zemax初级教程
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
整个中华卫星二号「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，执行简单光学设计最佳化。
设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7镜片来作。
首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置……等。
然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486，以microns 为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.486的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。
再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，在aper value上键入25，而aperture type被default为Entrance Pupil diameter。也就是说，entrance pupil的大小就是aperture的大小。
回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine 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。但这是最佳化设计吗？再次调整surface 1的radius项从fixed变成variable，依次把surface 2的radius，及放弃原先的surface 2中thickness 的Marginal Ray height也变成variable。再来我们定义一个Merit function，什么是Merit function呢？Merit function就是把你理想的光学要求规格定为一个标准(如此例中focal length为100mm)，然后Zemax会连续调整你输入solves中的各种variable, 把计算得的值与你订的标准相减就是Merit function值，所以Merit function值愈小愈好，挑出最小值时即完成variable 设定，理想的Merit function值为0。
现在谈谈如何设Merit function，Zemax 已经default 一个内建的merit function，它的功能是把RMS wavefront error 减至最低，所以先在editors 中选Merit function，进入其中的Tools，再按Default Merit Function 键，再按ok，即我们选用default Merit function ，这还不够，我们还要规定给merit function 一个focal length 为100的限制，因为若不给此限制则Zemax 会发现focal length为时，wavefront aberration的效果会最好，当然就违反我们的设计要求。所以在Merit function editor第1列中往后插入一列，即显示出第2列，代表surface 2，在此列中的type项上键入EFFL(effective focal length)，同列中的target项键入100，weight项中定为1。跳出Merit function editor，在Tools中选optimization项，按Automatic键，完毕后跳出来，此
时你已完成设计最佳化。重新检验ray fan，这时maximum aberration已降至200 microns。
其它检验optical performance还可以用Spot Diagrams及OPD等。从Analysis中选spot diagram中的standard，则该spot大约为400 microns上下左右交错，与Airy diffraction disk比较而言，后者大约为6 microns交错。
而OPD为optical path difference(跟chief ray作比较)，亦从Analysis 中挑选，从Fans中的Optical Path，发现其中的aberration大约为20 waves，大都focus，并且spherical，spherochromatism及axial color。 Zemax 另外提供一个决定first order chromatic abberation 的工具，即 the chromatic focal shift plot，这是把各种光波的back focal length跟在paraxial上用primary wavelength 计算出first order的focal length之间的差异对输出光波的wavelength 作图，图中可指出各光波在paraxial focus上的variation。从Analysis中Miscellaneous项的Chromatic Focal Shift即可叫出。
(回内容纲目) ●习作二：双镜片
你将学到：画出layouts和field curvature plots,定义edge thickness solves, field angles等。
一个双镜片是由两片玻璃组成，通常黏在一起，所以他们有相同的curvature。借着不同玻璃的dispersion性质，the chromatic aberration可以矫正到first order所以剩下的chromatic aberration主要的贡献为second order，于是我们可以期待在看chromatic focal shift plot图时，应该呈现出parabolic curve的曲线而非一条直线，此乃second order effect的结果（当然其中variation的scale跟first order比起来必然小很多，应该下降一个order）。
跟习作一一样，我们仍然要设计一个在光轴上成像，focal length为100mm 的光学系统，只不过这次我们用两块玻璃来设计。
选用BK7和SF1两种镜片，wavelength和aperture如同习作一所设，既然是doublet，你只要在习作一的LDE上再加入一面镜片即可。所以叫出习作一的LDE，在STO后再插入一个镜片，标示为2，或者你也可以在STO前在插入一面镜片标示为1，然后在该镜片上的surface type上用鼠标按一下，然后选择Make
Surface Stop，则此地一面镜就变成STO的位置。在第一、第二面镜片上的Glass 项目键入BK7即SF1，因为在BK7和SF1之间并没有空隙，所以此doublet为相黏的二镜片，如果有空隙则需5面镜因为在BK7和SF1间需插入另一镜片，其glass type为air。现在把STO旱地二面镜的thickness都fixed为3，仅第3面镜的thickness为100且设为variable，既然要最佳化，还是要设merit function，注意此时EFFL需设在第三面镜上，因为第3面镜是光线在成像前穿过的最后一面镜，又EFFL是以光学系统上的最后一块镜片上的principle plane 的位置起算。其它的merit function设定就一切照旧。
既然我们只是依习作一上的设计规范，只不过再加一面SF1镜片而已，所以其它的merit function设定就一切照旧。现在执行optimization，程序如同习作一，在optimization结束后，你再叫出Chromatic Focal Shift来看看，是否发现first order的chromatic aberration已经被reduced，剩下的是second order chromatic aberration在主宰，所以图形呈现出来的是一个parabolic curve，而且现在shift的大小为74 microns，先前习作一为1540 microns。
再看其它的performance效果，叫出Ray aberration，此时maximum transverse ray aberration已由习作一的200 microns降至20 microns。而且3个不同波长通过原点的斜率大约一致，这告诉我们对每个wavelength的relative defocus为很小。再者，此斜率不为0(比较习作一Fig E1-2)，这告诉我们什么讯息呢？如果斜率为0，则在pupil coordinate原点附近作一些变动则并不产生aberration代表defocus并不严重，而aberration产生的主要因素为spherical aberration。故相对于习作一(比较他们坐标的scale及通过原点的斜率)，现在spherical aberration已较不严重(因为aberration scale
已降很多)，而允许一点点的defocus出现，而出现在rayfan curve的S形状，是典型的spherical balanced by defocus的情况。现在我们已确定得到较好的performance，但实际上的光学系统长的什么样子呢？选择Analysis，Layout，2D Layout，除了光学系统的摆设外，你还会看到3条分别通过entrance pupil 的top，center，bottom在空间被trace出来，他们的波长是一样的，就是你定的primary wavelength(在此为surface 1)。这是Zemax default的结果。
但是现在还有一个问题，我们凭直觉定出STO的thickness为3，但是真正在作镜片的时候，STO和surface 2镜面会不会互相交错穿出，即在edge的thickness值为正数或负数，还有是不是应该改一下设计使lens的aperature 比diameter小，如此我们可预留些边缘空间来磨光或架镜。
于是我们可能更改的是diameter，STO的thickness来解决上述问题。先在STO的diameter上键入14来盖过12.5，此时会有一个”U”字出现代表user define，现在设想我们要edge thickness固定为3mm，可是你或许会问这样系统岂不是弄乱了吗？defocus又会出现，关键是再一次执行optimization即可。在STO的thickness上按一下，选择Edge Thickness项目，则会出现”Thickness”及”Radial Height”两项，设thickness为3及radial height为0(若radial height为0，则Zemax就使定user define的semi-thickness)按OK跳出，你会发现STO的thickness已改变，且会出现一个”E”字代表an active thickness solve在该项的parameter上。
