zemax操作详解
ZEMAX光学设计软件操作说明详解
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【ZEMAX光学设计软件操作说明详解】
介绍
这一章对本手册的习惯用法和术语进行说明。ZEMAX使用的大部分习惯用法和术语与光学行业都是一致的，但是还是有一些重要的不同点。
活动结构
活动结构是指当前在镜头数据编辑器中显示的结构。详见“多重结构”这一章。角放大率像空间近轴主光线与物空间近轴主光线角度之比，角度的测量是以近轴入瞳和出瞳的位置为基准。
切迹切迹指系统入瞳处照明的均匀性。默认情况下，入瞳处是照明均匀的。然而，有时入瞳需要不均匀的照明。为此，ZEMAX支持入瞳切迹，也就是入瞳振幅的变化。
有三种类型的切迹：均匀分布，高斯型分布和切线分布。对每一种分布（均匀分布除外），切迹因素取决于入瞳处的振幅变化率。在“系统菜单”这一章中有关于切迹类型和因子的讨论。
ZEMAX也支持用户定义切迹类型。这可以用于任意表面。表面的切迹不同于入瞳切迹，因为表面不需要放置在入瞳处。对于表面切迹的更多信息，请参看“表面类型”这一章的“用户定义表面”这节。
后焦距
ZEMAX对后焦距的定义是沿着Z 轴的方向从最后一个玻璃面计算到与无限远物体共轭的近轴像面的距离。如果没有玻璃面，后焦距就是从第一面到无限远物体共轭的近轴像面的距离。
基面
基面（又称叫基点）指一些特殊的共轭位置，这些位置对应的物像平面具有特定的放大率。基面包括主面，对应的物像面垂轴放大率为＋1；负主面，垂轴放大率为－1；节平面，对应于角放大率为+1；负节平面，角放大率为－1；焦平面，象空间焦平面放大率为0，物空间焦平面放大率为无穷大。
除焦平面外，所有的基面都对应一对共轭面。比如，像空间主面与物空间主面相共轭，等等。如果透镜系统物空间和像空间介质的折射率相同，那么节面与主面重合。ZEMAX列出了从象平面到不同象方位置的距离，同时也列出了从第一面到不同物方平面的距离。
主光线
如果没有渐晕，也没有像差，主光线指以一定视场角入射的一束光线中，通过入瞳中央射到象平面的那一条。注意，没有渐晕和像差时，任何穿过入瞳中央的光线也一定会通过光阑和出瞳的中心。
如果使用了渐晕系数，主光线被认为是通过有渐晕入瞳中心的光线，这意味着主光线不一定穿过光阑的中央。
如果有瞳面像差（这是客观存在的），主光线可能会通过近轴入瞳中心（如果没有使用光线瞄准）或光阑中央（如果使用光线瞄准），但一般说来，不会同时通过二者中心。
如果渐晕系数使入瞳减小，主光线会通过渐晕入瞳中心（如果不使用光线瞄准）或者渐晕光阑中心（如果使用光线瞄准）。
常用的是主光线通过渐晕入瞳的中心，基本光线通过无渐晕的光阑中心。ZEMAX 不使用基本光线。大部分计算都是以主光线或者中心光线作为参考。优先使用中心光线，因为它是基于所有照射到象面的光线聚合效应，而不是基于选择某一条特殊光线。
坐标轴（系）
光轴为Z 轴，正方向为光线由物方开始传播的方向。反射镜可以使传播方向反转。坐标系采用右手坐标。在标准系统图中，弧矢面内的X 轴指向显示器以里。子午面内的Y 轴垂直向上。
通常传播方向沿着Z 轴正方向从左至右。当有奇数个反射镜时，光束的物理传播沿－Z 方向。因此，经过奇数反射镜之后，所有的厚度是负值。
衍射极限
衍射极限指光学系统产生象差的原因不是设计和制造缺陷，而是由于衍射物理效应。要判断系统是否是衍射极限，可以计算或者测量光程（OPD）。如果OPD 的峰—谷差值小于波长的四分之一，那么就说系统处于衍射极限。有很多其他的方法来判断一个系统是否是衍射极限，例如：斯特列尔比数（在同一系统里形成的有象差点像的衍射图峰值与无象差的峰值亮度之比。用于像质的评价）。RMS OPD；标准偏差，最大梯度误差，等等。当使用一种方法评价系统为衍射极限时，运用另外一种方法可能不是衍射极限，这是可能的。
在一些ZEMAX的图，例如，MTF 或Diffraction Encircled energy（衍射能量圈图）等，衍射极限可以选择显示出来。这些数据通常是通过追迹某视场角指定参考点的光线得到的。计算过程考虑了光瞳切迹；渐晕；F/#数；表面孔径；透射率等等因数，但不考虑实际存在的误差，光程差都定为0。
对于包含X和Y方向视场角都为0 的系统（比如，），参考视场位置为坐标轴上点。如果没有（0，0）视场，定义的第一个视场对应的坐标用于参考坐标。边缘厚度
对于边缘厚度，ZEMAX使用两种不同的定义。通常来说，要计算一个特定表面的边缘厚度，采用下面的公式：
Ei=Zi+1－Zi＋Ti
Zi 为表面+y 方向半口径对应的矢高，Zi+1 是下一面在+y 方向半口径的矢高，Ti 是表面在轴向的厚度。注意，边缘厚度计算时，使用的矢高是个表面在半口径矢高对应的各自的矢高，一般情况下都是不一样的。
边缘厚度计算时由于一般采用+y 方向口径，如果表面不是旋转对称，或者表面口径为指定时，这样的方法就不适用了。当采用边缘厚度求解时，情况则不同。因为边缘厚度求解可以改变中心厚度，也能改变光线在下一表面的入射点，这表示下一表面的半口径也可以改变。如果计算边缘厚度时使用下一表面的半口径，会出现无限循环或者循环定义。
正由于此，边缘厚度求解计算边缘厚度时，对两个面都严格采用第一表面的半口径。第二表面的半口径不再被使用，虽然表面的曲率或者面型还要使用。
有效焦距指从后主面（象方主面）到近轴象面的距离。这是无限远物的共轭距离。主面的计算通常是基于近轴光线数据。有效焦距一般以折射率为1 进行计算，即使象空间的折射率不是1。
入瞳直经光阑在物空间的近轴象的口径。
入瞳位置
以与系统第一面的距离来衡量的入瞳近轴位置。第一面一般是“面1”，而不是物面，物面是“面0”。
