ZEMAX光学设计软件操作说明详解_光学设计

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0.0X，0.0Y），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：

tanθx=l/n

tanθy=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, Px2＋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=-0.5，Hy=0.4）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11.66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：

nsinθ=n’sinθ’

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/(2ntanθ)

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0.1。

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+Px(1-VCX)

Py’=VDY+Px(1-VCY)

然后，已经缩放平移的坐标通过渐晕角度进行旋转：

Px“= Px’cosθ－Py’sinθ

Py“= Px’sinθ＋Py’cosθ

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。

渐晕系数在有没有光线瞄准定位时都可以设定，如果不进行光线瞄准定位，则按照上述公式，在近轴入瞳面上对孔径进行重描；如果进行光线瞄准定位，则在光阑面上进行重描。

渐晕系数可以代替光线瞄准应用于计算光瞳象差。这对于广角系统来说，可以加快光线追迹的速度。

渐晕系数可以在“视场数据”对话框中定义。详见“系统菜单”这一章。渐晕系数也可以是一个变焦参数，参见“多重结构”一章。要获得渐晕系数作为设计工具的更详细的使用方法，可参考第一章中提到的任意一本书。

波长数据

波长数据通常在当前系统温度、气压条件下进行测量，以微米为测量单位。默认系统温度为20摄氏度，空气压力为一个大气压。如果系统温度和、或者气压改变了，或者由多重结果操作数所控制，必须注意相应调整新的温度和气压下的波长。

波长数据在“波长数据”对话框中输入，参见“波长”部分说明。

波长数据通常在当前系统温度、气压条件下进行测量，以微米为测量单位。

工作F/#

工作F/#定义为：

W=1/(2nsinθ)

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】

zemax自聚焦透镜设计

目录 摘要................................................................ I Abstract........................................................... II 绪论. (1) 1 自聚焦透镜简介 (2) 1.1自聚焦透镜 (2) 1.2 自聚焦透镜的特点 (2) 1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3) 2 自聚焦透镜的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6) 3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8) 3.1 确定透镜模型 (8) 3.2 设置波长 (8) 3.3数值孔径设定 (9) 3.4 自聚焦透镜光路 (9) 4 优化参数 (10) 4.1光线相差分析 (10) 4.2聚焦光斑分析 (12) 4.3 3D模型 (12) 结束语 (13) 致谢 (14) 参考文献 (15)

摘要 本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。 关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直

Abstract This article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation

zemax实例

课程1：单透镜（a singlet） 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），确定厚度求方法和变量，进行简 单的优化。 假设需要设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃，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（你工作的场所）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。 1、基本设置：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）”---“通用配置（general）”----“单位units”，先确定单位。再选择“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0.486，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0.587，最后在第三行输入0.656。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0.486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。“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。 选择“系统（System）”---“视场（fields）”----“角度”将X、Y都设为零。表示光线平行于主光轴入射。 2、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”---“通用配置（General）”---“aperture（孔径）”输入“光圈数值”：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。 3、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。

ZEMAX光学设计报告

光学设计报ZEMA 一、设计目 通过对设计一个双胶合望远物镜，学zema软件的基本应用和操作 二、设计要 的双胶合望远物镜，且相对孔径1:1设计一个全视场角1.56°，焦距1000m=13.6m要求相高三、设计过 1双胶合望远物镜系统初始结构的选 1.选 由于该物镜的全视场角较小，所以其轴外像差不太大，主要校正的像差有球差、正弦差 位置色差。又因为其相对孔径较小，所以选用双胶合即可满足设计要求。本系统采用紧 型双胶合透镜组，且孔径光阑与物镜框相重合 1.确定基本像差参 根据设计要求，假设像差的初级像差值为零，即球；正弦；位置色s 由此可得基本像差参量。那么按初级像差公式可F 1.冕牌玻璃在前0.0.80.0.8火石玻璃在前 0.008因为没有指定玻璃的种类，故暂选用冕牌玻璃进行计1.选定玻璃组 鉴玻璃的性价比较好，所以选作为其中一块玻璃。查表发现0.00 0.030.008Z组合，此时对应最接近的组合。此系统选 Z组合 的折射的折射0.038311.6721.516Z 1.74.284070.0609 2.009402.4 求形状系1.