既然edge thickness已改变，所以focal length也一定有些许变动，为了维持原有的EFFL，现在再执行optimization一次即可。现在我们想看看off-axis 的performance，从system的Fields中的Field Data，选用3个field来作比较，怎么选呢？在第2及第3个列中的”Use”项中各按一下，在第2列的y field 行中键入7(即7 degree)，在第3列中键入10，第一列则让它为0即持续on-axis。而设所有的x field皆为0，对一个rotational对称的系统而言，他们的值很小，按OK键跳出。现在Update rayfan，你可看到如Figure E2-4之图。图中T 代表tangential，S为sagittal，结果显示off-axis的performance很差，这是因为一开始我们就设计系统在on-axis上来作optimization，这些aberration 可以用field curvature plot来估计，选Analysis中，Miscellaneous的Field Curv/Dist。则出现如Figure E2-5的图，左图表示shift in paraxial focus 为field angle的函数，而右图为real ray的distortion，以paraxial ray 为参考ray。在field curvature plot的讯息也可从rayfans中得知，为field curvature plot是正比于在rayfan plot中通过原点的斜率。
(回内容纲目) ●习作三：牛顿望远镜
你将学到：使用mirrors，conic constants，coordinate breaks，three dimensional layouts，obscurations。
牛顿望远镜是最简单的矫正所有on-axis aberrations的望眼镜。牛顿望远镜是利用一个简单的parabolic mirror完美地矫正所有order的spherical aberration，因为我们只在optical axis上使用，除spherical aberration
外并没有其它的aberration。
假想要设计一个1000mm F/5的望远镜，我们需要一个具有2000mm的curvature及200mm的aperture。在surface 1即STO上的curvature项中键入-2000 mm，负号表示对object而言，其曲面为concave，即曲面对发光源而言是内弯的。在thickness项中键入-1000，负路表示光线没有透过mirror而是反射回来，在Glass项中键入MIRROR，最后在System的General项中的aperture 中键入200。
Wavelength选用0.550，field angel则为0。现在看看spot diagram，你会看到一个77.6 microns RMS的spot diagram，而一个很方便估算image quality 的方法就是在spot diagram的顶端上再superimpose一个Airy diffraction ring。从spot diagram的menu bar选择Setting，在Show Scale上选”Airy Disk”，结果如图Figure E3-1所示，你会发现和选”scale bar”的结果是一样的。图中所列的RMS spot size选”Airy Disk”为77.6 microns。光线并没有diffraction-limited的原因是因为我们还没有设定conic constant。先前我们设定的curvature的值为-2000只是定义一个球面，若要定义一个抛物面镜，则在STO的Conic项中尚需键入-1，接下来Update spot diagram，你会看到”Airy ring”为一个黑圈，而光线则聚集在圈内中心上，RMS值为0。
可惜的是，成像的位置很不好，所谓的不好是它位于在入射光的路径上，若你要看这个像的话，你的观看位置刚好挡住入射光。改善的方法是在反射镜的后面再放一个折镜，fold mirror(后面是相对于成像点而言)。这个fold mirror 相对于光轴的倾斜角度为45，把像往上提离光轴。因为进来的光束为200mm宽，因此成像平面至少在离光轴100mm的上方，如此”看”像的时候才不会挡住入射光。我们决定用200mm，而fold mirror离先前的反射镜面为800mm，因为
200+800=1000等于原先在STO上的thickness，即成像”距离”不变。操作如下，先把STO的thickness改为-800，然后在imagine plane前插入一个dummy surface，为何要插入dummy surface呢？又dummy surface是什么呢？dummy surface的目的只是在帮助我们把fold mirror的位置标示出来，本身并不具真实的光学镜片意义，也不参予光学系统的任何”反应”，所以称为dummy surface。怎么插入dummy surface呢？先在image plane前面插入一个surface，这个surface很快地就会被转变成fold mirror，但是你不要自己在surface type
处去改变它成为fold mirror，而是选Tools中的Add Fold Mirror，并在其”fold surface”处选”2”代表定义surface 2为fold mirror，完成后你将看到如Zemax P.31页中LED的表。或许你会问，表中surface type处在surface 2及4中皆为Coord Break，这又是什么？coordinate break surface是在目前的系统内定义一个新坐标系统，它总是用dummy surface的观念用来作ray tracing的目的。而在描述此新坐标系统中，通常选用6个不同参数，即
x-decenter，y-dencenter，tiltx，tilty，tiltz及一个flag来指示tilting 或decentration的order。
要注意的是，coordinate break总是相对于”current”而”global”的coordinate system，即只是在一个系统内部，若要改变某样对象的位置或方向，我们即利用coordinate break来作此对象的区域调整，而不用重新改变所有的系统各部份。Coordinate break就像是一个平面指向调整后的局部系统的方位。然而coordinate break surface绝不会显示出来。而它的glass项中显示为”-“代表不能键入，而它的surface type型式一定跟它前一面镜的glass type
一致。现在我们来看看layout，不能选2D(2D只能看rotational symmetric systems)，要用3D看，叫出layout后，按↑↓或page down or up可以看三维效果，这个设计尚可再作改善，首先入射光打到fold mirror背后的部份可以vignetted，这在实际的系统中是一个很重要的思量。在STO的前面插入一个surface，令这个surface的thickness为900，在surface type中的Aperture Type还为”Circular Obscuration”，在Max Radius键入40，因为fold mirror 的semi-diameter为31，如此才能遮蔽。Update 3D layout，如看不到像Figure E3-3的图，则在3D layout的setting项中改变the first surface和the last surface分别为1及6即可。
(回内容纲目) ●习作四：Schmidt-Cassegrain和aspheric corrector
你将学到：使用polynomial aspheric surface, obscurations, apertures, solves, optimization, layouts, MTF plots.
本习作是完成Schmidt-Cassegrain及polynomial aspheric corrector plate。这个设计是要在可见光谱中使用。我们要一个10inches的aperture和10inches的back focus。开始设计之初，先把primary corrector System, General, 在aperture value中键入10，同在一个screen把unit”Millimeters”改为”Inches”。再来把Wavelength设为3个，分别为0.486，0.587，0.656，0.587定为primary wavelength。你可以在wavelength的screen中按底部的”select”键，即可完成所有动作。目前我们将使用default的field angle value，其值为0。依序键入如Zemax P.33页的starting prescription for schmidt cassegrain的LDE表，此时the primary corrector为MIRROR球镜片。你可以叫出2D layout，呈现出如Figure E4-1之图。现在我们在加入第二个corrector，并且决定imagine plane的位置。键入如Zemax P.33 Intermediate prescription for schmide cassegram的LDE，注意到primary corrector的thickness变为-18，比原先的-30小，这是因为要放second corrector并考虑到其size大小的因素。在surface4的radius设定为variable，透过optimization, Zemax 可以定下他的值。先看看他的layout，应如Figure E4-2所示。叫出merit function, reset后，改变”Rings” option到5。The rings option决定光线的sampling density, default value为3，在此设计，我们要求他为5。执行
optimization, 用Automatic即可，你会发现merit function的值为1.3，不是很理想。这是residual RMS wave error所致。跳出merit function,从system 中选Update All,则secondary corrector的radius已变成41.83。从Analysis, fans,中选Optical Path, OPD plot如Figure E4-3所示，发现其为defocus
且为spherical,大概约有4个wave aberration需要矫正。
