zemax教程-課件

1、ZEMAX軟件培訓(xùn)教程steven:steven:國(guó)內(nèi)外光學(xué)設(shè)計(jì)軟件情況國(guó)內(nèi)情況： 北京理工大學(xué)(SOD)，南京理工大學(xué)等自編光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。國(guó)外情況： Optical Research Associates: Code V Lambda: OSLO等。ZEMAX已經(jīng)成為當(dāng)今使用最普遍的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 市場(chǎng)占有率：8085% 全球已經(jīng)銷售了兩萬(wàn)多套 臺(tái)灣已經(jīng)銷售600多套 大陸已經(jīng)有300多套，知道和需要購(gòu)買者越來(lái)越多市場(chǎng)應(yīng)用 應(yīng)用范圍：傳統(tǒng)相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、內(nèi)窺鏡等光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)DVD、VCD讀寫頭投影系統(tǒng)，背投電視照明系統(tǒng)干涉儀LEDLaser diode光通信器件設(shè)計(jì)等等Zemax使用群NAS

2、A美國(guó)太空總署,Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室, U.S.Army軍隊(duì), HP, Motorola臺(tái)灣:電子所,中科院,大學(xué)以及掃描儀,相機(jī),望遠(yuǎn)鏡,投影機(jī)等制造商.大陸：光學(xué)、光電研究所，大學(xué)，光學(xué)公司，光學(xué)加工廠，從事光學(xué)鏡頭、條形碼、投影儀、背投影電視、光通信器件、VCD及DVD讀寫頭等的設(shè)計(jì)的公司。ZEMAX概述ZEMAX簡(jiǎn)介（I） Focus Software 公司產(chǎn)品光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)和光學(xué)系統(tǒng)分析軟件 版本有三個(gè)等級(jí)： ZEMAXSE(標(biāo)準(zhǔn)版) ZEMAXXE(完整版) ZEMAXEE(專業(yè)版) 每年有數(shù)次版本更新，可以到ZEMAX的網(wǎng)站或者訊技光電科技公司的網(wǎng)站上下載更新 .twZEMAX

3、簡(jiǎn)介（II） 界面友好，容易上手；資料豐富，既可以直接選擇，又可以自定義； 可建立反射、 折射、衍射及散射等光學(xué)模型； 可進(jìn)行偏振、鍍膜和溫度、氣壓等方面的分析 具有強(qiáng)大的像質(zhì)評(píng)價(jià)和分析功能； 豐富的資料庫(kù)，有現(xiàn)成的鏡頭和玻璃、樣板數(shù)據(jù)，可供用戶選擇； 大部分窗口都提供在線幫助,方便隨時(shí)獲取相關(guān)功能的在線解釋和幫助；系統(tǒng)要求WIN98，NT，2000，XP200Mb 以上的硬盤空間 最小的分辨率為：1024*768 一個(gè)并行口或者USB接口用來(lái)接KEY 64Mb以上內(nèi)存；如果進(jìn)行對(duì)象非常復(fù)雜、物理光學(xué)或散射和照明分析時(shí)，最低要求是256MB，最好是512MbWhat is ZEMAX ZEMA

4、X是一個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，它使用sequential和non-sequential的方法模擬refractive,reflective和diffractive光線追跡。ZEMAX用“surface”為sequential ray tracing建模；用“component”或solid object model為non-sequential ray tracing建模。 Purely sequential ： 傳統(tǒng)的鏡頭設(shè)計(jì)，和大多數(shù)成像系統(tǒng);Hybrid sequential/ non-sequential(aka NSC with ports) 同時(shí)有sequential組件和non-sequ

5、ential組件（如prism,pipe）的系統(tǒng); 用“ports”為光線進(jìn)入和離開NS group的出入口;Purely non-sequential(aka NSC without ports) 用于illumination,scattering,stray light analysis; 不用“ports”。Ray Tracing的3種方式（I）（1）Purely Sequential：用于傳統(tǒng)的透鏡成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)；以光學(xué)面（surface）為對(duì)象來(lái)構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng)模型；光線從物面開始（常為surface 0）按光學(xué)面的順序計(jì)算（surface 0,1,2），對(duì)每個(gè)光學(xué)面只計(jì)算一次；每個(gè)面都有