考虑到任何实际的透镜组总是有一定的厚度，因此需要把薄透镜组转换成后透镜组 100m1/110m。选用压圈方式根据设计要，则通光口 3.m，由此可求得透镜组定透镜组，该方式所需余量由《光学仪器设计手册》查得103.m外径 对于凸透镜而言；假分别为球面矢高为折射球面曲率半径为透镜外径如图所示， 由上式可求。将所求的的结果代入下式中可求得凸透镜最小2.62.1 缘厚103.4.88.m11 利用下式可求得凸透镜的最小中心厚 m10.01.02.611.6 对于凹透镜而言：先求，再代入下式中可求得凹透镜最小边缘厚1.0.02.6103.11.6m11利用下式可求得凹透镜的最小中心厚不变的条件下进行薄透镜变换成后透镜时，应保

(整理)各种光学设计软件介绍-学习光学必备-peter.

光学设计软件介绍 ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Sequential及Non-Sequential的软件。版本等级有SE：标准版，XE：完整版，EE：专业版（可运算Non-Sequential），是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。ZEMAX的主要特色：分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG．．．等，也可存成文字文件*.txt；优化：表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用；公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义；报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。 CODE V是Optical Research Associates推出的大型光学设计软件，功能非常强大，价格相当昂贵CODE V提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。是世界上应用的最广泛的光学设计和分析软件，近三十多年来，Code V进行了一系列的改进和创新，包括：变焦结构优化和分析；环境热量分析；MTF和RMS波阵面基础公差分析；用户自定义优化；干涉和光学校正、准直；非连续建模；矢量衍射计算包括了偏振；全球综合优化光学设计方法。 CODE V是美国著名的Optical Research Associates（ORA?）公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。自1963年起，该公司属下数十名工程技术人员已在CODE V程序的研制中投入了40余年的心血，使其成为世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件，为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广泛采用1994年，ORA公司聘请北京理工大学光电工程系为其中国服务中心。与国际上其它商业性光学软件相比，CODE V的优越性突出地表现在以下几个方面： 1．CODE V可以分析优化各种非对称非常规复杂光学系统。这类系统可带有三维偏心或倾斜的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元光学面、复杂非球面、以及用户自己定义的面型；梯度折射率材料和阵列透镜等等。程序的非顺序面光线追迹功能可以方便地

光学设计软件Zemax汉语翻译及软件操作说明

第一部分Zemax基本术语的汉语翻译 近轴光线（Paraxial Rays）; 镜头数据(Lens Data); 插入或删除面数据(Inserting and deleting surfaces); 输入面注释(Entering surface comments); 输入半径数据(Entering radii data); 输入厚度(Entering thickness data); 输入玻璃数据(Entering glass data); 输入半口径数据(Entering semi-diameter); 输入二次曲面数据(Entering conic data); 输入参数数据(Entering parameter data); 确定光栏面(Defining the stop surface); 选择面型(Selecting surface types); 各面通光口径的确定(Specifying surface apertures); 用户自定义口径和挡光(User defined apertures and obscurations); 到达表面和从表面射出的光线的隐藏(Hiding rays to and from surfaces); 设置和撤销求解(Setting and removing solves); 光圈类型（Aperture Type); 入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）; 像空间F/# （Image Space F/#）; 物空间数值孔径（Object Space Numerical Aperture）物空间边缘光线的数值孔径（nsinθm）; 通过光栏尺寸浮动（Float by Stop Size）; 近轴工作F/#（Paraxial Working F/#）; 物方锥形角（Object Cone Angle）; 光圈值（Aperture Value); 镜头单位（Lens Units）; 玻璃库（Glass Catalogs）; 光线定位（Ray Aiming）; 使用光线定位贮藏器（Use Ray Aiming Cache）; 加强型光线定位（慢）（Robust Ray Aiming （slow）;

使用ZEMAX设计的典型实例分析

使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 武汉光迅科技股份有限公司宋家军（QQ：41258981）转载并修改 摘要 光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。 简介 ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout) 一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。 根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。 “序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。 大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。