现在切入另一个主题，利用指定polynomial aspheric cofficients来作aspheric correction。改变surface 1的surface type从standard改为”Even Asphere”，按OK后跳出，回到surface 1 列中，往右移直到4th Order Term, 把此项设为变数，依法炮制，6th, 8th,后再次执行optimization。把OPD plot update,其图应如Figure E4-4所示，你会发现spherical aberration已被大大地减少。小心一点的观察，不同的三个波长其相对的aberration有不同的spherical amount, 这就是spherichromatism,是下一个要矫正的目标。依据经验所得，我们要用axial color来矫正spherochromatism,何谓axial color balance呢？而实际上spherochromatism是在first order axial color中被忽略的higher order效应。而现在first order axial color并不存在，如果first order存在的话，代表其效应（首先axial color既是指轴而言，他即表示paraxial-optics,即不同color在轴上的效应，也就是first order optics）要远大于higher order, 即higher order的aberration会被balance掉，即first order会抢higher order的aberration, 用first order axial color 来消除higher order的spherochromatism这是在光学设计上常用的手法。
要怎么引进axial color呢？我们改变surface1的curvature来达到axial color的效果。把曲面1的radius设为variable,执行optimization，再看看update后OPD plot图，如图E4-5所示，这就是我们所要设计的，残余的像差，residual aberration小于1/20波长，这个良好结果，可以让我们些微改变field angle,从system, field中，把field angle的值设为3个，分别是0.0, 0.3, 0.5。现在field angle已改变，等于boundary condition已改变，所以你需要复位你的merit function。把merit function的”Rings”改变为”4”后跳出执行optimization, 则新的OPD plot应如图E4-6所示，虽有不同的field angle,但是所有的aberrations却可以接受。说明此设计还不错。
假想我们要用此望远镜来照相，则这组望远镜的鉴别转换功效为何？什么是鉴别转换功效（Modulation Transfer Function）呢？这就是说，若是发光物
Object的鉴别率为M
0，而经过此望远镜后所得到的鉴别率是M
i
，则MTF＝M
i
/ M
即MTF愈大，代表此望远镜较不会降低原有的鉴别率，也就比较不会失真。而MTF的横轴为spatial frequency in cycles per millimeter, spatial为鉴别尺（bar target）明暗条纹中其分隔空间宽度之意，通常以millimeter为单位，而frequency in cycles即每millimeter有几组明暗条纹，所以可鉴别最小刻
度，即反应该光波的频率。Modulation Transfer Function，即呈现如图E4-7所示之图，而tangential & sagittal对各种入射光field angle的response 也一并显示。
对一个有经验的设计者而言，此设计所呈现的MTF为circular pupil autocorrelation的结果。这是我们尚未考虑the secondary corrector所带来遮蔽效应。既然secondary corrector放在primary的前面中心位置上，则入射光一定有部分被挡住，并且在primary上有个洞把成像的光放出去，此洞也需纳入考虑，所以我们高估了我们的performance。改良如下，回到LDE，在曲面3的第一项中点两下，从Aperture types中选Circular Aperture，在Min Radius 中键入1.7，即入射光离光轴的半径需大于1.7才可进入，此动作再处理primary 上的洞，同时把Max Radius改为6。再来处理secondary corrector的obscuration，在surface 3的前面，插入一个surface这个new surface就变成了surface 3，把其thickness改为20，且surface 2的thickness改为40，如此20+40＝60并不改变光从BK7后到primary的长度。调整surface 3的Aperture type，设定为Circular Obscuration。把Max Radius订为2.5，按OK后跳出，同时设定surface 3的semi-diameter也是2.5，update后的MTF，你会发现performance已降低，特别是在medial spatial frequencies部分。
(回内容纲目) ●习作五：multi-configuration laser beam expander
你将学到：使用multi-configuration capability。
假设你需要设计一个在波长λ＝1.053μ下操作的laser beam expander，Input diameter为100mm，而output diameter为20mm，且Input 和output
皆为collimated。在此设计之前，我们必须遵守下列设计条件，
1.只能使用2个镜片
2.本设计在形式上必须是Galilean（没有internal focus）
3.只有一个aspheric surface可以使用
4.此光学系统必须在λ328μ下完成测试。
本设计任务不只是要矫正aberration而已，而是在两个不同wavelengths 的情况下都要做到。先谈谈条件2中什么是Galilean呢？Galilean就是光线从入射到离开光学系统，在光学系统内部不能有focus现象，在本例中即beams
在两个镜片之间不能有focus。好在本系统不是同时在2个wavelengths下操作，所以在操作时我们可以变动某些conjugates。现在开始设计，依据Zemax P.4-18页的LDE表中键入各surface的相关值。其中surface 5的surface type从Standard改为Paraxial，这时在镜片后面的focal length项才会出现。注意到使用paraxial lens的目的是把collimated light（平行光）给focus。同时把surface 5的thickness及focal length皆设为25，entrance pupil的diameter 定为100，wavelength只选一个1.053 microns即可，记住不要在设第二个wavelength。叫出merit function，在第1列中把operand type改为REAY这表示real ray Y将用来作为一种constraint，在本设计中，我们被要求Input diameter为100而output diameter为20，其比值为100：20＝5：1，即入射beam被压缩了5倍，在srf#中键入5，表示在surface中我们要控制他的ray height，而Py上则键入1.00。把target value定为10，这个动作将会给我们一个diameter collimated为20mm的output beam。为什么呢？因为Py是normalized的pupil coordinate，即入射光的semi-diameter为50。，Py＝1即现在的入射光is aimed to the top of the entrance pupil，把target value 定为10，就是输出光的semi-diameter为10，所以50：10＝5：1，光被压缩了5倍，达到我们的要求。semi-diameter的值定为10，现在选Tools，Update，你会看到在value column上出现50的值，这就是entrance pupil radius即表示coordinates是座落在一个单位圆（unit circle）上，而其半径为50，当Px ＝0，Py＝1即表示在y轴的pupil大小为50，而在x轴的则为0。
从edit menu bar选Tools，Default Merit Function，按Reset后把”Start At” field的值改为2，这表示以后的operands会从第二列开始，而不会影响已建立的REAY operand。执行optimization后，把OPD plot叫出来，如图E5-1所示，你会发现performance很差，大约为7个waves。
这个aberration主要来自spherical aberration，所以我们要把surface 1改为a spheric，把surface 1列中的conic设为variable，再次执行optimization，你会看到较好的OPD plot。现在把所有的variable都去掉，然后将此field存盘，因为你已完成wavelength在1.053μ下的beam expander 设计。但是wavelength在0.6328μ的情况怎么办呢？我们进入此习作的另一个主题，也就是multi-configuration可以在同一系统中同时设定不同的configuration，以适应不同的工作环境或要求，先前我们已完成了wavelength 为1.053μ的configuration，把他看做configuration 1，而wavelength 0.6328为configuration 2。
把wavelength从1.053改为0.6328后看看OPD plot，出现非常差的performance，这是因为glass dispersion的缘故。我们调整lens spacing来消除此defocus把surface 2的thickness设为variable，执行optimization 后，update OPD plot，此时的aberration大约为一个wave，接下来消掉surface 2 thickness的variable。现在我们来使用Zemax的multi-configuration capability功能，从main menu上选Editors，后Multi-configuration，再选其中的Edit，Insert Config，如此我们就可以加入一个新的configuration，在第一列的第一项中按两下，选”wave”，同时在”Wavelength#”中选为1，这表示在不同的configuration，我们使用不同的wavelengths。在Config 1