出瞳直径光阑在象空间的近轴象的口径。
出瞳位置以象面位置衡量的近轴出瞳位置。
额外数据额外数据被用来定义特定的非标准面型。比如，用来定义衍射光学面的位相（比如Binary 1面型）。在“面型”这一章“额外数据” 部分，有关于额外数据的完整讨论。
视场角和物高视场可以用角度、物高（用于有限距离共轭系统）、近轴象高或者实际象高来表示。
视场角一般用角度表示。角度的测量是以物空间Z 轴上近轴入瞳位置作为测量点
来衡量的。正视场角表示这一方向上的光线有正斜率，对应的物方坐标为负。
ZEMAX运用一下公式将X、Y 视场角转换为光线的方向余弦：
tan θ x=l/n
tan θ y=m/n
l2＋m2＋n2=1
这里，1、m、n 分别代表x、y、z 方向的方向余弦。如果用物高或者象高来定义视场，则高度用透镜单位来表示。当用近轴象高定义视场时，高度是指主光线在象面上的近轴象高，在系统存在畸变时，实际的主光线位置会不同。
当用实际象高来定义视场时，高度为主光线在象面上的实际高度。
光阑位移
光阑位移是ZEMAX支持的一种系统孔径类型。这是指入瞳位置、物空间数值孔径、象空间F/#数、光阑面半径中只要有一个确定。其他的也都确定下来了。所以，设定号孔径光阑半径，其他值无需再定义了，是定义系统孔径的非常有效的方法。当光阑面为实际的不变光阑时，比如设计无焦度校正板光学系统时，这种方法更为方便。
玻璃
玻璃的输入是在“玻璃”这一栏中输入玻璃名称。可以查看玻璃名称，也可以通过玻璃库
工具输入新玻璃。详见“使用玻璃库”这一章
六边环（Hexapolar rings）
在诸如点列图的计算时，ZEMAX通常选用一种光线分布。光线分布指入瞳处光线的分布形式。六边形式是一种以旋转对称来分布光线的方式。具体而言是在中心光线周围有一圈一圈的光环。第一环包括6 根光线，围绕入瞳按每两根之间
60 度分布，第一根光线始于0度（即瞳面X轴方向）。第二环有12根光线（此时，光线总数为19，因为中心光线可以认为是第零环）。第三环有18 根光线。每下一环都比上一环多6 根光线。
很多需要确定取样光线的功能（比如点列图）都使用六边环数来确定光线的树目。如果六边环样本密度为5，不是指使用5 根光线，而是指1+6+12+18+24+30=91 根光线。
像空间F/#
像空间F/#是与无限远共轭的近轴有效焦距与近轴入瞳直径之比。注意。即使透镜不是用于无限远共轭，这一量还是使用无限远共轭的方法。
像空间数值孔径（NA）
像空NA 是象空间折射率乘上近轴轴上主光线与近轴轴上+y边缘光线之间夹角的正弦值，是在指定共轭距离处，按基准波长来计算的。透镜单位
透镜单位是透镜系统测量的基本单位。透镜单位用于半径、厚度、孔径和其他量，可以是毫米、厘米、英寸、米。
边缘光线边缘光线是从物体开始，通过入瞳边缘，最终入射到象面上的光线。
最大视场
如果“视场角”被选择，用度数显示最大视场角；如果选择“物高”，用透镜单位显示最大径向物体坐标；如果“象高”被选择，则用透镜单位显示最大径向象高。视场模式在“系统”菜单下的视场数据对话框中进行设置。
非近轴系统非近轴系统指那些不能完全用近轴光线数据描述的光学系统。通常包括：有倾斜或者平移的系统（哟坐标转换平面）、全息、光栅、理想透镜组、三维样条曲线、ABCD矩阵、渐变折射率或者衍射元件等。
对于旋转对称系统的折反射元件，有很多的光线象差理论。包括Seidel 象差，畸变，高斯光束数据，以及几乎所有的近轴参数，比如焦距，F/#，瞳面尺寸和位置等。所有这些数值都是由近轴光线数据计算的。
如果系统包含上述任意非近轴元件，则按照近轴光线追迹计算得到的数据是不可信的。
非顺序光线追迹非顺序光线追迹是光线沿着自然可实现的路径进行追迹，直到被物体拦截，然后折射、反射、或者被吸收，这取决于物体的特性。光线继续沿着新的路径前进。在非顺序光线追迹中，光线可以按任意顺序入射到任意一组物体上，也可以重复入射到同一物体上，这取决于物体的几何形状和特性。
可参照顺序光线追迹。
归一化视场和瞳面坐标归一化视场和瞳面坐标在ZEMAX程序和文档中经常用到。有四个归一化坐标：Hx,Hy,Px,and Py。Hx 和Hy 为归一化视场坐标，Px 和Py是归一化瞳面坐标。归一化视场和瞳面坐标代表单位圆上的点。视场径向大小（如果视场用物高定义，则为物高）用来对归一化视场进行放大。入瞳半经用来放大归一化瞳面坐标。例如，假如最大物高是10mm，如果定义了3 个场域，分别在：0、7、10mm。坐标
（Hx=0,Hy=1）表示此光线始于物体最顶端（x=0mm,y=10mm）；坐标（Hx=-
1,Hy=0）表示此条光线始于物面上（x=-10mm,y=0mm）。瞳面坐标也是同样。假如入瞳半径（不是直径）是8mm，那么（Px=0，Py=1）表示此光线通过入瞳顶端。如果光线在入瞳面上，光线坐标是（x=0，y=8）。
注意：归一化坐标总是位于-1 到+1之间，所以
Hx2＋Hy2≤1, Px＋2 Py2≤1 采用归一化坐标的优点是，某一些光线通常有相同的坐标，不论物体或者入瞳大小和位置如何。例如，边缘光线是从物体中心到入瞳边缘的光线，归一化坐标为（Hx=0，Hy=0，Px=0，Py=1）。主光线从视场顶端到入瞳中心，归一化坐标为（Hx=0，Hy=1，Px=0，Py=1）。
另一个优点是：即使瞳面大小和位置改变了。光线坐标仍然有用。假如在优化透镜之前，您定义了光线设置来计算系统绩效函数。如果使用归一化坐标，即使优化后入瞳大小和位置或者物体的大小和位置改变了，光线坐标仍然不变。在优化的过程中也不会改变。当视场位置用角度来定义时，归一化坐标也起作用。例如：假定将y-field 的角度选为0；7；10 度，这表示角度空间中的最大视场“半径”为10度。则归一化视场坐标