6、物空間和像空間；需要計(jì)算的光線少，計(jì)算速度快；可進(jìn)行analysis,Optimization及Tolerancing；Sequential system例子Ray Tracing的3種方式（II）（2）Hybrid sequential/non-sequential(aka NSC with ports)所有object都是3D shell or solids； 每個(gè)object都在一個(gè)空間坐標(biāo)系中定義了其特性；光線從input port進(jìn)入non-sequential group；從exit port 離開NS group；光線在NSC中一直追跡，直到它遇到下列情況才終止：NothingE

7、xit port能量低于定義的閾值。忽略NS group內(nèi)的光源和探測(cè)器；進(jìn)入NS group的光線的特性，由序列性的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如視場(chǎng)位置和瞳的大小等決定。NSC with ports system例子Ray Tracing的3種方式（III）（3） Purely Non-sequential(aka NSC without port)所有object都是3D shell or solids；每個(gè)object都在一個(gè)空間坐標(biāo)系中定義了其特性；需要定義光源的發(fā)光特性和位置，定義detector收集光線；光線一直追跡，直到它遇到下列情況才終止：Nothing，能量低于定義的閾值。計(jì)算時(shí)光學(xué)元件的相

8、對(duì)位置由空間坐標(biāo)確定；對(duì)同一元件，可同時(shí)進(jìn)行穿透、反射、吸收及散射的特性計(jì)算；無(wú)法作優(yōu)化及公差分析；這種情況下，可以對(duì)光線進(jìn)行分光，散射，衍射，反射，折射。NSC without ports system例子ZEMAX用戶界面ZEMAX用戶界面類型ZEMAX有4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(bào)告錯(cuò)誤信息等。ZEMAX Editors界面有很多種：Lens data editor: 基本的lens data，包括s

9、urface type, radius, thickness, glass,etc.Merit function editor:優(yōu)化時(shí)，定義和編輯merit function；Multi-Configuration editor：為變焦鏡頭和其它多重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)定義多重結(jié)構(gòu)參數(shù)；Tolerance Data editor：定義和編輯公差數(shù)據(jù)；Extra Data editor:需要很多參數(shù)的surface data的擴(kuò)展；Non-sequential component editor:定義和編輯NSC sources, objects, detectors。ZEMAX EditorsGraphic

10、 and Text 界面有些功能（如layout）只支持圖形，有些只支持文本（如Seidel像差系數(shù)），有的都支持（如fan plot）；如果二者都支持，一般先給出圖形輸出，如果需要顯示text的內(nèi)容，需要點(diǎn)一下菜單欄中的“Text”；Graphic and Text windows例子大部分圖形窗口都提供文本信息。Graphic and Text windows例子點(diǎn)Text菜單欄，可以看到圖形窗口中的文本信息。Graphics windows菜單功能Update：更新窗口中的數(shù)據(jù)；Setting：設(shè)置窗口的屬性；Print：打印窗口的內(nèi)容；Windows：Annotate：往圖形上加lin

11、es,boxes,text；Copy clipboard:將內(nèi)容拷貝到剪切板中；Export:將內(nèi)容轉(zhuǎn)換為WMF，EMF，JPG，BMP文件保存；Lock:鎖定窗口；Clone:Clone窗口；Aspect ratio:設(shè)置窗口的長(zhǎng)寬比；Active cursor:對(duì)圖形窗口顯示鼠標(biāo)所指位置的數(shù)據(jù)；Configuration:選擇要顯示哪個(gè)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)；Overlay：不同圖形重疊顯示；Text windows菜單功能Text:產(chǎn)生圖形所對(duì)應(yīng)的文本數(shù)據(jù)；Zoom:對(duì)圖形放大和縮小控制Update:更新窗口中的數(shù)據(jù)；Setting：設(shè)置窗口的屬性；Print：打印窗口的內(nèi)容；Windows:Cop

12、y clipboard:將內(nèi)容拷貝到剪切板中；Save: 保存ASCII TXT文件；Lock:鎖定窗口；Clone:Clone窗口；Configuration:選擇要顯示哪個(gè)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)；steven:Dialog boxesZEMAX的大部分圖形和文本窗口都包含有設(shè)置對(duì)話框。數(shù)據(jù)輸出 輸出到到剪貼板，可以再到其它windows應(yīng)用程序，如Excel等； 輸出到CAD程序：支持DXF，IGES，STEP，SAT格式。DXF：因?yàn)椴皇菢?biāo)準(zhǔn)格式，對(duì)其支持比較差一些；只有在wireframe的設(shè)定中才支持。IGES，STEP，SAT：真正的標(biāo)準(zhǔn)；可以輸出3D solids；可以輸出為lines;在T