下键入1.053，Config 2下键入0.6328，在插入一个新的列于此列的第一项中按两下，选THIC为一个operand type，这会让我们在各别的configuration中定义不同的thickness，从”surface” list中选2后按OK。在Config 1下键入250，Config 2也键入250，不过在surface中选2即表示在LDE中surface 2的thickness是当作mult-configuration的一项oprand value，把Config 2下surface 2的thickness设为variable。回到merit function editor，选Tools，Default Merit Function，把”StartAt”的值改为1，使default merit function会从第一列开始考虑。现在先前设定的REAY constraint条件必须加到此新的multi-config merit function，在merit function的第一列中，有一个CONFoperand且在”Cfg#”项中定为1，表示现在configuration 1是avtive。在此列之下尚有三个OPDXoperands，于CONF和第一个OPDX之间插入一个新列，把其operand type改为”REAY”，”Srf#”键入5。表示我们要控制的ray height 是对surface 5而言，Py键入1.00target value设为10。如同先前的file让输出beam的diameter为20mm。在CONF 1的要求接设定完毕，在CONF 2则不设任何operand，因为我们不可能在两种wavelengths操作下要求exact 5：1的beam。回到LED，把surface 1，2，4的curvatures及surface 1的conic 皆设为variable，执行optimization（现在有5个variable为active，3个curvatures，1个conic，1个multi-config thickness）。叫出update的OPD plot，你可以在mulit-configuration editor上在”Config 1”或”Config 2”上按两下，则OPD plot会显示其对应的configuration，或者你可用Ctrl-A的hot key，在不同的configuration间作变换，你会发现两者的performance都很好，表示我们所设计的系统在wavelength 1.053或0.6328μ的laser之下皆可以工作。
(回内容纲目) ●习作六：fold mirrors和coordinate breaks
你将学到：了解coordinate breaks, sign conventions在调整倾斜度，或改变系统中心的作用和如何装置fold mirrors等，本习作的大部分技巧在”Add Fold Mirror”工具中可自动执行，然而了解实际的操作内容和细节，才是本习作的目的。
在习作3时或许你已学会如何设计Newtonian望远镜，其中已经有coordinate breaks的操作，以及光在经过mirror反射后thickness虚设定为负值，和coordinate breaks需伴随着一对使用，而把要的fold mirror如三明治般地夹在其中。本习作将教你如何在一个简单的converging beam中manually 加入fold mirrors，而不使用Tools中的”Add Fold Mirror”功能。
叫出LDE，把STO的surface type改为paraxial，thickness定为100，这时对paraxial lens的default focal length值，然后从System, General，中把aperture设为20，即产生一个F/5的lens。完毕后看看3D layout，一个简单的paraxial lens所造成converging beam的光学系统已完成。假设我们要把输出的convergingbeam导向上，怎么作呢？那就是加入一个fold mirror，先假定此fold mirror为45°oriented且具paraxial lens为30mm。总共需要3个镜片。一个为coordinate break把coordinate system转45°，然后一个mirror来反射光线，最后再一个coordinate break把反射后的beam给转45°这是很重要的一点，共要3个surface来装置一个fold mirror。coordinate breaks本身没什么作用，只是把入射光和输出光作同样的倾斜或改变中心坐标的动作而已。在imaging surface前面出入3个lens，把surface 1的thickness 定为30，在surface 3的glass fold mirror尚未titled，所以系统会在paraxial lens的左边40mm处focus。更改surface 2及4的surface type为Coordinate Brek，回到LDE往右一，在surface 4的第3个parameter column中期heading 上头标示为”Title About X”。在此项中按两下，选”Pick Up”，且设定”From Surface”为2，”Scale Factor”为1.0，这代表surface 4的coordinate break 动作会跟surface 2的一样。移由标到surface 2的”title about x”项中，键入45，Update layout你会看到如Figure E6-1的图。注意到coordinate break 的thickness为0，表示mirror和coordinate break surface是重合的。应该注意的是，mirror本身并没有转，转的是入射前合入射后的坐标系统，在反射后除了转45°外，并且移了-70units去focus，所有的tilt或decenter动作总是在光线跑，即thickness之前完成。现在再装第二个fold mirror，同样在imagine surface前面插入3个surface，把surface 4的thickness从-70改为-30，在surface 5的tilt about x项键入-45，目的是在把光的进行方向还原到平行于原始入射方向，而surface 7的tilt about x项一样选择pick up from surface 5且scale factor定为1。
Update 3D layout，则呈现如Figure E6-2的图，如我们期待的，+45和-45互相抵消，输出光平行于入射光，又要改变两组的coordinate breaks的参数，只要改变surface 2及5即可。因为surface 4及7会各别依随他们变动而变动。
(回内容纲目)
●习作七：使用Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces
或许你不会相信，会有”achromatic singlet”这样的东西。当然，mirror 是一个achromatic singlet，姑且不论之，去设计一个矫正到first-order chromatic aberration混合refractive/diffractive成分是可能的。其中的技巧就是使用一个传统refrative singlet，然后将其中的一面蚀刻成一个diffractive surface。此singlet造成很大的focusing power，而the weak diffractive component则提供足够的dispersion来补偿glass的dispersion。让我们来回顾一些概念，一个focal length f的singlet其optical power为
φ＝f-1，在λ
F -λ
C
的波长范围下，power的变异部分可由singlet其glass的
Abbe number V来描述，其中λ
F 及λ
C
为hydrogen的F及C line的wavelength
依序为0.4861μm和0.6563μm。故
Δφ＝φ/V
在大部分的glasses种类中，他们的dispersion都很小，如BK7来说，其V值为64.2。而Δφ大约为整体的2％。
而Diffractive optics则直接使用phase of wavefront操作来增加光数的optical power。对一个具有quadratic phase profile的diffractive surface，其phase为
ψ＝Ar2
A为每平方单位长度的弧度量，而r为radial coordinate。如此的diffrective surface，他的power为
φ＝λA/π
和他所承受的波长呈线性相关。在同样的波长范围下，refractive singlet的power变异为2％，而diffractive optic power则几乎为40％，此外，dispersion 的正负号可由A的正负号来决定。这有什么好处呢？如果我们在refractive部分增加一些positive power，同时可由在diffractive部分增加一些negative power来达到补偿的效果。所增的power量可以从”Standard”改为”Binary 2”。然后在IMA前面加入一个新的surface，即插入surface 2，其thickness设为100。STO的thickness设为10，glass选为BK7，从System， General中Aperture Value定为20。Wavelengths选0.486，0.587及0.656，选0.587定为primary。首先我们看一个convex-plano singlet的performance，把surface 1的radius
设为variable，且从Merit Function Editor的tools中使用Default Merit Function。子行Optimization，叫出OPD plot，你会发现其aberration约为8个waves。除了axial color主宰此设计外，spherical aberrotion和default 也相当可观。