（Hx=0，Hy=1）表示x-field 是0 度，y-field 是10 度。归一化视场坐标（Hx=，
Hy=）表示x-field 是-5度，y-field 是4 度。注意：即使没有定义x-field，光线追迹时也可以使用Hx的非零值。Hx和Hy值一般指物方角度空间内圆上点，圆的半径由最大径向视场决定。如果定义单个视场点X向视场角为10度；y-field 是6 度，则最大圆形区域是
度，接着Hx 和Hy将按此半径进行归一化。注意：如果用视场角定义物体，坐标为归一化视场角；如果用物高定义，则Hx 和Hy 为归一化物高。物方数值孔径物空间数值孔径是衡量从物从物面出射光线的发散率。数值孔径定义为折射率乘上近轴边缘光线角都正弦值，以物空间为测试空间。边缘光线为从物点发射的光锥的边缘光线。
参数数据
参数数据用来定义非标准面型。例如，参数数据可能包括非球面系数，光栅间隔，倾斜和平移数据。对参数数据值的讨论可以参看“面型”一章中“参数数据”部分。近轴和旁轴光线
近轴的含义是“在轴附件”。近轴光学是由斯涅尔定理线性形式描述的光线。斯涅尔定理是：
nsin θ=n' sin θ' 对于小角度可改写为：nθ= n 'θ' 光线中很多的定义是基于线性假设的。象差是由于不符合线性而产生的，所以一个光学系统的近轴特性通常被认为是系统没有象差时的特性。虽然有很多的简单公式可用来计算近轴参数，比如焦距，F/#，放大率，等等。但ZEMAX通常不用这些公式。ZEMAX通过追迹实际的旁轴光线（指符合斯涅尔
定理的光线）来计算，这些光线与基准光线（通常为光轴或者主光线）之间有一个小的角度。
ZEMAX之所以采用旁轴光线而不采用近轴公式追迹光线，是因为很多的光学系统包含非近轴的元件。非近轴元件是指这些元件不能用初级象差理论很好地描述。这包括倾斜和离轴系统、全息系统、衍射光学和渐变折射率镜头等。
ZEMAX计算很多的近轴参数，但在系统具有非标准元件时，使用这些参数值要十分注意。通常情况下。使用旁轴光线是可行的，但对于非常特别的系统，描述成像特性时仅仅使用一些初级象差数值就不够了。
近轴像高近轴理想像平面上对应全视场的近轴径向像尺寸，用镜头单位表示。
近轴放大率
径向放大率，即近轴像高和物高的比，近轴放大率在理想平面上测量。对于无限共轭的系统，近轴放大率为0。
近轴工作F/#
近轴工作F/#由下式定义：
W=1/（2ntan θ）
Θ为象空间近轴边缘光线角度，n 为象空间介质折射率。近轴边缘光线按特定的共轭关系进行追迹，对于非轴对称系统，这一参数以轴向光线为基准，在入瞳处均匀分布的。近轴工作F/#是完全忽略象差的有效F/#数。详见有关工作F/#的定义。
主波长主波长用微米表示，用来计算大部分近轴和系统参数，比如入瞳位置。
曲率半径每一面的曲率半径用透镜单位进行度量。如果曲率中心在表面顶点的右面（沿Z 轴正距离），则半径为正；如果曲率中心在表面顶点左边（沿Z 轴为负距离），则半径为负。这与系统中反射镜的个数无关。
弧矢与子午子午面参数指在子午面内计算的数据，子午面是由一条直线和一个点定义的平面；直线即系统的对称轴，点即是物空间的轴外物点。弧矢面是指与子午面垂直的平面，他与子午面在入瞳处相交于入瞳中心。
这一定义对非旋转对称的系统并不通用。为统一起见，不管轴外点在哪里，ZEMAX 规定YZ平面为子午面；计算子午面数据时沿物空间y 向进行计算。弧矢面于YZ 面垂直，二者在入瞳中心相交，计算弧矢面数据时在物空间沿X 轴计算。这一规定基于下面的理论：如果系统是旋转对称的，沿Y 轴的轴外点确定系统的成像质量，此时，两种定义是完全一致的。如果系统不是旋转对称的，则不存在对称轴，参考平面的选择就是任意的。
半口径
每一面的大小通过设置半口径来描述。默认的设置是允许所有实际光线通过孔径光阑的径向口径。如果在半口径一栏中输入数值，在数值右侧会显示一个“U”，这个字母表示这一半口径是用户定义的。用户可以定义一个具有折射本领表面的口径（如前所述，用键入数值的方法就可以实现用户定义），如果没有定义表面口径，ZEMAX会自动将这一表面设为可变的口径。可变口径是圆形口径，径向最大坐标通常等于这一表面的半口径。表面口径类型可参见“表面特性口径”。对于轴对称系统，只要表面不在光束的散焦面（通常在象面附近），任一表面的半口径都是精确计算的。ZEMAX通过追迹入瞳边缘的光线来计算轴对称系统的半口径。对于非轴对称系统，ZEMAX运用固定数目的光线或者使用迭代方法来计算半口径，采用迭代方法较慢，但更为精确。详见“快速半口径”。需要注意的是，ZEMAX自动计算的半口径只是一个近似值，当然通常都是比较准确的。一些表面的口径比较大，表面Z 的坐标会出现多值。比如，一个很深的椭球面对于同样的X、Y会有很多个Z轴坐标。对球面，这种情况称为超半球，而且在ZEMAX 中，即使表面不是球面，也采用这一名称。超半球表面在半径口径这一栏用“* ”
号表示。这说明半口径是此面的外边缘口径，他比最大径向孔径要小。顺序光线追迹顺序光线追迹指按照预先给定的顺序从一表面追迹到另一表面。ZEMAX对表面进行顺序安排，起始面为物面，序号为“0。”物面后的第一面序号为“1，”之后是
“2、”“3，”以此类推，一直到象面。顺序追迹光线意味着一条光线起始于0表面，追迹到1 表面，然后到2 表面，等等。不会出现从第5 面追迹到第3 面的情况，即使这些表面的实际位置可能出现这种情况。
可参见“非顺序光线追迹”。
斯特利尔比例数斯特利尔比例数是对要求非常高的成像系统进行成像质量评价的一种方法。斯特利尔数是实际点扩散函数（PSF）峰值与不考虑象差时的点扩散函数（PSF）峰值的比值。ZEMAX计算有象差和物象差两种情况下的PSF，并得到两者峰值的比值。当象差很大，PSF的峰值很模糊时，斯特利尔数没有作用，因为这种情况下比值小于。