13、ool菜單欄中。Session file的概念Session file ：在保存文件時(shí)，如果選擇Session file，則它包括lens file, 所有圖形和文本窗口，editors,它們?cè)谄聊簧系拇笮『臀恢?，及每個(gè)窗口的設(shè)置。此時(shí)，除了一個(gè)ZMX文件以外，還有一個(gè)SES文件。Lens DataLens data的組成Sequential lens data-Surface data:面的序號(hào);每個(gè)面的相關(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù);光學(xué)系統(tǒng)的孔徑;波長(zhǎng);視場(chǎng)。進(jìn)行優(yōu)化時(shí),還需要：變量;優(yōu)化函數(shù)。For NSC without port system,還需要：所有object的結(jié)構(gòu)參數(shù)和位置參數(shù);所有sou

14、rce和detector的特性參數(shù)和位置參數(shù);波長(zhǎng)。Surface data的組成The radius of curvature:面的曲率半徑，根據(jù)符號(hào)規(guī)則確定符號(hào)；The thickness of the surface:到下個(gè)面的相對(duì)距離，滿足符號(hào)規(guī)則（用local坐標(biāo)系）；The glass type of the surface:可以直接輸入玻璃的名稱，也可以輸入折射率和色散系數(shù)（如果是空氣，則為空格）；The semi-diameter of the surface(optional)：面的孔徑；Other data（parameter or extra data）:描述面形的參數(shù)。

15、Surface data的符號(hào)規(guī)則鏡頭數(shù)據(jù)（Lens Data）：曲率半徑、厚度、材質(zhì)和其他參數(shù)。各量符號(hào)規(guī)定：Thickness：從左到右距離為正，否則為負(fù)。+Surface Type（1）提供了近60種的光學(xué)曲面面形。主要類型有：平面、球面、標(biāo)準(zhǔn)二次曲面、非球面、光錐面、輪胎面、折射率漸變面、二元光學(xué)面、光柵(固定周期和變周期)、全息衍射元件、Fresnel透鏡、波帶片等。（2）還提供了User Defined Surface。用戶只需要按照它的語(yǔ)法規(guī)定，用C+語(yǔ)言編寫DLL文件與ZEMAX相連接就可以建立自己需要的面形。The system aperture它是很重要的一個(gè)參數(shù)，決定入瞳

16、的大小，它決定光學(xué)系統(tǒng)在物空間收集多少光線。System aperture typesEntrance Pupil Diameter(EPD):直接指定入瞳的大小；Image Space F/#:無(wú)限共軛像空間近軸F數(shù)（f/D,只用于物距無(wú)窮遠(yuǎn)）；Object Space Numerical Aperture：物空間邊緣光線的數(shù)值孔徑nsin（物在有限遠(yuǎn)處,保持N.A.為常數(shù)）；Float by Size：EPD的大小由光欄的半徑?jīng)Q定；Paraxial working F/#:像空間中定義的共軛近軸1/2ntan，忽略像差；Object Cone Angle:物空間邊緣光線的半角，最大可以達(dá)到

17、90度（物在有限遠(yuǎn)）。Field pointsZEMAX常常用點(diǎn)光源定義視場(chǎng)或物的大?。憾x了點(diǎn)光源以后，可以建立擴(kuò)展光源的模型；對(duì)每個(gè)系統(tǒng)最多可以定義12個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)。ZEMAX支持4種不同視場(chǎng)形式：Field angle:投影到入瞳上XZ和YZ平面上時(shí)，主光線與Z軸的夾角。大多用在無(wú)限共軛系統(tǒng)。Object height:物面上X，Y高度。大多用在有限共軛系統(tǒng)。（注：如果物面為曲面，則X，Y坐標(biāo)包含Z坐標(biāo)）Paraxial Image height:像面上的近軸像高。用于需要固定像的大小的設(shè)計(jì)中。（只用于近軸光學(xué)系統(tǒng)中）Real image height:像面上實(shí)際像高。用于需要固定frame