现在改良此设计，从Editors，Extra Data中在”Max Term”项上键入1和”Norm Aper”上键入10，而”Coeff on PΛ2”此项则设为变数。然后执行Optimization，其中有两项变量，分别是surface 1的radius及diffractive power。Update OPD plot则maximum aberration已经降至约一个wave，造成aberration的主要原因只剩下secondary spectrum及spherical aberration。我们利用higher order term的技巧来矫正他，回到Extra Date Editor，把”MaxTerm #”改为2，且社fourth order term项为variable，再次执行optimization。叫出updated后的OPD plot，你会发现wavefront aberration 已大大降至1个wave以下。
zemax手把手教程
ZEMAX手把手教程 课程1：单透镜（a singlet） 你将要学到的：开始ZEMAX，输入波长和镜片数据，生成 光线特性曲线（ray fan），光程差曲线（OPD），和点列图（Spot diagram），确定厚度求解方法和变量，进行简单的优化。 假设你需要设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃，你该怎样开始呢？ 首先，运行ZEMAX。ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）。你可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸，以适合你自己的喜好。LDE由多行和多列组成，类似于电子表格。半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。 L DE中的一小格会以“反白”方式高亮显示，即它会以与其他格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。如果没有一个格子是高亮的，则在任何一格上用鼠标点击，使之高亮。这个反白条在本教程中指的就是光标。你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE，使光标移动到你想要停留的地方，或者你也可以只使用光标键。LDE的操作是简单的，只要稍加练习，你就可以掌握。 开始，我们先为我们的系统输入波长。这不一定要先完成，我们只不过现在选中了这一步。在主屏幕菜单条上，选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。 屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供你选择。用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。现在，在第一个“波长”行中输入486，这是氢（Hydrogen）F谱线的波长，单位为微米。 Z EMAX全部使用微米作为波长的单位。现在，在第二行的波长列中输入587，最后在第三行输入656。这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长，当前为486微米。在主波长指示器的第二行上单击，指示器下移到587的位置。主波长用来计算近轴参数，如焦距，放大率等等。 ZEMAX一般使用微米作为波长的单位 “权重（Weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL 率。现在让所有的权为1.0，单击OK保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。 现在我们需要为镜片定义一个孔径。这可以使ZEMAX在处理其他的事情上，知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个F/4镜头，我们需要一个25mm的孔径（100mm的焦距除F/4）。设置这个孔径值，选择“系统”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aper Value）”一格，输入一个值：25。注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可选择其他类型的孔径设置。除此之外，还要加入一些重要的表面数据。ZEMAX模型光学系统使用一系列的表面，每一个面有一个曲率半径，厚度（到下一个面的轴上距离），和玻璃。一些表面也可有其他的数据，我们以后将会讨论到。注意在LDE中显示的有三个面。物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO表示；还有像平面，以IMA表示。对于我们的单透镜来说，我们共需要四个面：物平面，前镜面（同时也是光阑面），后镜面，和像平面。要插入第四个面，只需移动光标到像平面（最后一个面）的“无穷
ZEMAX优化操作数
ZEMAX优化操作数 ZEMAX Merit Function,是在网上下下来的一个word文档，觉得蛮好的，一般用到的好像就是EFFL。呵呵，这个收集下，以后有用。 一阶光学性能 1. EFFL 透镜单元的有效焦距 2. AXCL 透镜单元的轴向色差 3. LACL 透镜单元的垂轴色差 4. PIMH 规定波长的近轴像高 5. PMAG 近轴放大率 6. AMAG 角放大率 7. ENPP 透镜单元入瞳位置 8. EXPP透镜单元出瞳位置 9. PETZ 透镜单元的PETZVAL半径 10. PETC反向透镜单元的PETZVAL半径 11. LINV 透镜单元的拉格朗日不变量 12. WFNO 像空间F/# 13. POWR 指定表面的权重 14. EPDI 透镜单元的入瞳直径
15. ISFN 像空间F/# (近轴) 16. OBSN 物空间数值孔径 17. EFLX “X”向有效焦距 18. EFLY “Y”向有效焦距 19. SFNO 弧矢有效F/# 像差 1. SPHA 在规定面出的波球差分布（0则计算全局） 2. COMA 透过面慧差（3阶近轴） 3. ASTI 透过面像散（3阶近轴） 4. FCUR透过面场曲（3阶近轴） 5. DIST透过面波畸变（3阶近轴） 6. DIMX 畸变最大值 7. AXCL 轴像色差(近轴) 8. LACL 垂轴色差 9. TRAR 径像像对于主光线的横向像差 10. TRAX “X”向横向色差 11. TRAY “Y”向横向色差
12. TRAI 规定面上的径像横向像差 13. TRAC径像像对于质心的横向像差 14. OPDC 主光线光程差 15. OPDX 衍射面心光程差 16. PETZ 透镜单元的PETZVAL半径 17. PETC反向透镜单元的PETZVAL半径 18. RSCH 主光线的RMS光斑尺寸 19. RSCE 类RSCH 20. RWCH主光线的RMS波前偏差 21. RWCE衍射面心的RMS波前偏差 22. ANAR像差测试 23. ZERN Zernike系数 24. RSRE 几何像点的RMS点尺寸（质心参考） 25. RSRH 类同RSRE（主光线参考） 26. RWRE类同RSRE（波前偏差） 27. TRAD “X”像TRAR比较 28. TRAE “Y”像TRAR比较 29. TRCX 像面子午像差”X”向（质心基准）
zemax常用评价函数操作数
Operand Definitions ZEMAX supports optimization operands which are used to define the merit function. Each operand may be assigned a weight which indicates the relative importance of that operand, as well as a target, which is the desired value for that operand. The operands are listed below. ABSO: Absolute value ACOS: Arccosine AMAG: Angular magnification ANAR: Angular aberration ASIN: Arcsine ASTI: Astigmatism ATAN: Arctangent AXCL: Axial color BLNK: Blank BSER: Boresight Error COGT: Conic greater than COLT: Conic less than COMA: Coma CONF: Configuration # CONS: Constant COSI: Cosine COV A: Conic value CTGT: Center thickness greater than 中心厚度(间隔)大于 CTLT: Center thickness less than 中心厚度(间隔)小于
(完整word版)基于ZEMAX的激光扩束镜的优化设计
光学软件设计 实验报告： 基于ZEMAX的激光扩束镜的优化设计 姓名： 学号：2011146211
一、实验目的 学会使用ZEMAX软件对多重结构配置的激光束扩大器进行优化设计。 二、实验要求 1、掌握使用多重结构配置。 2、进一步学习构建优化函数。 三、实验内容 设计一个激光扩束器，使用的波长为1.053um，输入光束直径为100mm，输出光束的直径为20mm，且输入光束和输出光束平行。要求只使用两片镜片，设计必须是伽利略式的（没有内部焦点），在镜片之间的间隔必须不超过250mm，只许使用1片非球面，系统必须在波长为0.6328um时测试。 1、打开ZEMAX软件，关闭默认的上一个设计结果，然后新建一个空白透镜。 2、在IMA面（像平面）前使用insert插入4个面，输入相关各面的厚度、曲率半径和玻璃类型值。 3、点击Gen设置入瞳直径为100，点击Wav设置波长为 1.053微米。
4、在主菜单Editors里构建一个优化函数，将第一行操作数类型改为REAY，surf输入5，Py输入1，taiget输入10，weight输入1。 5、在评价函数编辑窗中选工具—默认优化函数。选reset，将“开始在”的值设置为2，
确定。 6、点击Opt进行优化，优化后生产OPD图。
7、将第一面的conic设置为变量（control+z）。再次进行优化，重新生产OPD图并观察。 8、将三个曲率和圆锥西数的变量状态去掉。 9、点击Wav重新配置光波长，将之前的1.053改为0.6328，确定后再次更新OPD图并分析。
10、将第二面的厚度250mm设为可变，然后再次点击Opt优化，重新生成OPD图。此时去掉第二面的可变状态。 11、从主菜单—编辑中调出多重结构编辑窗，在这个窗口的编辑菜单中选“插入结构”来插入一个新的结构配置，双击第一行第一列，从下拉框中选wave，在同样的对话框里为wavelength选择1，确定。在config1下输入 1.053，在config2下输入0.6328。