表面口径表面口径包括：圆形；矩形；椭圆形和蜘蛛网孔形（可产生渐晕）。同时还允许用户自己定义口径类型。可变口径也是以当前半口径值为基础进行变化的。表面口径不影响光线追迹，除非光线不能通过这一口径。表面口径对系统口径没有影响。
系统孔径系统的孔径指整个系统的F/#；入瞳直径；数值孔径或光阑尺寸。对于一个特定的光学系统，这4个参量中的任一个确定下来后，另外3个也确定了。系统的孔径用来确定物方入瞳直径，从而确定所有光线的范围。系统孔径总是圆形的。光线在通过不同的表面口径时可能会形成渐晕而不能全部通过。虽然一个系统中可能很有多种表面口径，但只有一个系统孔径。
厚度厚度指的是到下一表面顶点的相对距离，单位是透镜单位。厚度不是累积厚度，每一个厚度只代表从前以顶点沿Z 轴方向的偏离值。如果有反射镜，厚度通常会改变符号。通过奇数个反射镜后的所有厚度是负的。这一符号规则则反射镜个数及有无坐标变换无关。坐标转180 度后，仍然要使用这一符号规则。
全反射（TIR）
当光线与表面法线间的夹角过大，不能满足斯涅尔定理的折射条件时，就发生了全反射。这种情况发生在光线入射角交大、光线从折射率高的介质传播到折射率低的介质中的时候，比如从玻璃到空气。当进行顺序光线追迹时，如果遇到全反射，系统认为错误，并会中止。从物理上来说，光线会从介质分界面反射回来，但ZEMAX在进行顺序追迹时不考虑这一效应。非顺序追迹时，对发生全反射的光线还必须考虑。
总长度总长度是光学系统最左边表面到最右边表面的顶点间隔。计算的起始面是第1 面，从第1面到象面的距离都包含在内，不考虑坐标旋转。最右面的表面指系统中Z向坐标最大的表面，最左边表面的Z 向坐标值最小。在非轴对称系统中，总长度的用处不大。渐晕系数
渐晕系数是描述入瞳大小和不同视场点光线的位置。ZEMAX有五个渐晕系数：
VDX；VDY；VCX；VCY；VAY。这5 个因子分别代表了X向偏心、Y向偏心、X向渐晕系数、Y 向渐晕系数和渐晕的角度。5 个因子默认值都是0，表示没有渐晕。一个光学系统的视场和入瞳可以看坐是一个单位圆。在这一章前面定义的归一化视场和瞳面坐标，指的就是这两个单位圆上的坐标。比如，瞳面坐标(px=0,py=1) 代表的光线是从视场中的某一点追迹到入瞳的顶端。如果系统不存在渐晕，ZEMAX在进行大部分计算时，会对整个入瞳进行光线追迹。很多光学系统都有意识地采用渐晕。这表示除光阑挡光外，还有一部分光线被表面口径遮挡。使用渐晕有两个常见的原因：第一、渐晕能使透镜尺寸减小，这一点对于广角透镜更为重要；第二、渐晕可以将一部分象差非常大的光线挡掉。渐晕通常会随着视场角的增大尔使F/#增加(这会使象面变暗)，但如果大部分大象差光线被遮挡后，象面成像质量会提高。渐晕因子为特定的视场点重新定义了入瞳。归一化入瞳坐标通过两个相关的变换进行修正。首先，通过下式进行坐标缩放和平移：
Px'=VDX+P-xV(1CX)
Py'=VDY+P-xV(1CY) 然后，已经缩放平移的坐标通过渐晕角度进行旋转：Px“= Px ' c－osPθy' sin θ
Py“= Px '＋sinPyθ' cos θ 式中，θ是渐晕角度VAN。VDX使光瞳左右移动，VCX使光瞳在X方向扩大或者缩小。对于VDY和VCY，意思也是一样的。注意，如果渐晕系数都为0，光瞳坐标不会被修正。渐晕系数为光学设计提供了一种使用渐晕的简便方法。但是，必须知道，使用渐晕系数也是有限制的。
ZEMAX的一些功能可以从任意一个没有指定渐晕系数的视场点出发追迹光线，但这些功能提供的各种数据可能不如从一个确定的视场出发那样精确。一些功能在计算数据时通过在每一面上放置一个透明光阑，使光线具有相同的渐晕，而不采用渐晕系数。有关自动去除渐晕系数的功能在“分析“这一章中有详细介绍。ZEMAX也有一些功能对中间视场不会自动去除渐晕系数，比如在优化评价函数中的光线操作数 (如REAX，可以追迹一条光线
在个表面的X方向位置) 或者ZPL 宏。如果渐晕系数没有被排除，ZEMAX在计算时会将渐晕系数考虑在内。对于旋转对称系统，ZEMAX使用最接近的已经视场点来决定一个任意视场点的渐晕系数。
一旦渐晕系数被确定下来，就需要设计者确定超出光瞳外面的光线是否实际上被遮挡。如果渐晕系数用来减小透镜尺寸，则透镜不会大于使光瞳边缘外的光线能够穿过所要求的尺寸。如果让超出渐晕孔径的光线也能够通过实际光学系统，那么透镜的性能将会与计算机模拟的情况不一致。相同或者近似相同的视场坐标不会被定义不同的渐晕系数，如果相邻的两个视场要使用不同的渐晕系数，他们的视场坐标必须相差最大视场坐标的1E－06 次方
以上。这是因为ZEMAX必须对所有视场坐标具有不同的渐晕系数，这是没有物理意义的。要建立这类系统的正确方法是使用多重结构，通过多重结构编辑器设置渐晕系数。
W=1/(2nsin θ)
式中，θ指像空间边缘光线角度，n 是象空间折射率。边缘光线在指定的共轭面上进行追迹。
对于非共轴系统，这一参数指轴向光线，而且是通过四条光线平均得到的。这四条光线是：渐晕光瞳的顶部光线、底部光线、左边光线和右边光线。通过计算四条光线数值孔径平方的平均值，可以得到数值孔径的均方根RMS，并转化为F/#。工作F/#通常比象空间F/#有用，因为它是基于透镜的实际共轭面的实际光线数据的。可以参考近轴工作数F/#的定义。
如果边缘光线由于光线的误差不能被追迹，那么会临时使用一个较小的光瞳来估算工作数F/#。
【张发伟二零零三年七月书于深圳宝安沙井新桥】其中的不足之处希望朋友自己修正。谢谢!