18、 size的設(shè)計(jì)中（如camera lenses）。Field points示例WavelengthsZEMAX對(duì)每個(gè)系統(tǒng)最多允許定義12個(gè)波長(zhǎng)。并且必須指定主波長(zhǎng)，根據(jù)不同波長(zhǎng)的重要性，權(quán)重可以不同。波長(zhǎng)的單位為微米。Variable parameters在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)置變量，ZEMAX會(huì)調(diào)整這些變量，以找到最佳設(shè)計(jì)結(jié)果。變量可以是任何量，包括radii, thicknesses, indices, V numbers, partial dispersions, conic constants, tilt angles, 甚至fields and wavelengths。Merit

19、 functions優(yōu)化函數(shù)是用來(lái)定義優(yōu)化控制目標(biāo)項(xiàng)目。它包括設(shè)計(jì)目標(biāo)，邊界條件和計(jì)算結(jié)果的總結(jié)。在優(yōu)化過(guò)程中，用merit function的值來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。Merit function由optimization operands組成，ZEMAX提供了200多個(gè)這樣的操作數(shù)，涵蓋了各種目標(biāo)控制條件。TolerancingZEMAX可以對(duì)光學(xué)面的參數(shù)和群組的參數(shù)進(jìn)行公差分析。它提供了二種公差分析模式：(1)sensitivity：給定結(jié)構(gòu)參數(shù)的公差范圍，計(jì)算評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的影響，(2)inverse sensitivity：給出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)量的允許變化范圍，反算出結(jié)構(gòu)參數(shù)的公差。結(jié)果報(bào)告可以給出

20、各種數(shù)據(jù)的結(jié)果報(bào)告，可以是圖形、曲線或表格的形式：(1)surface data(2)system data(3)prescription data(4)report graphic可以輸出零件圖、固體圖 或網(wǎng)格圖。可以輸出SAT/STEP/IGES 等文件格式。其他包含有很多公司的玻璃材料庫(kù)，可以進(jìn)行鍍膜分析，可以編輯薄膜，可以進(jìn)行熱分析，可以進(jìn)行偏振光計(jì)算，可以進(jìn)行物理光學(xué)分析和計(jì)算，可以進(jìn)行樣板比對(duì)。練習(xí)：Singlet目的：練習(xí)如何建立初始結(jié)構(gòu)、設(shè)定視場(chǎng)和工作波長(zhǎng)。題目：建立一個(gè)單透鏡，入瞳直徑為40mm，二個(gè)面的曲率半徑分別為50mm,-60mm，中心厚度為4mm視場(chǎng)0,7，10度波

21、長(zhǎng)：可見光玻璃材料：BK7SolvesWhat are solves?Solves 是ZEMAX中可以主動(dòng)調(diào)整特定值的功能。可以為 curvatures, thicknesses,glasses, semi-diameters, conics, and parameters等參數(shù)指定solve。 Solves的設(shè)置，只需要在希望放置solve功能的欄中點(diǎn)右鍵或雙擊左鍵就可以了。Solves的應(yīng)用有很多：Maintaining F/#:用MRA或F/# curvature solve；Maintaining paraxial focus:用MRH；Maintaining edge thickne

22、ss;Linking values together:pickup solve;Holding a distance between surfaces:position solve。Curvature solvesMarginal ray angle or F/#Marginal ray angle m(r/f)決定F/#：F/#1/2NA=1/2nsin (m)如果系統(tǒng)為slow（即F/#大，如F/10或更慢）時(shí)，F(xiàn)/#=1/2nsin (m)1/(2 n)MRA solve可以調(diào)整任何面（一般是最后一個(gè)glass-air面）的曲率半徑，在優(yōu)化時(shí)，保持F/#固定不變。 m （r/f，-號(hào)表示

23、是會(huì)聚光，+號(hào)表示是發(fā)散光），可以控制透鏡的有效焦距f(EFL)；Curvature solvesChief ray angle:控制特定的放大率或使出射光線保持準(zhǔn)直（maintaining collimation）；Pick up:指定前面某個(gè)面，使當(dāng)前面的曲率半徑和指定的面保持確定關(guān)系；Marginal ray normal：迫使光學(xué)面與近軸邊緣光線垂直，也叫image-centered surface。產(chǎn)生沒有球差或彗差的光學(xué)面；Chief ray normal: 迫使光學(xué)面與近軸主光線垂直，也叫pupil-centered surface。產(chǎn)生沒有彗差、像散或畸變的光學(xué)面；Alplan