zemax优化操作函数汇总
优化函数 1、像差 SPHA(球差)：surf表面编号/wave波长/target设定目标值/weight权重 指定表面产生的球差贡献值，以波长表示。如果表面编号值为零，则为整个系统的总和 COMA(彗差) ：surf表面编号/wave波长/target设定目标值/weight权重 指定表面产生的贡献值，以波长表示。如果表面编号值为0，则是针对整个系统。这是 由塞得和数计算得到的第三级彗差，对非近轴系统无效. ASTI(像散)：指定表面产生像散的贡献值，以波长表示。如果表面编号值为0，则是针对整个系统。这是由塞得和数计算得到的第三级色散，对非近轴系统无效 FCUR(场曲)：指定表面产生的场曲贡献值，以波长表示。如果表面编号值为0，则是计算整个系统的场曲。这是由塞得系数计算出的第三级场曲，对非近轴系统无效. DIST(畸变)：指定表面产生的畸变贡献值，以波长表示。如果表面编号值为0，则使用整个系统。同样，如果表面编号值为0，则畸变以百分数形式给出。这是由塞得系数计算出的第三级畸变，对与非近轴系统无效. DIMX(最大畸变值)：它与DIST 相似，只不过它仅规定了畸变的绝对值的上限。视场的整数编号可以是0，这说明使用最大的视场坐标，也可以是任何有效的视场编号。注意，最大的畸变不一定总是在最大视场处产生。得到的值总是以百分数为单位，以系统作为一个整体。这个操作数对于非旋转对称系统可能无效。 AXCL(轴向色差)：以镜头长度单位为单位的轴向色差。这是两种定义的最边缘的波长的理想焦面的间隔。这个距离是沿着Z 轴测量的。对非近轴系统无效. LACL(垂轴色差)：这是定义的两种极端波长的主光线截点的y方向的距离。对于非近轴系统无效TRAR(垂轴像差)：在像面半径方向测定的相对于主光线的垂轴像差. TRAX(x方向垂轴像差)：在像面x方向测定的相对于主光线的垂轴像差 TRAY(Y方向垂轴像差)：在像面Y方向测定的相对于主光线的垂轴像差 TRAI(垂轴像差)：在指定表面半口径方向测定的相对于主光线的垂轴像差.类似于TRAR，只不过是针对一个表面，而不是指定的像面. OPDC(光程差)：指定波长的主光线的光程差. PETZ(匹兹伐曲率半径)：以镜头长度单位表示,对非近轴系统无效 PETC(匹兹伐曲率)：以镜头长度单位的倒数表示,对非近轴系统无效 RSCH：相对于主光线的RMS 斑点尺寸（光线像差）。 RSCE：环带波长Hx，Hy，以镜头长度单位测量的，相对于几何像质心的RMS 斑点尺寸（光线像差）。这个操作数类似于RSCH，只不过参考点是像质心，而不是主光线。详细内容可参见RSCH。!R0Y}N ~Q
Zemax操作
首先在运行系统中开启ZEMAX，默认的编辑视窗为透镜资料编辑器(Lens Data Editor, LDE)，在LDE可键入大多数的透镜参数，这些设罝的参数包括： 表面类型(Surf：Type)如标准球面、非球面、衍射光栅…等 曲率半径(Radius of Curvature) 表面厚度(Thickness)：与下一个表面之间的距离 材料类型(Glass)如玻璃、空气、塑胶…等：与下一个表面之间的材料 表面半高(Semi-Diameter)：决定透镜表面的尺寸大小 以单透镜为例： 1、设置系统孔径（System->General） 注：F/#指的是光由无限远入射所形成的有效焦距F与近轴光线所对应的入瞳直径#的比值。在说明问题前，首先要了解一些光学术语：A=D/f’，A表示物镜的相对孔径，D表示入瞳直径一般就是指物镜直径，f’表示物镜焦距，另外在照相机里面为了方便常常将A的倒数即f’/D作为相机上的标示值，称为光圈F（注意此处F为光圈数，区别上面所说的有效焦距F）。现在来说明F/4的意思，即我们知道有效焦距为F，入瞳为4mm（光学里面一般以毫米为单位），假如设计时给出焦距为100mm，那么我们立即可以得到光圈数为100/4=25mm。 包括输入入瞳，选择好透镜单位等 2、设置视场角（System->Filed） ZEMAX默认的视场角是即为近轴视场角，其中「Weight」这个选项可以用来设罝各视场角之权值，并可运用于优化。 3、设置波长（Wav） 4、键入透镜资料 建立单透镜这个例子需要建立4个表面。 The object surface（OBJ）：设罝光线的起始点 The front surface of the lens(STO)：光线进入Lens 的位置。在这例子里，这表面的位置也决定了光阑(Stop)的位置 The back surface of the lens(2)：光线从Lens 出来并进入空气中的位置。 The image surface(IMA)：光线追迹最后停止的位置，不可以在IMA这个之后设罝任何的表面。这个位置上并非存真实的表面，而是一个哑的表面。 （注：游标移到「IMA」并按下按键盘上的Insert 键，即可产生「2」这个面）
ZEMAX的基础学习
zemax的基础学习 MTF一般都是大于0的，所以MTF曲线坐标都是第一期限。但有时候也会出现负值，这种情况表示像的亮度起伏与原物体相反，发生对比反转，也就是相位错动了半个周期，黑的变白，白的变黑。 如何查看高斯光束的光斑大小及能量分布在physical analysis>>pop setting>>display中可以看 中文的翻译是：image space f# 表示的是有效焦距和有效孔径的比paraxial working f# 表示的是2tanU的倒数，其实只有在物距在无限远的时候才和前边的一样working f# 表示的是2SinU的倒数。 主光线是在stop光阑中心点的斜线角度。物上视场点－入瞳中心－像面的光线，如果没有渐晕，它也会通过光栏的中心， 放大镜只能放大线性的东西”这种结论。 我今天突然在ZEMAX中发现我如果做短焦的时候，比如f=2.8，看到lens data editor中相面的尺寸小于在Report/prrscription data/paraxial Image Heigh 中的象高？？请问有谁知道这个是如何产生的，为什么有这种现象☆这有什么奇怪的，难道你的系统没有畸变吗是啊，好象一个是像面上的实际像高，一个是近轴（理想）像高畸变是有正负的呀我知道了，那lens data editor中相面的尺寸是实际通光孔径，而Report/prrscription data/paraxial Image Heigh 只是理想象高，所以我觉得设计时应该以lens data editor中相面的尺寸为准，大家说对吗？错，一个点通过系统之后不可能还是一个点，是一个有大小的斑，从lens data editor中看到的数据只是最大像高的数值，不能代表实际成像的大小。在设计的时候多考虑，软件是工具而已。那斑竹说实际的相面尺寸应该看哪里啊，看你成像点的扩散程度由于像差的原因，实际最佳像面上每一像点（斑）大小都不一致，由于轴外（垂轴）像差的关系lens data editor中的尺寸一般系统应该够了。 傅立叶变换透镜的4F系统的两个镜头的像质应该如何评价？是以单独的镜头为准还是合成的串联系统呢？☆可以以单独的镜头分析，两个的分析分别要在频域和时域进行但是最总的系统是否符合你的要求就一定要以整个系统为分析的对象了。 zemax中的ray fan和spot diagram的含义【标题】 zemax中的ray fan和spot diagram的含义 【版权声明】 欢迎相互传阅和交流！请将此文用于非盈利的技术交流；不可显性或隐形用于商业目的。欢迎对文中内容进行批评指正和修改。但修改后内容仍需保留版权声明部分并能免费用于技术交流。zhangxi@https://www.sodocs.net/doc/7712387466.html, 【正文】 ray fan 在zemax中有一个重要的分析手段，就是显示ray fan图。显示ray fan可以通过多种方式，比如菜单analysis－fans－ray aberration显示；也可以通过直接点击在菜单栏目上的Ray按钮。 ray fan表示是光学系统的综合误差。 它的横坐标是光学系统的入瞳标量，因此总是从－1到＋1之间。显然0的位置对应就是光轴在入瞳中心的焦点。纵坐标则是针对主光线（发光点直穿光阑中心点的那条光线）在像面上的位置的相对数值。 由于我们在计算光路的时候，通常仅仅考虑两类光线，子午面和弧矢面。这样对于不同的面，就有两种不同rayfan显示。
zemax操作数手册
ZEMAX优化操作数 一阶光学性能 1.EFFL 透镜单元的有效焦距 2.AXCL透镜单元的轴向色差 https://www.sodocs.net/doc/7712387466.html,CL透镜单元的垂轴色差 4.PIMH规定波长的近轴像高 5.PMAG近轴放大率 6.AMAG角放大率 7.~ 8.ENPP透镜单元入瞳位置 9.EXPP透镜单元出瞳位置 10.P ETZ透镜单元的PETZVAL半径 11.P ETC反向透镜单元的PETZVAL半径 12.L INV透镜单元的拉格朗日不变量 13.W FNO像空间F/# 14.P OWR指定表面的权重 15.E PDI 透镜单元的入瞳直径 16.】 17.ISFN像空间F/# (近轴) 18.O BSN物空间数值孔径 19.E FLX“X”向有效焦距 20.E FLY “Y”向有效焦距 21.S FNO弧矢有效F/# 像差 1.SPHA在规定面出的波球差分布（0则计算全 局） 2." https://www.sodocs.net/doc/7712387466.html,A透过面慧差（3阶近轴） 4.ASTI透过面像散（3阶近轴） 5.FCUR透过面场曲（3阶近轴） 6.DIST透过面波畸变（3阶近轴） 7.DIMX畸变最大值 8.AXCL 轴像色差(近轴) https://www.sodocs.net/doc/7712387466.html,CL垂轴色差 10.TRAR径像像对于主光线的横向像差 11.{ 12.TRAX “X”向横向色差 13.TRAY “Y”向横向色差 14.TRAI规定面上的径像横向像差 15.TRAC径像像对于质心的横向像差 16.OPDC主光线光程差 17.OPDX衍射面心光程差 18.PETZ 透镜单元的PETZVAL半径 19.PETC反向透镜单元的PETZVAL半径 20.? 21.RSCH 主光线的RMS光斑尺寸 22.RSCE类RSCH 23.RWCH主光线的RMS波前偏差 24.RWCE衍射面心的RMS波前偏差 25.ANAR像差测试 26.ZERN Zernike系数 27.RSRE几何像点的RMS点尺寸（质心参考） 28.RSRH类同RSRE（主光线参考） 29.… 30.RWRE类同RSRE（波前偏差） 31.TRAD “X”像TRAR比较 32.TRAE “Y”像TRAR比较
照相物镜基于ZEMAX课程分析方案实例
应用光学课程设计 课题名称：照相物镜镜头设计与像差分析 专业班级：2009级光通信技术 学生学号： 学生姓名： 学生成绩： 指导教师： 课题工作时间：2018.6.20至2018.7.1
