图：空间关系与光线传播可视化

• 功能：
  • 以交互式3D模型展示光学系统的空间布局，支持旋转、缩放和平移操作。
  • 可叠加光线追迹结果（如实际光线、鬼像分析），直观显示光线在系统中的传播路径。
• 应用场景：
  • 复杂系统设计：如手机镜头、显微镜物镜，需验证多透镜组的空间对齐和光线覆盖范围。
  • 杂散光分析：通过3D视图观察鬼像或散射光的传播路径，优化系统结构以减少杂散光。
  • 示例：
    • 在卡塞格林望远镜设计中，用3D视图确认主镜和副镜的相对位置及光线反射路径。
    • 在激光振镜系统中，用3D视图检查光束在非球面透镜上的入射角度和聚焦位置。

3. 实体模型：物理特性与制造仿真

• 功能：
  • 将光学系统转换为实体化模型，包含材料属性（如折射率、阿贝数）、表面处理（如镀膜、磨边）和机械结构（如螺纹、卡槽）。
  • 支持导出为STEP/IGES格式，用于机械加工或装配仿真。
• 应用场景：
  • 制造准备：与CAD软件（如SolidWorks）集成，验证光学元件与机械结构的兼容性。
  • 成本估算：通过实体模型计算材料用量和加工工时，优化设计以降低成本。
  • 示例：
    • 在手机镜头设计中，用实体模型检查透镜组的机械公差（如偏心、倾斜）是否满足装配要求。
    • 在医疗内窥镜设计中，用实体模型模拟镜头与导光束的集成方式，确保空间利用率最大化。

三、操作与交互性

四、典型案例对比

案例1：手机镜头设计

• 2D视图：
  • 展示5片透镜的排列顺序、厚度和孔径，确认总长（TOTR）<5mm。
  • 标注各透镜的圆锥系数（Conic）和非球面系数，验证像差校正效果。
• 3D视图：
  • 旋转模型观察光束在透镜组中的传播路径，检查边缘光线是否被遮挡。
  • 叠加鬼像分析结果，优化镀膜方案以减少反射杂光。
• 实体模型：
  • 导出STEP文件至SolidWorks，检查透镜组的机械公差（如偏心≤0.01mm）。
  • 模拟装配过程，验证螺纹接口和卡槽的匹配性。

案例2：反射式望远镜设计

• 2D视图：
  • 展示主镜和副镜的曲率半径、间距及光路折叠角度，确认符合设计焦距。
  • 标注副镜的圆锥系数（K<−1），验证其为双曲面形状。
• 3D视图：
  • 旋转模型观察光线从主镜反射到副镜，再聚焦到焦平面的路径。
  • 检查副镜边缘是否遮挡主镜反射的光线。
• 实体模型：
  • 分配铝材料属性（反射率>90%），模拟实际使用中的光能损失。
  • 导出IGES文件至CNC机床，加工主镜和副镜的曲面。

五、选择建议

• 初步设计：优先使用2D视图快速验证布局和参数。
• 复杂系统优化：结合3D视图和光线追迹分析空间关系和杂散光。
• 制造准备：通过实体模型导出机械文件，确保设计与生产无缝衔接。

六、附录

6.1 设置光学的数量

6.2 起始面与终止面

在光学系统设计中，起始面（Start Surface）和终止面（Stop Surface）是定义光线追迹范围、分析像差及优化系统的关键概念。它们不仅影响光线传播的边界，还直接关联到系统的性能评估。以下是两者的详细对比与实际应用解析：

1、定义与核心功能

2、关键区别与对比

1. 位置与作用

• 起始面：
  • 位于系统最前端，可能是实物面（如光源）、虚拟物面（如无限远物点）或光阑面（如孔径光阑）。
  • 示例：在显微镜系统中，起始面为样品表面；在望远镜系统中，起始面为无限远物点。
• 终止面：
  • 位于系统最后端，通常是像面（如CCD传感器）、探测器或出射光瞳。
  • 示例：在手机镜头系统中，终止面为图像传感器表面；在激光系统中，终止面为工作面（如切割点）。

2. 参数控制

• 起始面参数：
  • 物距（Object Distance）：定义物体到起始面的距离（正值为实物，负值为虚物）。
  • 孔径类型（Aperture Type）：控制入射光线的边界（如圆形、矩形、环形孔径）。
  • 波长（Wavelength）：设定光线追迹的光源波长（如可见光、红外光）。
• 终止面参数：
  • 像面位置（Image Plane）：定义光线聚焦的平面位置。
  • 探测器尺寸（Detector Size）：限制可接收光线的区域（如CCD的像素尺寸）。
  • 像差分析范围（Field Height）：定义视场范围（如全视场、半视场）。

3. 光线追迹逻辑

• 起始面到终止面：
  • 光线从起始面出发，依次通过系统中的每个光学面（如透镜、反射镜），最终到达终止面。
  • 示例：在卡塞格林望远镜中，光线从无限远物点（起始面）经主镜反射、副镜反射后，聚焦到像面（终止面）。
• 终止面反馈：
  • 若光线未到达终止面（如被遮挡或发散），则视为无效光线，不参与像差分析。
  • 示例：在激光切割系统中，若光线未聚焦到工作面（终止面），则切割效果失效。