ZEMAX光学设计讲义

实验一：单镜头设计(Singlet) 实验目的： 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data） 3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤： 1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波长为可见光， 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它 是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。 3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data， 键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第 二、三行键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587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。 4、确定透镜的孔径大小。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，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue上键入25，然后点击ok。 5、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即孔径光阑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)，于是点击IMA栏，选取insert，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。 6、输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接键入BK7即可。 7、孔径的大小为25mm，则第一镜面合理的thickness为4，在STO列中的thickness栏上直接键入4。 Zemax的默认单位是mm 8、确定第1及第2镜面的曲率半径，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。再令第2面镜的thickness为100。

光学设计软件zemax study

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 整个福尔摩沙卫星二号「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，执行简单光学设计优化。 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。

ZEMAX单透镜设计例子详细(多图)

ZEMAX单透镜设计例子，单透镜是最简单的透镜系统了，这个例子基本是很多ZEMAX教程开头都会讲的。 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。 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： ?Aperture Type：Entrance Pupil Diameter ?Aperture Value：25 mm

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。

【ZEMAX光学设计软件操作说明详解】2 中

评价函数的修改 用户可以修改评价函数。为了改变评价函数，在主菜单栏中选择编辑， 评价函数。可以使用插入或删除键来添加新的操作数或者删除一些操作 数。通过选择工具，更新，可以更新当前评价函数值和每个操作数的值。 操作数的设置过程是在第一列中键入名称，然后在余下的数据域中填 入数据。定义一个操作数可能需要八个数据域： Int1,Int2,Hx,Hy,Px,Py,目标值，和权重。Int 的值是一个整数参量， 它的含义依赖于选择的操作数。通常，Int1 是表面指标，Int2 是波长 指标，但不一定总是这样。不是所有的操作数都使用所有提供的数据域。 对于那些使用Int1 来指出表面编号的操作数，这个参数说明了在哪个 表面上求出对象的值。同样的，当Int2 被用作波长指示符时，它说明了 将使用那种波长。Int2 必须是等于波长编号的整数值。参数Int1和Int2 还有其他的用途，如下所述。 许多操作数要使用Hx，Hy，Px，和Py；它们是归一化的视场和光瞳坐 标（参见“约定和定义”一章中的“归一化的视场和光瞳坐标”部分）。 注意ZEMAX 不会通过检查来判断指定的Hx、Hy、Px 和Py坐标是否在单位圆之内。例如，一个坐标为（1，1）的光瞳实际上是在入瞳的外面，但 当追迹那些光线时，除非这些光线在几何上不能被追迹，否则不会出现 错误信息。 目标值是想要指定参数达到的值。将目标值和操作数值的差值平方， 总计所有操作数的这个值来产生评价函数值。目标值和操作数值本身是 不重要的，重要的是两者的差值。差值越大，其对评价函数的贡献就越 大。 权重对于哪个参数也是相当重要的。除了在特殊情况下用-1 外，权重

光学系统设计zemax初级教程

光学系统设计（Zemax初学手册） 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和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和「红色精灵」计划，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿和独立检验，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）和后续更多的习作和文件，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

ZEMAX光学设计报告材料

ZEMAX 光学设计报告 一、设计目的 通过对设计一个双胶合望远物镜，学会zemax 软件的基本应用和操作。 二、设计要求 设计一个全视场角为1.56°，焦距为1000mm ，且相对孔径为1:10的双胶合望远物镜，要求相高为y`=13.6mm 。 三、设计过程 1.双胶合望远物镜系统初始结构的选定 1.1选型 由于该物镜的全视场角较小，所以其轴外像差不太大，主要校正的像差有球差、正弦差和位置色差。又因为其相对孔径较小，所以选用双胶合即可满足设计要求。本系统采用紧贴型双胶合透镜组，且孔径光阑与物镜框相重合。 1.2确定基本像差参量 根据设计要求，假设像差的初级像差值为零，即球差0'0=L δ；正弦差0'0s =K ；位置色差 0'0=FC l δ。那么按初级像差公式可得0===∑∑∑I I I I C S S ,由此可得基本像差参量为 0===I ∞ ∞C W P 。 1.3求0P )(() ?? ?? ?+-+-=∞∞∞∞ 火石玻璃在前时 冕牌玻璃在前时 2 2 02.085.01.085.0W P W P P 因为没有指定玻璃的种类，故暂选用冕牌玻璃进行计算,即0085.00-=P 。 1.4选定玻璃组合 鉴于9K 玻璃的性价比较好，所以选择9K 作为其中一块玻璃。查表发现当000.0=I C ,与 0085.00-=P 最接近的组合是9K 与2ZF 组合，此时对应的038.00=P 。此系统选定9K 与