武汉工程大学教务处
课程设计摘要<中文） 在光学工程软件ZEMAX 的辅助下, 配套采用大小为1/2.5 英寸的CCD 图像传感器,设计了一组焦距f '= 12mm的照相物镜, 镜头视场角 33.32°, 相对孔径D/f’=2. 8, 半像高3.6 mm ,后工作距 9.880mm，镜头总长为14.360mm。使用后置光阑三片物镜结构，其中第六面采用非球面塑料，其余面采用标准球面玻璃。 该组透镜在可见光波段设计，在Y-field上的真值高度选取0、1.08、1.8、2.5452，总畸变不超过0.46%，在所选视场内MTF轴上超过60%@100lp/mm,轴外超过48%@100lp/mm，整个系统球差-0.000226，慧差-0.003843，像散0.000332。完全满足 设计要求。 关键词：ZEMAX；物镜；调制传递函数 ABSTRACT By the aid of optical engineering software ZEMAX，A focal length f '= 12mm camera lens matched with one CCD of 1/2.5 inch was designed。Whose FOV is 33.32°, Aperture is 2. 8，half image height is 3.6 mm，back working distance is9.880mm and total length is 14.360 mm. Using the rear aperture three-lens structure，a aspherical plastic was used for the sixth lens while standard Sphere glasses were used for the rest lenses。The group Objective lenses Designed for the visible light，Heights in the true value as Y-field Defined as 0、1.08、1.8、2.5452，total distortion is less than 0.41%，Modulation transfer function of shade in the selected field of view to meet the axis is greater than 60% @ 100 lp / mm, outer axis than 48% @ 100 lp / mm，The sum of the whole system spherical aberration -0.000226，Coma is -0.003843，Astigmatism is 0.000332。Fully meet the design requirements. Keyword：ZEMAX；Camera lens；Modulation transfer function 引言----
ZEMAX入门教学
课程设计安排 本课程设计着眼于应用光学的基本理论知识、光学设计基本理论和方法，侧重于典型系统具体设计的思路和过程，加强学生对光学设计的切身领会和理解，将理论与实际融合、统一，以提高学生综合分析及解决问题能力的培养。 结合<
ZEMAX入门教学 例子 1 单透镜(Singlet) (3) 例子 2 座标变换(Coordinate Breaks)................................18例子 3 牛顿式望远镜(Newtonian Telescope). (26) 例子4消色差单透镜(Achromatic Singlet) (40) 例子5变焦透镜(Zoom Lens) (47)
1-1单透镜 这个例子是学习如何在ZEMAX里键入资料，包括设罝系统孔径(System Aperture)、透镜单位(Lens Units)、以及波长范围(Wavelength Range)，并且进行优化。你也将使用到光线扇形图(Ray Fan Plots)、弥散斑(Spot Diagrams)以及其它的分析工具来评估系统性能。 这例子是一个焦距100 mm、F/4的单透镜镜头，材料为BK7，并且使用轴上(On-Axis)的可见光进行分析。首先在运行系统中开启ZEMAX，默认的编辑视窗为透镜资料编辑器(Lens Data Editor, LDE)，在LDE可键入大多数的透镜参数，这些设罝的参数包括：表面类型(Surf：Type)如标准球面、非球面、衍射光栅…等 曲率半径(Radius of Curvature) 表面厚度(Thickness)：与下一个表面之间的距离 材料类型(Glass)如玻璃、空气、塑胶…等：与下一个表面之间的材料 表面半高(Semi-Diameter)：决定透镜表面的尺寸大小 上面几项是较常使用的参数，而在LDE后面的参数将搭配特殊的表面类型有不同的参数涵义。 1-2设罝系统孔径 首先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的「GEN」按钮里（System->General）。点击「GEN」或透过菜单的System->General来开启General的对话框。S 点击孔径标签(Aperture Tab)（默认即为孔径页）。因为我们要建立一个焦距100 mm、
ZEMAX优化操作数汇总情况(全)
ZE M A X优化操作数 ZEMAX Merit Function,是在网上下下来的一个word文档，觉得蛮好的，一般用到的好像就是EFFL。呵呵，这个收集下，以后有用。一阶光学性能 1. EFFL 透镜单元的有效焦距 2. AXCL 透镜单元的轴向色差 3. LACL 透镜单元的垂轴色差 4. PIMH 规定波长的近轴像高 5. PMAG 近轴放大率 6. AMAG 角放大率 7. ENPP 透镜单元入瞳位置 8. EXPP透镜单元出瞳位置 9. PETZ 透镜单元的PETZVAL半径 10. PETC反向透镜单元的PETZVAL半径 11. LINV 透镜单元的拉格朗日不变量 12. WFNO 像空间F/# 13. POWR 指定表面的权重 14. EPDI 透镜单元的入瞳直径
15. ISFN 像空间F/# (近轴) 16. OBSN 物空间数值孔径 17. EFLX “X”向有效焦距 18. EFLY “Y”向有效焦距 19. SFNO 弧矢有效F/# MTF数据 1. MTFT 切向调制函数 2. MTFS 径向调制函数 3. MTFA 平均调制函数 4. MSWT 切向方波调制函数 5. MSWS 径向方波调制函数 6. MSWA 平均方波调制函数 7. GMTA 几何MTF切向径向响应 8. GMTS几何MTF径向响应 9. GMTT几何MTF切向响应 衍射能级 1．DENC 衍射包围圆能量2．DENF 衍射能量
3．GENC 几何包围圆能量 4．XENC 像差 1. SPHA 在规定面出的波球差分布（0则计算全局） 2. COMA 透过面慧差（3阶近轴） 3. ASTI 透过面像散（3阶近轴） 4. FCUR透过面场曲（3阶近轴） 5. DIST透过面波畸变（3阶近轴） 6. DIMX 畸变最大值 7. AXCL 轴像色差(近轴) 8. LACL 垂轴色差 9. TRAR 径像像对于主光线的横向像差 10. TRAX “X”向横向色差 11. TRAY “Y”向横向色差 12. TRAI 规定面上的径像横向像差 13. TRAC径像像对于质心的横向像差
ZEMAX优化操作数的中文含义
ZEMAX 优化操作数的中文含义 在很多次的成像及激光系统培训中，都有学员非常希望能够有一份ZEMAX中文的优化操作数说明。这样的确会对学习ZEMAX软件及控制光学系统有很好的帮助。 例如我们常用的EFFL控制焦距，PMAG控制近轴放大率，SPHA控制初级球差等。 尽管随着软件的不断升级，会有不断新增的操作数，但是下面的内容为您提供了一份比较全面的参考资料。 这里有比较完整的操作数ZEMAX优化操作数 一阶光学性能 1. EFFL 透镜单元的有效焦距 2. AXCL 透镜单元的轴向色差 3. LACL 透镜单元的垂轴色差 4. PIMH 规定波长的近轴像高 5. PMAG 近轴放大率 6. AMAG 角放大率 7. ENPP 透镜单元入瞳位置 8. EXPP透镜单元出瞳位置 9. PETZ 透镜单元的PETZV AL半径 10. PETC反向透镜单元的PETZV AL半径 11. LINV 透镜单元的拉格朗日不变量 12. WFNO 像空间F/# 13. POWR 指定表面的权重 14. EPDI 透镜单元的入瞳直径 15. ISFN 像空间F/# (近轴) 16. OBSN 物空间数值孔径 17. EFLX “X”向有效焦距 18. EFL Y “Y”向有效焦距 19. SFNO 弧矢有效F/# 像差 1. SPHA 在规定面出的波球差分布（0则计算全局） 2. COMA 透过面慧差（3阶近轴） 3. ASTI 透过面像散（3阶近轴） 4. FCUR透过面场曲（3阶近轴） 5. DIST透过面波畸变（3阶近轴） 6. DIMX 畸变最大值 7. AXCL 轴像色差(近轴) 8. LACL 垂轴色差 9. TRAR 径像像对于主光线的横向像差 10. TRAX “X”向横向色差
ZEMAX实验指导书(初学的练习教程)
实验一光学设计软件ZEMAX的安装和基本操作 一、实验目的 学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。 二、实验要求 1、掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。 2、掌握ZEMAX软件的用户界面。 3、掌握ZEMAX软件的基本使用方法。 4、学会使用ZEMAX的帮助系统。 三、实验内容 1．通过桌面快捷图标或“开始—程序”菜单运行ZEMAX，熟悉ZEMAX的初始用户界面，如下图所示： 图：ZEMAX用户界面 2．浏览各个菜单项的内容，熟悉各常用功能、操作所在菜单，了解各常用菜单的作用。 3．学会从主菜单的编辑菜单下调出各种常见编辑窗口。 4．调用ZEMAX自带的例子（根目录下Samples文件夹），学会打开常用的分析功能项：草图（2D草图、3D草图、实体模型、渲染模型等）、特性曲线（像差曲线、光程差曲线）、
点列图、调制传递函数等，学会由这些图进行简单的成像质量分析。 5．从主菜单中调用优化工具，简单掌握优化工具界面中的参量。 6．掌握镜头数据编辑窗口的作用以及窗口中各个行列代表的意思。 7．从主菜单-报告下形成各种形式的报告。 8．通过主菜单-帮助下的操作手册调用帮助文件，学会查找相关帮助信息。 四、实验仪器 PC机