联系方式：
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的像差控制与优化
ZEMAX的基本像差控制与优化 公安部第一研究所许正光 ZEMAX已经成为光学设计人员最常用的工具软件了。光学设计中，描述和控制一个光学系统的初级像差结构，通常使用轴上球差、轴向色差、彗差、场曲、畸变、垂轴色差、像散等像差参数。当我们企图更为详细的描述和控制轴外指定视场、指定光束的像差结构时，常常会使用轴外宽光束球差、彗差和细光束场曲等三个像差参数。然而，ZEMAX并不能像SOD88那样直接引用相对应的像差操作数来指定像差目标大小，更没有描述高级像差数的像差操作数，这些通常都需要设计者自行分析和定义。 描述和控制系统光束结构的方法因习惯而有一定的差异，由于某些像差变量之间有某种相关性，而设置的优化权重又可以不同，因此常常都能够达到相同的效果，只是所计算的数学步骤不同而已。到底选择多少个参数来描述一个系统，虽无统一规定，但是还是要因系统像差特性不同而区别选择。经验表明，最少最准确的参数描述量，能够尽可能的提高优化的效率，并且减少掉入效果较差的局部优化的次数。经验丰富的工程师，轻车熟路，在这个环节上少走了很多的弯路，从而其设计效率和设计出来的产品品质要比通常的设计人员有些得多，成功率高的多。 笔者撰写本文的目的就是企图浅显的探讨光学设计中，ZEMAX中光学结构的描述方法以及权重选择的问题。这些都是笔者在设计当中积累的经验，可能这个文章的论断会由于经验的多寡有一定的局限性，所以希望读者当作参考，不要照搬。 一基本像差描述和控制 1、轴上球差LONA 和SPHA LONA表示的是轴上物点指定波长，指定光束尺寸(光线对)的轴上成像交点到近轴焦平面之间轴向距离。这个定义和我们定义的轴向球差相同。光瞳尺寸(光束尺寸)在0~1之间，那么将追迹实际的光束汇交点计算轴向球差。 SPHA常用于指定面产生的像差数值。若不指定特殊面(取值为0)，则计算所有面产生球差总和。注意这个总合不是像差计算公式中的经过各面逐个放大之后的加权和，而是代数和(有待读者进一步验证)。 经验：当选择LONA控制不住球差时，同时加入SPHA操作数，设置合理的权重，可以将轴向球差进一步改善。 2、轴向色差AXCL 定义为两个指定波长的近轴焦平面轴向距离。若光瞳尺寸(光束尺寸)定义为0，那么使用近轴焦平面进行色差计算，定义不为0，则使用实际的光线与轴交点位置进行色差计算。 3、垂轴色差(倍率色差) 在ZEMAX中没有直接定义垂轴色差的操作数，但是从垂轴色差的定义可以知道，
ZEMAX操作说明
ZEMAX操作说明 一、参数设置 1、透镜基本参数设置 ①、Surf:Type 这一选项表示输入面的类型，例如普通球面、柱面、镜面、渐变折射率面等。 ②、Comment 这一选项表示对输入面进行注解，填不填都可以。 ③、Radius 这一选项表示输入面的曲率半径，对于第一行输入光源来说如果是Infinity表示光源为平行光，如果输入数字a表示距离透镜第一个面距离为a的点光源。 ④、Thickness 这一选项表示输入相邻两个面的距离，对于一个透镜来说是透镜的中心厚度，对于两个透镜来说是两个透镜的间距。 ⑤、Glass 这一选项表示输入相邻两个面间的材质，可以输入玻璃、镜子、接收器，不输为空气。 ⑥、Semi-Diameter 这一选项表示输入光到达通光面的半径。 ⑦、Conic 这一选项表示输入面曲率半径的非球面系数。 2、光源基本参数设置 ①、Gen Entrance Pupil Diameter表示入射光到达第 一个面时的光斑大小，适用于光源为点光 源或平行光。 Object Space NA表示入射光的数值孔径， 适用于点光源。
②、Fie 这一选项表示对输入光在入射面不同输入 高度时的情况。 ③、Wav 这一选项表示对输入光的波长。 ④、Lay和L3d 这一选项表示输入透镜的平面图和3D图 ⑤、Spt 这一选项表示输入光通过输入透镜后的弥散斑的大小，越小越好。⑥、Mtf 这一选项表示输入透镜的传递函数，与分辨率紧密相关。 ⑦、Pre 这一选项表示输入透镜的所有参数汇总表。 二、设计结果查看 在Analysis一项中查看透镜像差。 初步学习在这一项中一般查看： Image Analysis，这一项中可以直观 查看成像质量。 Miscellaneous，这一项中可以查看 输入透镜的像差。 三、透镜优化 1、双击你所需要优化的面，将其选择为Variable，须优化面后出现V
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、F/4的单透镜。所以需要直径为25 mm的入瞳(Entrance Pupil)，因此设罝：
ZEMAX的基本像差控制与优化
ZEMAX的基本像差控制与优化 ZEMAX已经成为光学设计人员最常用的工具软件了。光学设计中，描述和控制一个光学系统的初级像差结构，通常使用轴上球差、轴向色差、彗差、场曲、畸变、垂轴色差、像散等像差参数。当我们企图更为详细的描述和控制轴外指定视场、指定光束的像差结构时，常常会使用轴外宽光束球差、彗差和细光束场曲等三个像差参数。然而，ZEMAX并不能像SOD88那样直接引用相对应的像差操作数来指定像差目标大小，更没有描述高级像差数的像差操作数，这些通常都需要设计者自行分析和定义。 描述和控制系统光束结构的方法因习惯而有一定的差异，由于某些像差变量之间有某种相关性，而设置的优化权重又可以不同，因此常常都能够达到相同的效果，只是所计算的数学步骤不同而已。到底选择多少个参数来描述一个系统，虽无统一规定，但是还是要因系统像差特性不同而区别选择。经验表明，最少最准确的参数描述量，能够尽可能的提高优化的效率，并且减少掉入效果较差的局部优化的次数。经验丰富的工程师，轻车熟路，在这个环节上少走了很多的弯路，从而其设计效率和设计出来的产品品质要比通常的设计人员有些得多，成功率高的多。 笔者撰写本文的目的就是企图浅显的探讨光学设计中，ZEMAX中光学结构的描述方法以及权重选择的问题。这些都是笔者在设计当中积累的经验，可能这个文章的论断会由于经验的多寡有一定的局限性，所以希望读者当作参考，不要照搬。 一基本像差描述和控制 1、轴上球差LONA 和SPHA LONA表示的是轴上物点指定波长，指定光束尺寸(光线对)的轴上成像交点到近轴焦平面之间轴向距离。这个定义和我们定义的轴向球差相同。光瞳尺寸(光束尺寸)在0~1之间，那么将追迹实际的光束汇交点计算轴向球差。 SPHA常用于指定面产生的像差数值。若不指定特殊面(取值为0)，则计算所有面产生球差总和。注意这个总合不是像差计算公式中的经过各面逐个放大之后的加权和，而是代数和(有待读者进一步验证)。 经验：当选择LONA控制不住球差时，同时加入SPHA操作数，设置合理的权重，可以将轴向球差进一步改善。 2、轴向色差AXCL 定义为两个指定波长的近轴焦平面轴向距离。若光瞳尺寸(光束尺寸)定义为0，那么使用近轴焦平面进行色差计算，定义不为0，则使用实际的光线与轴交点位置进行色差计算。