2ZF 组合。 9 K 的 折 射 率 5163 .11=n ， 2 ZF 的折射率 6725 .12=n ， 038319.00=P ,284074.40-=Q ,06099.00-=W ，009404.21=?，44.2=A ,72.1=K 。 1.5求形状系数Q 一般情况下，先利用下式求解出两个Q 的值： A P P Q Q 00-±=∞ 再与利用下式求的Q 值相比较，取其最相近的一个值： ) (1 20 0+-+ =∞ A P W Q Q 因为 0P P ≈∞ ，所以可近似为284074.40-==Q Q ,06099.00-==∞ W W 。 1.6求归一化条件下的透镜各面的曲率 ()()?????????-=--+-==-=-+=+===-+-?=+-==77370.011 1127467 .2284074.4009404.21 61726.1284074.415163.1009404 .25163.111221233 12211111n Q n n r Q r Q n n r ?ρ?ρ?ρ 1.7求球面曲率半径 ???? ?????-=-='=-=-='==='=491.129277370.01000 624.43927467.21000330.61861726.110003322 11ρρρf r f r f r 1.8整理透镜系统结构数据 视场0136.0tan -=ω（负号表示入射光线从光轴左下方射向右下方），物距-∞=L （表示物体在透镜组左侧无穷远处），入瞳半径mm h 50=，光阑在透镜框上，即入瞳距第一折射

光学设计软件Zemax在《工程光学》课程教学中 的应用

Advances in Education教育进展, 2019, 9(2), 108-112 Published Online March 2019 in Hans. https://www.sodocs.net/doc/9b9820769.html,/journal/ae https://https://www.sodocs.net/doc/9b9820769.html,/10.12677/ae.2019.92023 Application of Optical Design Software Zemax in Engineering Optics Course Teaching Yiqing Cao*, Zhijuan Shen, Zhixia Zheng School of Mechanical and Electronic Engineering, Putian University, Putian Fujian Received: Feb. 12th, 2019; accepted: Feb. 26th, 2019; published: Mar. 5th, 2019 Abstract Engineering Optics course is the core course of the control technology and instrument, and has the characteristics of more formulas and fairly theoretical; it plays a very important role in the pro-fessional learning. The traditional method of teaching of the course pays attention to the deriva-tion of the formula and the explanation of the abstraction, and thus students have a great difficulty in understanding and mastering. In order to adapt to the transformation of the university to the practical undergraduate university, and train the professional talents with strong practical ability and self-study ability, Zemax software is applied to the process of the explaining the important knowledge of Engineering course. According to the method of Zemax software simulation, the students’ understanding of optical knowledge and the practical application ability of the know-ledge are improved, and improve the teaching quality and meet the training goal of the practical talents. Keywords Zemax, Engineering Optics, Practical Talents, Aberration 光学设计软件Zemax在《工程光学》课程教学中的应用 曹一青*，沈志娟，郑志霞 莆田学院机电工程学院，福建莆田 收稿日期：2019年2月12日；录用日期：2019年2月26日；发布日期：2019年3月5日 *通讯作者。

使用ZEMAX设计的典型实例分析

使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 摘要 光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。 简介 ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout) 一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。 根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。 “序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。

大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。 序列性系统需定义视场角(field of view)、波长范围（wavelength range）和表面数据（surface date）。序列性设计的最重要参数之一，为系统孔径(system aperture)。系统孔径，常指入瞳(entrance pupil) 或孔径光栏（STO），它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。光学表面可以是折射、反射或绕射。透镜可以是由均匀或渐变折射率材质所制成。表面的下弯(sag) 可以是球面、圆锥面(conic)、非球面(aspheric)或藉由多项式或其它参数函数