zemax基本介紹和操作

1、ZEMAX 基本介紹和操作王寧Ray Tracing重慶大學(xué) - 光學(xué)CADSequential以surface為對象建模指定光線和面相交的順序光線與每個面只相交一次光線不會分光鏡面反射光線不能超過臨界角通過孔徑外的光線必須漸暈surface 位置由前一個面確定每個面都有物空間和像空間計算的光線少，計算速度快可進(jìn)行優(yōu)化和公差分析Non-sequential以object為對象建模不限制光線和相交的順序光線與同一面或物可多次相交光線會分裂鏡面反射和漫反射可以是全反射在object外的光線也進(jìn)行追跡object的位置由全局坐標(biāo)確定所有空間是等價的分析的光線多，計算速度慢不能做優(yōu)化和公差分析Ray

2、Tracing重慶大學(xué) - 光學(xué)CADSequentialNon-sequentialZEMAX 用戶界面重慶大學(xué) - 光學(xué)CADZEMAX主視窗主視窗重慶大學(xué) - 光學(xué)CAD標(biāo)題欄標(biāo)題欄菜單欄菜單欄工具欄工具欄狀態(tài)欄狀態(tài)欄ZEMAX用戶界面類型ZEMAX有有4種主要類型的用戶界面種主要類型的用戶界面： Editors:定義和編輯光學(xué)面和其他數(shù)據(jù)； Graphic windows：顯示圖形數(shù)據(jù)； Text windows：顯示文本數(shù)據(jù)； Dialog boxes：編輯和回顧其他窗口或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，或者報告錯誤信息等。編輯視窗（Editor Window）重慶大學(xué) - 光學(xué)CAD 6種不同的編輯器

3、（Editors）： 鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（Lens Data Editor），評價函數(shù)編輯器（Merit Function Editor）、多重組態(tài)編輯器（Multi-configuration Editor）、公差數(shù)據(jù)編輯器（Tolerance Data Editor）、用于補充光學(xué)面的附加數(shù)據(jù)編輯器（Extra Data Editor）、以及非序列元件編輯器（Non-sequential Components Editor）。圖形視窗（Graphic Window）重慶大學(xué) - 光學(xué)CADl最常用的有草圖（Layout）、扇形圖（Ray fans）、點列圖（spot Diagram）調(diào)制傳遞函

4、數(shù)（MTF Plots）圖等。文本視窗（Text Windows）重慶大學(xué) - 光學(xué)CADl 設(shè)計的文字資料，如詳細(xì)數(shù)據(jù)（Prescription Data）、像差數(shù)據(jù)等顯示在文本視窗中。對話框（Dialogs）重慶大學(xué) - 光學(xué)CADl固定大小，在過程中跳出來的視窗（鼠標(biāo)拖曳不能改變大?。﹍用于定義或更新視場（Fields）、波長（Wavelengths）、孔徑（Apertures）、面型（Surface types）等。多視窗同時顯示重慶大學(xué) - 光學(xué)CAD菜單欄重慶大學(xué) - 光學(xué)CAD文件（文件（File） 展開后有文件的打開（Open），新建（New），存儲（Save），另存為（Sav

5、e as）等，偏好（偏好（Preference）可以修改文字大小，快捷按鈕和狀態(tài)欄中的內(nèi)容）可以修改文字大小，快捷按鈕和狀態(tài)欄中的內(nèi)容。編輯器（編輯器（Editors） 欄中包括ZEMAX中所有編輯器命令，展開后可打開Lens data editor，Merit function editor。系統(tǒng)（系統(tǒng)（System） 定義或更新光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性數(shù)據(jù)，例如相對孔徑、視場和選取的工作波長等。分析（分析（Analysis） 它是它是ZEMAX中的非常重要的菜單之一，是用來進(jìn)行像質(zhì)評價和分析的主要工具中的非常重要的菜單之一，是用來進(jìn)行像質(zhì)評價和分析的主要工具，對于其中的每一項的數(shù)據(jù)的含義，單位要

6、很好地理解。主要有：Fans中的光線像差（Ray aberration），點列圖（Spot diagrams）、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、點擴散函數(shù)（PSF）、波像差（Wavefront）、圓內(nèi)能量集中度（Encircled Energy）；雜項（Miscellaneous）中的場曲與畸變（Field Curv/Dist）、軸向球差（Longitudinal aberration）和垂軸色差（Lateral Color）。菜單欄重慶大學(xué) - 光學(xué)CAD工具（工具（Tools） 也是ZEMAX中的非常重要的菜單之一，分成七塊：第一塊用來進(jìn)行光學(xué)鏡頭的局部優(yōu)化（Optimization）、全局優(yōu)化（