Zemax入门基础之优化
Zemax问题集 第五章 优化 (Optimization)
已知透镜的孔径、厚度、曲率半径皆为固定，可是边缘厚度希望为零，现在我将suf设在2和3之间，target设零，weight设100，但我发现我没有变量，不能优化，所以将厚度0.8设为变量去跑优化，没想到透镜厚度变更宽，MXEG似乎没用。请问可以在不跑优化，也就是不设罝merit function的情形下，将透镜边缘厚度改为零吗？ Answer： 可以在不跑优化，也就是不设罝merit function的情形下，将透镜边缘厚度改为零：具体做法是在thickness上按右键，用solve进行Edge thickness 的设罝。或者您也可以试着使用ETVA(edge thickness value)这个操作数。
如何使Spot Diagram中的RMS&GEO变小? Answer： 在Merit Function中提供几个命令来Follow您Default的内容来做Spot Size的优化，分别是RSCE、RSCH、RSRE、RSRH，您需根据您所Default的参考依据来选择其中一个命令来使用，如Centriod、Chief Ray、Ring、Grid...etc。 Question 3： 在优化过程中，如何定义在不同Pupil的地方，其Longitudinal Aberration曲线可以依照自己的意思跑吗？ Answer： 当在使用AXCL和LACL等命令时，无法使用Hx、Hy、Px、Py来控制实际光线所走的路径，此时会是一类型似默认的方法来达到优化，通常在Pupil的0.8处有交点，但若当您使用REAY等命令时，您可在Py的地方给定0~1的值，即代表您希望在Pupil上的某个点所出射的光线其Longitudinal Aberration会最小，即可在不同的Pupil处依您的意思去做优化。
ZEMAX操作说明第二章
【ZEMAX光学设计软件操作说明详解】 第二章用户界面 概述 本章介绍了对ZEMAX用户界面进行操作的一些习惯用法，以及一些常用的窗口操作的快捷键。一旦您学会了在整个程序中通用的简单的习惯用法， ZEMAX用起来就很容易了。在线教程中，也有逐步学习ZEMAX使用方法的例子。 视窗的类型 ZEMAX有不同类型的窗口，每类窗口完成不同的任务。这些类型有： 1、主窗口：这个窗口有很大的空白空间，顶端有标题栏，菜单栏 和工具栏。菜单栏中的命令通常与当前的光学系统相联系，成为一个整体。 2、编辑窗口：有六种不同的编辑1）透镜数据编辑；2）绩效函数 编辑；3）多重结构编辑；4）额外数据（ZEMAX-EE）；5）公差数据编辑；和非顺序组件编辑（ZEMAX-EE）。 3、图形窗口：这类窗口用作呈现图像数据，例如：系统图；光线 扇形图（Ran fan）；光学传递函数（MTF）；曲线（Dot Spot）…… 等等。 4、文本窗口：用来列出文本数据，例如：指定数据、像差系数、 计算数据等。 5、对话窗口：对话框是弹出窗口，不能改变大小。对话窗口用来
改变选项和数据，如：视场；波长；孔径光阑；表面类型等。 在图像和文本窗口中，对话框也被广泛地用来改变选项，比如改变系统图中光线的数量。除了对话框，所有窗口都能通过使用标准鼠标这键盘按钮进行移动和改变大小。如果你对这些方法不熟悉，请参考有关Windows使用的书籍或者Windows的说明书。 主窗口的操作方法 主窗口栏有几个菜单标题。大部分菜单标题与这本手册后面的章节标题相对应。从这些章节能够找到使用每一菜单项的具体方法。以下是菜单的标题： File：用于镜头文件的打开、关闭、保存、重命名； Editors：用作调用（显示）其他的编辑窗口； System: 用于确定整个光学系统的属性； Analysis：分析中的功能不是用于改变镜头数据，而是根据这些数据进行数字计算和图像显示分析。包括：系统图（Layout）、Ray fans，Spot diagrams，Diffraction calculations and more。Tools：工具中的命令是可以改变镜头数据的，也可以从总体上对系统进行计算。包括：Optimization，tolerancing，test plate fitting and more。 Reports：提供透镜设计的相关文档。包括系统数据概要；表面数据以及图像报告等。 Macros：用来编辑和运行ZPL macros。
zemax操作详解
ZEMAX光学设计软件操作说明详解 找到一些资料希望对大家有用！ 【ZEMAX光学设计软件操作说明详解】 介绍 这一章对本手册的习惯用法和术语进行说明。ZEMAX使用的大部分习惯用法和术语与光学行业都是一致的，但是还是有一些重要的不同点。 活动结构 活动结构是指当前在镜头数据编辑器中显示的结构。详见“多重结构”这一章。角放大率 像空间近轴主光线与物空间近轴主光线角度之比，角度的测量是以近轴入瞳和出瞳的位置为基准。 切迹 切迹指系统入瞳处照明的均匀性。默认情况下，入瞳处是照明均匀的。然而，有时入瞳需要不均匀的照明。为此，ZEMAX支持入瞳切迹，也就是入瞳振幅的变化。 有三种类型的切迹：均匀分布，高斯型分布和切线分布。对每一种分布（均匀分布除外），切迹因素取决于入瞳处的振幅变化率。在“系统菜单”这一章中有关于切迹类型和因子的讨论。 ZEMAX也支持用户定义切迹类型。这可以用于任意表面。表面的切迹不同于入瞳切迹，因为表面不需要放置在入瞳处。对于表面切迹的更多信息，请参看“表