24、atic(齊明的): 迫使光學(xué)面對(duì)近軸邊緣光線齊明的（消球差）。產(chǎn)生沒有球差、彗差或像散的等光程光學(xué)面。Curvature solvesElement power:光學(xué)系統(tǒng)的光焦度（n/f）。使指定的光學(xué)元件的光焦度保持不變，可以控制有效焦距；Concentric with surface:控制面的曲率，使這個(gè)面的曲率中心落在前面某個(gè)面上；Concentric with radius:控制面的曲率，使此面的中心與指定的面（前面）的中心為同一點(diǎn)。F/#(F number):控制面的曲率，使從這個(gè)面出射的邊緣光線角為 -1/2F（F即為D/f， D為入瞳直徑， f為有效焦距）?？梢钥刂葡到y(tǒng)的有效焦

25、距。Thickness solvesThickness solves Marginal ray height:定位像平面（常用控制近軸邊緣光線在后一個(gè)面上的高度，使像面處在近軸焦點(diǎn)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）?？梢詫⒐鈱W(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(gè)面之間的距離，使其在半徑為某個(gè)值處為規(guī)定的值。可以避免邊緣厚度為負(fù)或邊緣太尖銳；Pick up：使這個(gè)面的thickness值隨指定的面按一定規(guī)律變化；（主要用于：double

26、 pass system, endoscopes,relay lens等包含多個(gè)相同元件的系統(tǒng)中），Thickness solvesOptical path difference:調(diào)整thickness，使指定光瞳坐標(biāo)處的光程差維持一個(gè)指定的值；例如：在焦點(diǎn)上，邊緣光線和主光線的光程差相等，可以在像面前面的一個(gè)面的厚度處設(shè)置OPD Solve。Position:使這個(gè)面到指定參考面的距離（厚度的總和）保持為定值。在變焦鏡頭設(shè)計(jì)中，可以控制它的某一部分保持固定的長(zhǎng)度。也可以約束整個(gè)透鏡的長(zhǎng)度。Compensator:與position非常類似,顯示的是所要控制的厚度與參考面厚度之差。表達(dá)式為：T

27、=S-R。S為二個(gè)面的厚度之和，R為參考面的厚度。參考面必須在前面。Center of Curvature:調(diào)整thickness的值，使后面一個(gè)面處在前面某個(gè)面的曲率中心上。Glass solvesGlass solvesModel: 用于玻璃的優(yōu)化。用三個(gè)參數(shù)：d光的折射率、Abbe數(shù)和部分色散項(xiàng)。只能用于可見光，可能得到不存在的玻璃；(不常用) Pick up：隨某個(gè)指定的面一起變化； Substitute：用于glass optimization，它更容易且可靠。在優(yōu)化時(shí)，用hummer優(yōu)化算法查到合適的玻璃。Offset：允許在折射率或者Abbe數(shù)上增加一個(gè)小的偏移量。用于公差計(jì)算。

28、Semi-Diameter solvesSemi-Diameter solvesAutomatic：根據(jù)入瞳自動(dòng)調(diào)整孔徑大小Fixed：輸入為固定的值Pick upMaximum：在multiple configuration中，計(jì)算所有結(jié)構(gòu)中的半徑值，然后使用最大的一個(gè)值。其它solvesConic， Parameters也可以設(shè)置solve，但一般只有Fixed, Variable和Pick up三種類型。Coord break的Parameters可以設(shè)置chief ray的求解類型。只用于coordinate break面的前4個(gè)參數(shù)。Solve使用建議Solve的計(jì)算是從第1個(gè)面到像

29、面順序進(jìn)行的，對(duì)參數(shù)計(jì)算的順序是：curvature, thickness, glass, semi-diameter, conic, parameter；因?yàn)閏urvature和thickness的求解會(huì)影響入瞳的位置，所以不允許將依賴于光線追跡的求解放在光欄的前面（如marginal ray height）；Solve是高效的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能用它來(lái)代替優(yōu)化變量控制一些參數(shù)。練習(xí)用Solve求解的方法，將前面設(shè)計(jì)的單透鏡的焦距控制為100mm，用Solve將像面移到焦點(diǎn)上。Analysis像質(zhì)評(píng)價(jià)與分析 ZEMAX提供了豐富的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)小像差系統(tǒng)的波像差、圓內(nèi)能量集中度；評(píng)價(jià)大像