7、Global / Search /Hammer Optimization）等；第二塊分析鏡頭的公差，計算傳遞函數(shù)的點列圖，波差等變化量表。第三塊是材料選擇材料選擇，有察勘玻璃庫或向庫中新增添或刪除玻璃條目，尋找簡單的透鏡數(shù)據(jù)并插入到透鏡數(shù)據(jù)編輯器中。第四塊是鍍膜模型鍍膜模型。第五塊是系統(tǒng)中系統(tǒng)中鏡頭的孔徑的定義鏡頭的孔徑的定義，可以與漸暈系數(shù)配合共同使用。第六塊主要用來整體設(shè)計整體設(shè)計(1)按按焦距或放大率縮放當(dāng)前系統(tǒng)焦距或放大率縮放當(dāng)前系統(tǒng)；(2)在當(dāng)前系統(tǒng)中加入或刪除折轉(zhuǎn)發(fā)射鏡。第七塊以后討論。報告（報告（Report）形成鏡頭設(shè)計結(jié)果的報告，可以作為每一個光學(xué)面的形成報告（光學(xué)面的形成報

8、告（Surface data）；也能為鏡頭系統(tǒng)形成高斯參數(shù)或光學(xué)特性參數(shù)的報告（System data）；還可以給出設(shè)計結(jié)果的詳細(xì)數(shù)據(jù)報告（Prescription data）。菜單欄重慶大學(xué) - 光學(xué)CAD宏編程（宏編程（Macros）執(zhí)行已經(jīng)編譯好的宏程序。宏程序的編程過程：（1）使用一般的文本編輯器或使用ZEMAX自身的編輯功能創(chuàng)建擴展名為“*.ZPL”文件，該文件置于ZEMAX目錄下的Macros目錄中；（2）使用ZEMAX提供的命名或函數(shù)庫進(jìn)行程序編寫；（3）用Macros菜單下的“Run/Edit Zpl Macros”執(zhí)行宏程序。宏程序可以提取光線追跡數(shù)據(jù)、像質(zhì)指標(biāo)等，可以定義新

9、的優(yōu)化設(shè)計用的操作符。執(zhí)行時，宏程序作用的對象是當(dāng)前顯示的鏡頭系統(tǒng)。外部程序接口（外部程序接口（Extensions）ZEMAX環(huán)境中，使用該接口可以執(zhí)行外部擴展名為“*.EXE”的執(zhí)行程序，用來與ZEMAX交換數(shù)據(jù)，或ZPL宏不能完成的功能。外部程序可以用C語言等編程工具完成。視窗（視窗（Windows）幫助（幫助（Help）LDE編輯器重慶大學(xué) - 光學(xué)CAD物面透鏡組像面入瞳 物面（OBJ） 入瞳（STO） 透鏡組（Radius、Thickness、Glass） 像面（IMA）孔徑設(shè)置(EPD)Entrance Pupil Diameter（入瞳直徑）：（入瞳直徑）：可用來直接確定進(jìn)入系

10、統(tǒng)的光束直徑的大小，適用于大多數(shù)無限共軛系統(tǒng)無限共軛系統(tǒng)。如果將孔徑類型設(shè)置為：如果將孔徑類型設(shè)置為：Entrance Pupil Diameter，那么無論如何改變光，那么無論如何改變光闌的位置，都不影響進(jìn)入系統(tǒng)的光束，并且透鏡闌的位置，都不影響進(jìn)入系統(tǒng)的光束，并且透鏡的半徑（的半徑（Semi-Diameter）應(yīng)設(shè)置為）應(yīng)設(shè)置為“自動自動”，由設(shè)置的入瞳直徑自動調(diào)整。由設(shè)置的入瞳直徑自動調(diào)整。Image Space F#（像空間（像空間F數(shù)）：數(shù)）：用于直接確定像空間的F數(shù)值，當(dāng)系統(tǒng)焦距已知的情況下，可同入瞳直徑相互轉(zhuǎn)換。Object Space NA(物空間數(shù)值孔徑物空間數(shù)值孔徑)：常用

11、于有限共軛系統(tǒng)，如：顯微系統(tǒng)、投影系統(tǒng)等，通過直接定義物點發(fā)光角度約束進(jìn)入系統(tǒng)的光束大小。Float By Stop Size(隨光闌尺寸漂移隨光闌尺寸漂移)：用于系統(tǒng)中孔徑光闌固定的情況，如有的系統(tǒng)光闌大小為定值，可使用這種類型來計算入瞳的大小。System-General-Aperture波長設(shè)置 System-wavelength 目視光學(xué)系統(tǒng)目視光學(xué)系統(tǒng) F光（ 486.3nm）和C光（ 656.28nm）計算和校正色差，對D光（ 587.56nm ）校正單色像差場設(shè)置System-fields Angle(Deg)：角度，直接設(shè)定物方光束主光線與光軸的角度，多用于無限共軛平行光條件下