实验二基于ZEMAX的简单透镜的优化设计 一．实验目的 学会用ZEMAX对简单单透镜和双透镜进行设计优化。 二．实验要求 1.掌握新建透镜、插入新透镜的方法； 2.学会输入波长和镜片数据； 3.学会生成光线像差（ray aberration）特性曲线、光程差（OPD）曲线和点列图（Spot diagram）、产生图层和视场曲率图； 4.学会确定镜片厚度求解方法和变量，学会定义边缘厚度解和视场角，进行简单的优 化。 三．实验内容 （一）. 用BK7玻璃设计一个焦距为100mm的F/4单透镜，要求在轴上可见光范围内。 1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新建一个新的空白透镜。 2. 在主菜单-系统-光波长弹出的对话框中输入3个覆盖可见光波段的波长，设定主波长。同样在系统-通用配置里设置入瞳直径值。 3. 在光阑面的Glass列里输入BK7作为指定单透镜的材料，并在像平面前插入一个新的面作为单透镜的出射面。 4. 输入相关各镜面的厚度和曲率半径。 5. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。 6. 利用Solve功能来求解镜片厚度，更新后观察各分析图的相应变化。 7. 利用主菜单-工具-优化-优化来对设计进行优化，更新后观察各分析图的相应变化。 8. 调用并建构优化函数（Merit Function），在优化后更新全部内容，然后观察各分析图的相应变化。 9. 分别调用点列图、OPD图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）来观察最优化后的成像质量。 10. 将此设计起名保存，生成报告。 （二）. 以前一个实验内容设计优化后的单透镜为基础，添加一块材料为SF1玻璃的透镜来构建双透镜系统，进一步优化成像质量。 1. 插入新的平面作为第二块透镜的出射面，输入相关镜面的厚度、曲率半径以及玻璃类型值（BK7、SF1）。 2. 生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。 3. 沿用前例的优化函数，在优化更新后观察各分析图的相应变化，并分别对比单透镜时的点列图、OPD图以及焦点色位移图（主菜单-分析-杂项）的相应变化，观察双透镜此时的成像质量。 4. 利用利用Solve功能来求解镜片边缘厚度，更新后更新后观察各分析图的相应变化。
1807中文说明书简易操作手册
1807中文说明书简易操作手册 1：在主机安装完毕后，按住（PWR）键三秒开机，完成后，在显示VFO（430.000）的情况下可以进行你需要的任何一项操作。 2：设置手动自动下差：在显示VFO的模式下按住（MHZ SET）键三秒进入主菜单，旋动（DIAL）旋纽到第四项菜单（ARS），轻按（MHZ SET）键进入第四项主菜单选择开关手动自动下差（ON/OFF），设置完毕后轻按（MHZ SET）键退出菜单。 3：设置差频：在显示VFO模式下按住（MHZ SET）键三秒进入主菜单，旋动（DIAL）旋纽到第43项（RPT）菜单，轻按（MHZ SET）键进入此项菜单设置上下差频（-RPT，+RPT，OFF） 4：设置差频数值：在显示VFO模式下按住（MHZ SET）键三秒进入主菜单，旋动（DIAL）旋纽到第46项（SHIFL）菜单，轻按（MHZ SET）键进入此项菜单后（7.6MHZ）设置差频值，机器默认数值为7.6MHZ，旋动（DIAL）旋纽设置你需要的差频值，设置完毕后轻按（MHZ SET）键推出主菜单。 5：设置亚音编码：在显示VFO模式下按住（MHZ SET）键三秒进入主菜单，旋动（DIAL）旋纽到第49项（SQLTYP）菜单，轻按（MHZ SET）键进入此项菜单设置你需要的编码，一般选择（TONE）编码（TONE/TSQL/DCS/RVTN/OFF） 6：设置亚音数值：在显示VFO模式下按住（MHZ SET）键三秒进入主菜单，旋动（DIAL）旋纽到第52项（）菜单，轻按（MHZ SET）键进入此项菜单后（100MHZ）设置亚音，旋动（DIAL）旋纽进行设置你需要的亚音值。 7：储存频道：在显示VFO的模式下，用手咪输入你想要的频点，然后按住（MW D/MR）键，直至屏幕右下角出现数字（0），如果此数字一直在闪烁，表示此频道为空，然后旋动（DIAL）纽选择频道号码，选定后轻按（MW D/RW）键，完成频道存储。 8：频道模式与频率模式的转换：按（MW D/MR）可以进行转换。 9：发射功率调节：轻按（A/N LOW）键，发射功率分别是LOW1（5W），LOW2（10W），LOW3（25W），LOW4（50W）之间顺序转换。 10：机器复位操作：同时按住（REW）（LOW）（D/MR）键，开机，然后按（D/RW）键，机器将恢复到出厂的设置。 11：自动关机设置：在显示VFO的模式下按住（MHZ SET）键三秒进入主菜单，旋动（DIAL）旋纽到第1项（APO）菜单，轻按（MHZ SET）键进入第一项主菜单选择（30MIN，1H，3H，5H，8H）关机时间。 2：屏幕亮度调节：在显示VFO的模式下按住（MHZ SET）键三秒进入主菜单，旋动（DIAL）旋纽到第16项（DIMMER）菜单，轻按（MHZ SET）键进入主菜单选择（OFF，1-10）屏幕亮度。然后轻按（MHZ SET）退出菜单。 13：键盘锁定：在显示VFO的模式下按住（MHZ SET）键三秒进入主菜单，旋动（DIAL）旋
比较完整的操作数ZEMAX优化操作数
比较完整的操作数ZEMAX优化操作数 一阶光学性能 1. EFFL透镜单元的有效焦距 2. AXCL透镜单元的轴向色差 3. LACL透镜单元的垂轴色差 4. PIMH规定波长的近轴像高 5. PMAG近轴放大率 6. AMAG角放大率 7. ENPP透镜单元入瞳位置 8. EXPP透镜单元出瞳位置 9. PETZ透镜单元的PETZVAL半径 10. PETC反向透镜单元的PETZVAL半径 11. LINV透镜单元的拉格朗日不变量 12. WFNO 像空间F/# 13. POWR指定表面的权重 14. EPDI透镜单元的入瞳直径 15. ISFN像空间F/#（近轴） 16. OBSN物空间数值孔径 17. EFLX “ X”向有效焦距 18. EFLY “ Y”向有效焦距 19. SFNO弧矢有效F/# 像差 1. SPHA在规定面出的波球差分布（0则计算全局） 2. COMA透过面慧差（3阶近轴） 3. ASTI透过面像散（3阶近轴） 4. FCUR透过面场曲（3阶近轴） 5. DIST透过面波畸变（3阶近轴） 6. DIMX畸变最大值 7. AXCL轴像色差（近轴） 8. LACL垂轴色差 9. TRAR径像像对于主光线的横向像差 10. TRAX “ X”向横向色差 11. TRAY “ Y”向横向色差 12. TRAI规定面上的径像横向像差 13. TRAC径像像对于质心的横向像差 14. OPDC主光线光程差 15. OPDX衍射面心光程差 16. PETZ透镜单元的PETZVAL半径 17. PETC反向透镜单元的PETZVAL半径 18. RSCH主光线的RMS光斑尺寸 19. RSCE 类RSCH 20. RWCH主光线的RMS波前偏差
用 MATLAB 连结 Zemax OpticStudio 之一：连线与基本操作
摘要：此系列文章共有三篇。 第一篇中，我們會示範如何利用MATLAB連結ZOS-API，並說明相關操作重點。 第二篇中，我們會重點提示撰寫時，幾個常見語法問題。 第三篇中，我們提供幾個有用的範例檔，說明幾個常見應用如何撰寫。 作者：Michael Cheng 發布時間：March 13, 2017 簡介 關於ZOS-API本身，請參考知識庫內另一篇「https://www.sodocs.net/doc/7712387466.html,簡介」。 MATLAB在透過ZOS-API連結OpticStudio時，主要有兩種模式：Standalone (獨立運作) 以及Interactive Extension (互動擴展)。 使用Standalone模式運作時，MATLAB會以背景模式連結到OpticStudio，然後所有動作都在Windows背後進行，過程中不會看到OpticStudio主視窗開啟。 反之，使用Interactive Extension模式運作時，必須先開啟OpticStudio，然後使用者需要先在OpticStudio開放連結，讓MATLAB能夠順利接入並控制，控制過程中OpticStudio不能手動操作，直到使用者手動在OpticStudio取消互動模式，取回控制權。 以下將分別說明如何用兩種不同模式連線。 使用Standalone模式連線 首先是到OpticStudio中點選Programming > MATLAB > Standalone Application，以產生樣板程式碼。 Click To Enlarge 點擊後，可以看到系統會自動建立一個範例的.m檔，並且打開存放的資料夾，如果電腦中有安裝MATLAB，則會自動被開啟，並顯示範例的.m檔。
新版Zemax全教程
Brightview扩散膜在Zemax中的仿真应用 第一步：新建文件 打开Zemax，点击左上角File按钮，再点击New新建文件
第二步：添加Bright View系列材料 点击上方Libraries选项卡，选择IS Scatter Catalog 在Manufacturer中选择Bright View Technologies，并在File中选取所需的Bright View系列材料（如选取CHE15系列）
点击Download Scatter File下载所需扩散膜材料数据，下载完成后点击Close 关闭该对话框 第三步：光学仿真设计 建立光源（如选择Source Ray【线光源】），并设置参数Layout Rays【显示光线】、Analysis Rays【分析光线】及相应Power【功率】
在序号处单击鼠标右键选择Insert Object After，插入两个物体栏 将这两个物体类型分别选为Rectangle【矩形面】和Detector Rectangle【矩形探测器】，参数设置如下图所示
点击Setup选项卡中NSC3D Layout及NSC Shaded Model可查看此时仿真设计的平面图及三维立体图 点击NSC Shaded Model窗口左上角下拉箭头，将Detector选择为Color pixels by last analysis并在下方四个选项上打钩，点击OK确认后可查看最终仿真设计模型
第四步：将Bright View扩散膜应用于仿真模型 选择Rectangle，点击对话框左上方下拉箭头，在Coat/Scatter选项卡右侧Scatter Model中选择IS Scatter Catalog，在弹出对话框中选取所需Bright View系列材料并设置相关参数，点击OK确认 根据需要调节Number Of Rays【光线数量】，并收起该下拉菜单