面类型”这一章的“用户定义表面”这节。 后焦距 ZEMAX对后焦距的定义是沿着Z轴的方向从最后一个玻璃面计算到与无限远物体共轭的近轴像面的距离。如果没有玻璃面，后焦距就是从第一面到无限远物体共轭的近轴像面的距离。 基面 基面（又称叫基点）指一些特殊的共轭位置，这些位置对应的物像平面具有特定的放大率。基面包括主面，对应的物像面垂轴放大率为＋1；负主面，垂轴放大率为－1；节平面，对应于角放大率为+1；负节平面，角放大率为－1；焦平面，象空间焦平面放大率为0，物空间焦平面放大率为无穷大。 除焦平面外，所有的基面都对应一对共轭面。比如，像空间主面与物空间主面相共轭，等等。如果透镜系统物空间和像空间介质的折射率相同，那么节面与主面重合。 ZEMAX列出了从象平面到不同象方位置的距离，同时也列出了从第一面到不同物方平面的距离。 主光线 如果没有渐晕，也没有像差，主光线指以一定视场角入射的一束光线中，通过入瞳中央射到象平面的那一条。注意，没有渐晕和像差时，任何穿过入瞳中央的光线也一定会通过光阑和出瞳的中心。 如果使用了渐晕系数，主光线被认为是通过有渐晕入瞳中心的光线，这意味着主光线不一定穿过光阑的中央。 如果有瞳面像差（这是客观存在的），主光线可能会通过近轴入 瞳中心（如果没有使用光线瞄准）或光阑中央（如果使用光线瞄准），但一般说来，不会同时通过二者中心。 如果渐晕系数使入瞳减小，主光线会通过渐晕入瞳中心（如果不使用光线瞄准）或者渐晕光阑中心（如果使用光线瞄准）。 常用的是主光线通过渐晕入瞳的中心，基本光线通过无渐晕的光阑中心。ZEMAX 不使用基本光线。大部分计算都是以主光线或者中心光线作为参考。优先使用中心光线，因为它是基于所有照射到象面的光线聚合效应，而不是基于选择某一条
ZEMAX光学设计软件操作说明详解
ZEMAX光学设计软件操作说明详解】 介绍 这一章对本手册的习惯用法和术语进行说明。ZEMAX使用的大部分习惯用法和术语与光学行业都是一致的，但是还是有一些重要的不同点。 活动结构 活动结构是指当前在镜头数据编辑器中显示的结构。详见“多重结构”这一章。 角放大率 像空间近轴主光线与物空间近轴主光线角度之比，角度的测量是以近轴入瞳和出瞳的位置为基准。 切迹 切迹指系统入瞳处照明的均匀性。默认情况下，入瞳处是照明均匀的。然而，有时入瞳需要不均匀的照明。为此，ZEMAX支持入瞳切迹，也就是入瞳振幅的变化。 有三种类型的切迹：均匀分布，高斯型分布和切线分布。对每一种分布（均匀分布除外），切迹因素取决于入瞳处的振幅变化率。在“系统菜单”这一章中有关于切迹类型和因子的讨论。 ZEMAX也支持用户定义切迹类型。这可以用于任意表面。表面的切迹不同于入瞳切迹，因为表面不需要放置在入瞳处。对于表面切迹的更多信息，请参看“表面类型”这一章的“用户定义表面”这节。 后焦距 ZEMAX对后焦距的定义是沿着Z轴的方向从最后一个玻璃面计算到与无限远物体共轭的近轴像面的距离。如果没有玻璃面，后焦距就是从第一面到无限远物体共轭的近轴像面的距离。基面 基面（又称叫基点）指一些特殊的共轭位置，这些位置对应的物像平面具有特定的放大率。基面包括主面，对应的物像面垂轴放大率为＋1；负主面，垂轴放大率为－1；节平面，对应于角放大率为+1；负节平面，角放大率为－1；焦平面，象空间焦平面放大率为0，物空间焦平面放大率为无穷大。 除焦平面外，所有的基面都对应一对共轭面。比如，像空间主面与物空间主面相共轭，等等。如果透镜系统物空间和像空间介质的折射率相同，那么节面与主面重合。 ZEMAX列出了从象平面到不同象方位置的距离，同时也列出了从第一面到不同物方平面的距离。 主光线 如果没有渐晕，也没有像差，主光线指以一定视场角入射的一束光线中，通过入瞳中央射到象平面的那一条。注意，没有渐晕和像差时，任何穿过入瞳中央的光线也一定会通过光阑和出瞳的中心。 如果使用了渐晕系数，主光线被认为是通过有渐晕入瞳中心的光线，这意味着主光线不一定穿过光阑的中央。 如果有瞳面像差（这是客观存在的），主光线可能会通过近轴入 瞳中心（如果没有使用光线瞄准）或光阑中央（如果使用光线瞄准），但一般说来，不会同时通过二者中心。 如果渐晕系数使入瞳减小，主光线会通过渐晕入瞳中心（如果不使用光线瞄准）或者渐晕光阑中心（如果使用光线瞄准）。 常用的是主光线通过渐晕入瞳的中心，基本光线通过无渐晕的光阑中心。ZEMAX不使用基本光线。大部分计算都是以主光线或者中心光线作为参考。优先使用中心光线，因为它是基
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 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. E FLX “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） 30. TRCY像面子午像差”Y”向（质心基准） 31. DISG 广义畸变百分数 32. FCGS 弧矢场曲 33. DISC 子午场曲 34. OPDM 限制光程差，类同TRAC 35. PWRH 同RSCH 36. BSER 对准偏差 37. BIOC 集中对准 38. BIOD 垂直对准偏差
zemax指导书
光学课程设计ZEMAX上机指导
例子一望远物镜的设计 第一节课，讲解zemax的基本操作界面以及各个菜单的功能。设计zemax 最基本的例子，并进行初级的像差分析和优化。 1.首先打开zemax，进入主界面 可以看到，最上方即是各个菜单栏，每一个栏目下又有许多选项，对应着不同的功能，这在后续讲解中将会结合例子解释。菜单下面的一个个按键为常用的一些选项的快捷键；中间的窗口是镜头数据编辑器（lens design editor，LDE），是我们进行透镜设计的主要场所。 2.点击菜单中的文件，确认zemax处于序列模式下工作。
Zemax 中有两种模式：序列与非序列。两种模式均可进行设计，但侧重点有所不同，我们学习的目的是借助于像差分析对所设计的透镜进行优化，这是序列模式的功能，因此设计的第一步即是确认所选的模式为序列模式。 3.在例子一中我们要设计一个F/4，焦距为100mm 的透镜。F 数的定义为焦距与光阑的比值，所以此透镜的口径即为25mm 。点击系统，选择通用数据： 在弹出的窗口中选择口径（aperture ），在口径类型处选择入瞳直径，数值输入25mm 。 4.点击系统，选择光波长
勾选三个波长并如图中输入，或者直接在下方列表中选择可见光所代表的F, d ，C 三个波长；选择2号波长作为主波长。 5.下一步，我们要在LDE 中输入我们设计的透镜的参数。 LDE 初始有三个面：物面（OBJ ）、光阑面（STO ）、像面（IMA ）。我们设计的单透镜，除了物面像面之外，应该有两个面，所以在LDE 中要插入一个面：
点选到LDE的第1行（LDE中物面定义为第0行），在点击编辑中的后插入。 LDE中每一行代表一个面，主要参数有半径、厚度、玻璃材质、半口径等。物面（第0面）的半径默认设置为无穷（Infinity），厚度也同样为无穷，即光源到第一个面的距离无穷远，所以光源为平行光。 第1、2面共同构成我们所要设置的透镜，根据设计要求，在两个面的半径处分别输入100mm、-100mm。Zemax中规定圆心在面的右边半径为正，在左边则为负。厚度定义为当前面到下一面的距离，所以在第1面处厚度即为透镜厚度，输入4mm，第2面则输入100mm，即透镜到像面的距离。在玻璃材质处，同样的，指的是当前面到下一面之间的材质为什么，空白为空气。在第1面的Glass 处输入BK7。 6.点击分析——草图——2D图：