30、差系統(tǒng)的點(diǎn)列圖、彌散圓；MTF、PSF;幾何像差評(píng)價(jià)方法?？梢越o出Seidel和ZERNIKE像差系數(shù)可以進(jìn)行擴(kuò)展光源的分析像質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)形式多種多樣，既有各種直觀的圖形表示方法，也有詳細(xì)的數(shù)據(jù)報(bào)表。像質(zhì)評(píng)價(jià)報(bào)告結(jié)果示例像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)Fans(扇形圖，垂軸幾何像差等)Spot Diagram(幾何點(diǎn)列圖，彌散斑)MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）PSF（點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)）Wavefront(波像差)能量分析Miscellaneous(雜項(xiàng)，幾何像差)像差系數(shù)擴(kuò)展光源分析Layout 2D,3D：系統(tǒng)的2維和3維圖。如果系統(tǒng)不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，則只能用3D layout； Wireframe：3維網(wǎng)格圖； Shade

31、d Model,Solid Model：3維固體圖。solid model plot 對(duì)一些自定義的apertures or obscurations不能正確畫出地surface; Zemax Element Drawing：用于車間加工的工程圖?？梢允莝urface, singlet, doublet； ISO Element Drawing：按照ISO 10110標(biāo)準(zhǔn)?？梢允莝urface, singlet, doublet。 NSC LayoutFan Ray Aberration：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。它是光線在理想像面上的交點(diǎn)和主光線在理想像面上交

32、點(diǎn)間的距離，可以看出理想像面上像的最大彌散范圍。橫坐標(biāo)是歸一化入瞳坐標(biāo)。 Optical Path：實(shí)際光線和主光線的OPD之差(波像差)。OPD vs. 歸一化出瞳坐標(biāo)曲線圖；只能對(duì)光欄后的面進(jìn)行計(jì)算。 Pupil Aberration：光欄面上實(shí)際光線交點(diǎn)和軸上主波長(zhǎng)近軸光線交點(diǎn)坐標(biāo)之差與近軸光欄半徑之比。光欄面上入瞳畸變 vs. 歸一化入瞳坐標(biāo)?？梢灾笇?dǎo)是否要用ray aiming。Spot Diagrams Standard：顯示不同視場(chǎng)的Spot Diagram，給出GEO 和RMS spot size及Airy Disk； Through focus：離開焦平面不同距離的spot

33、diagram?？梢怨罍y(cè)像散，或者分析最佳焦點(diǎn)或者焦深；Full Field：所有視場(chǎng)的點(diǎn)列圖?？梢源_認(rèn)二個(gè)很近的像點(diǎn)是否能夠被分辨；Matrix, Configuration Matrix：同時(shí)列出不同結(jié)構(gòu)的所有視場(chǎng)的點(diǎn)列圖。FFT MTF FFT MTF:用FFT算法計(jì)算所有視場(chǎng)的衍射MTF(OPD10wave)。假定在出瞳上的光線分布是均勻的。截止頻率為1/(F/#)=1/2nsin；物的類型有：正弦波(real, imaginary, phase)和方波(square)響應(yīng)。FFT Through Focus MTF:在指定空間頻率下，F(xiàn)FT MTF vs. focus shift；F

34、FT Surface MTF：顯示MTF數(shù)據(jù)的3D surface, contour, grey scale 或Color map；FFT MTF vs. Field:以圖的形式顯示FFT MTF vs. Field position；FFT MTF map:在一個(gè)矩形視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，計(jì)算不同視場(chǎng)點(diǎn)的FFT MTF。Huygens MTF Huygens MTF：計(jì)算Huygens PSF的FFT。出瞳存在嚴(yán)重的拉伸時(shí)，在出瞳上的光線分布不均勻，比FFT MTF更普遍使用。Huygens Through Focus MTF: vs. focus shift：在不同離焦距離下的Huygens MTF