12、（物處于無限遠(yuǎn)處）；在在zemax視場（視場（fields）設(shè)置中，角度一般在設(shè)置中，角度一般在y-fields中設(shè)中設(shè)置具體角度值，同時置具體角度值，同時x-fields設(shè)置設(shè)置為為0，其也對應(yīng)子午面中的夾角，其也對應(yīng)子午面中的夾角，同理在同理在x-fields中設(shè)置具體角度值，中設(shè)置具體角度值，同時同時y-fields設(shè)置為設(shè)置為0，其對應(yīng)弧矢，其對應(yīng)弧矢面。面。Object Height:物高，設(shè)定被成像物體的尺寸大小，此時系統(tǒng)必須為有限共軛才可用（物距非無限遠(yuǎn)）。大多有限遠(yuǎn)物體成像系統(tǒng)常用這種視場類型。Para. Image Height： 使用近軸光束定義系統(tǒng)成像的像面大小，當(dāng)設(shè)計的

13、系統(tǒng)有固定的像面尺寸時使用此類型Real Image Height：實際像高，同近軸像高類似，區(qū)別在于實際像高使用實際光線計算像面尺寸，考慮畸變影響。適用于大視場廣角系統(tǒng)。地址欄設(shè)置幾何像差曲線 光線特性曲線（Ray Fan） 子午和弧矢垂軸像差，它全面反映了細(xì)光束和寬光束的成像質(zhì)量它全面反映了細(xì)光束和寬光束的成像質(zhì)量。橫坐標(biāo)是光瞳的歸一化坐標(biāo)，縱坐標(biāo)是各個孔徑角的光線與像面交點的高度和主光線與像面交點高度的差值。點列圖點列圖 圖中的幾個圖分別表示給定的幾個視場上不同光線與像面交點的分布情況。使用點列圖，一要注意下方表格中的數(shù)值。 點列圖的均方根半徑值越小，成像質(zhì)量越好點列圖的均方根半徑值越小

14、，成像質(zhì)量越好。RMS半徑半徑 RMS半徑：先把每條光線和參考點半徑：先把每條光線和參考點之間的距離的平方，求出所有光線之間的距離的平方，求出所有光線的平均值，然后取平方根的平均值，然后取平方根 OPD fan圖圖 OPD fan：是光線的光程和主光線的光程之差其它像差曲線軸向球差場曲畸變倍率色差波長焦點偏移優(yōu)化方法優(yōu)化方法根據(jù)當(dāng)前存在的主要像差，選擇優(yōu)化方法進(jìn)行像差優(yōu)化p設(shè)置優(yōu)化過程中的變量設(shè)置優(yōu)化過程中的變量 (solve)p設(shè)計優(yōu)化函數(shù)設(shè)計優(yōu)化函數(shù)（Merit Function）p執(zhí)行優(yōu)化過程執(zhí)行優(yōu)化過程（optimization）重慶大學(xué) - 光學(xué)CAD設(shè)置優(yōu)化變量設(shè)置優(yōu)化變量Thic

15、kness solves Marginal ray height:定位像平面（常用控制近軸邊緣光線在后一個面上的高度，使像面處在近軸焦點上）；還可以約束特定的光束； Chief ray height:定位pupil plane（近軸主光線高度）。可以將光學(xué)面移到瞳面上；（應(yīng)用：1、它可以將參考面固定地處在pupil上，2、定位入、出瞳）； Edge thickness:控制二個面之間的距離，使其在半徑為某個值處為規(guī)定的值?？梢员苊膺吘壓穸葹樨?fù)或邊緣太尖銳； Pick up：使這個面的thickness值隨指定的面按一定規(guī)律變化；（主要用于：double pass system, endoscopes,relay lens等包含多個相同元件的系統(tǒng)中）優(yōu)化函數(shù)重慶大學(xué) - 光學(xué)CAD優(yōu)化函數(shù) Merit Function RMS+Spot Radius+Chief Ray: 像面上各條光線與主光線的均方根差值最小優(yōu)化函數(shù)重慶大學(xué) - 光學(xué)CAD Default Merit Function 缺省的光線評價計算出來的是一個總量；缺省的光線評價計算出來的是一個總量； 好處：使光線