zemax 的操作数
zemax 的操作数 管理提醒: 本帖被中华卫星设置为精华(2009-12-04) 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） 30. TRCY像面子午像差”Y”向（质心基准） 31. DISG 广义畸变百分数 32. FCGS 弧矢场曲
ZEMAX操作步骤
Analysis menu: Layout, ISO Element Drawing I. ISO组件图 ( ISO Element Drawing ) : 能建立供光学制造商使用的表面、 单透镜、双胶合透镜的ISO 10110制图。 Fig.1 在Analysis…Layout中选择ISO Element Drawing II. 设定 ( Settings ) : 对ISO组件图做设定。 Fig.2 在ISO Element Drawing的分析图形中点选Settings
◎ 显示为 ( Show as )：Surface : Singlet : Doublet :
Note: 以上所显示的图形为下图镜头所圈选的部分。 Analysis menu: Layout, NSC 3D Layout I. NSC三维外形图 ( NSC 3D Layout ) : 绘制非序列组件NSC的光源和物体的 三维外形图。 Fig.1 在Analysis…Layout中选择NSC 3D Layout (需在NSC with ports或NSC without ports的模式下才可使用) II. 设定 ( Settings ) : 对NSC三维外形图做设定。
Fig.2 在ISO Element Drawing的分析图形中点选Settings ◎ 光线筛选器 ( Filter ) : H10 : 只画出入射到物体10上的光线。 M10 : 只画出入射到物体10之外的光线。
R4 : 只画出由物体4反射的光线。 R1&H10 : 只画出由物体1反射和入射到物体10上的光线。 Analysis menu: Layout, ZEMAX Element Drawing I. ZEMAX组件图 ( ZEMAX Element Drawing ) : 能建立供光学制造商使用的表 面、单透镜、双胶合透镜或三胶合透镜的机械制图。
zemax像差知识总结
一、zemax的spot diagram的看图方式说明 光学设计程序zemax中有个很常用的评测光学系统质量的分析工具－spot diagram，中文翻译就是点图，借助它可以形象的对光学系统成像进行很好的描述。这里写下本人对spot diagram的体会和认识。可以通过多种方式在zemax中显示点图，方式一：直接点击在屏幕菜单工具栏中的“Spt”按钮；方式二：选择菜单Analysis-Spot Diagrams-Standard。 点图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。换句话说，它就是通过计算，把一系列物方的点通过光学系统以后，成像在IMA 面上的情况给实际绘制出来。 为了表现方便，它可以选择一系列预定的模板形式，具体来说，比如一个在轴上的点，从无限远成像到IMA面上，zemax就模拟在无限远有若干个发光点，这些点平行射入入瞳，然后经过光学系统，最后成像在IMA面上。显然如果光学系统是完美的光学系统，那么这些点成像点为一个理想的点。 但对于实际的光学系统，就会成像为一个弥散斑。那么这个弥散斑在IMA面上的像，就是Spot Diagram。同理，在非轴上点，也可以参照主光线的角度和位置，形成一系列的发光点，经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。 如何通过spot diagram看光学设计的质量，简单说，这个弥散斑越小越好。如果你发现弥散斑足够小，满足你对光学系统最小弥散斑的要求（spot diagram的单位是微米）那么你的光学系统就完全可以
进行实际的加工了。换句话说，就是你的光学系统已经可以设计完成了。 如何才知道你的光学系统足够的好？这里有个参考，就是airy 斑的参考。airy斑是物理光学的一个概念。它指出在形成的弥散斑直径在 2.44*F*(主波长)以内的时候，该光学系统可以认为是理想（完美）光学系统。这样当你在spot diagram图中，在setting菜单中，设置显示airy斑。然后发现你的点图完全都在airy斑环之内，你就可以认为你的光学系统设计已经完美。 但实际上，很少有光学系统，可以满足符合airy斑直径的要求。那么说明你的光学系统有像差。究竟是哪种像差在起主要作用？主要的像差有，球差，慧差，像散，场曲，畸变。 这些像差在spot diagram上的表现各不相同。但由于一个光学系统通常是各种像差的混合。因此需要你对spot diagram的形状进行判断。确认是主要是哪种像差，然后通过修改玻璃，或者曲率以及光阑的位置等加以调整。 在spot diagram中还有几个参数可以参考，RMS RADIUS，均平方根半径是一个重要的半径参数，它是弥散斑各个点坐标，参考中心点，进行的坐标平方和后，除以点数量，然后开方的值，这个值的半径可以反映一个典型的弥散斑的大小，但它不是全部弥散斑的直径，全部弥散斑的直径是GEO RADIUS。RMS RADIUS是重要的反映弥散质量的参数，它和在优化中，MF的值极大的吻合。(就是说MF的某个视场最后值就是RMS的半径)
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 绝对值 ACOS: Arccosine AMAG: Angular magnification 角放大率 ANAR: Angular aberration ASIN: Arcsine ASTI: Astigmatism初级像散 ATAN: Arctangent AXCL: Axial color BLNK: Blank BSER: Boresight Error COGT: Conic greater than COLT: Conic less than COMA: Coma 初级彗差 CONF: Configuration # CONS: Constant 常量 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