35、的變化曲線；Huygens Surface MTF:用MTF的surface, grey scale, false color 或者contour plot顯示數(shù)據(jù)。Geometric MTF Geometric MFT：是衍射MTF的近似。當(dāng)OPD比較大時(shí)（如10個(gè)波長(zhǎng)），或者不接近衍射極限時(shí)，計(jì)算幾何MTF； Geometric Through Focus MFT：在指定的空間頻率下，離焦點(diǎn)不同距離處的MTF分布。 Geometric MFT vs. Field：MTF隨視場(chǎng)的分布曲線。 Geometric MTF Map:MTF vs. X，Y視場(chǎng)。X，Y坐標(biāo)表示二個(gè)方向的視場(chǎng)，用偽彩色

36、表示MTF隨視場(chǎng)的分布情況PSF FFT PSF:用FFT的方法計(jì)算衍射的PSF。出瞳上波前復(fù)振幅的FFT，計(jì)算系統(tǒng)中單個(gè)點(diǎn)光源通過(guò)系統(tǒng)所成衍射像的強(qiáng)度，計(jì)算速度快。 FFT PSF Cross Section：FFT PST剖面圖； FFT Line/Edge Spread：FFT線/刀口擴(kuò)散函數(shù)； Huygens PSF：根據(jù)Huygens原理，用Huygens子波直接積分的方法計(jì)算。認(rèn)為波面上每個(gè)點(diǎn)是一個(gè)理想的點(diǎn)光源，即子波（wavelet）。唯一不足是計(jì)算速度慢。 Huygens PSF Cross Section： Huygens PST剖面圖Wavefront Wavefront

37、Map:顯示波像差圖。 Interferogram（用于干涉系統(tǒng)分析中）：產(chǎn)生和顯示干涉圖； Foucault Analysis(傅科刀口分析)：產(chǎn)生和顯示Foucault刀口陰影圖。模擬焦點(diǎn)附近任何位置上x或者y方向的刀口，然后計(jì)算由刀口漸暈光束回到近場(chǎng)的陰影圖。Surface Surface Sag：在XY平面上均勻網(wǎng)格點(diǎn)上計(jì)算的，顯示z方向的sag值。 Surface Phase：顯示某個(gè)面對(duì)通過(guò)的光線的位相改變情況，單位為周期。RMSRMS vs. Field：RMS radial, x, and y spot radius, RMS wavefront error, or Streh

38、l ratio對(duì)視場(chǎng)角的變化曲線；RMS vs. Wavelength：RMS radial, x, and y spot radius, RMS wavefront error, or Strehl ratio對(duì)波長(zhǎng)的變化曲線；RMS vs. Focus：RMS radial, x, and y spot radius, RMS wavefront error, or Strehl ratio對(duì)焦點(diǎn)位置變化的曲線。Encircled energy Diffraction:點(diǎn)物的像面上，某個(gè)半徑范圍內(nèi)包含的能量占整個(gè)能量的百分比 vs. 到主光線或像的質(zhì)心的距離； Geometric:用光線-

39、像面交點(diǎn)數(shù)目的方法計(jì)算園內(nèi)能量；Line/Edge Response:計(jì)算線物或者邊緣物（半無(wú)限大平面）的像的光強(qiáng)分布圖的截面圖；Extended Source:用擴(kuò)展光源分析。Illumination Relative Illumination：在均勻的Lambertian照明下，出瞳上相對(duì)照度 vs. radial y field 曲線； Vignetting Plot：漸暈光線比例 vs.視場(chǎng)角曲線; Illumination XY scan：擴(kuò)展光源，沿像面截面照度的分布曲線; Illumination 2D surface：在一個(gè)二維面上計(jì)算擴(kuò)展光源的照度分布的像。Image Ana

40、lysisImage Analysis實(shí)際上就是擴(kuò)展光源成像分析。主要目的是顯示物通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后的直觀像。這個(gè)物可以是自定義，也可以是標(biāo)準(zhǔn)的24bit彩色BMP或JPEG文件，可以是任何形狀。有三類image analysis:（1）Geometric using IMA file:適合看大視場(chǎng)的效果和大像差系統(tǒng)，如畸變；（2）Geometric using BMP file:同（1）（3）Diffraction using IMA file:適合看小視場(chǎng)和中等像差的系統(tǒng)效果，如外形邊緣的衍射模糊。Image AnalysisGeometric Image Analysis:可以對(duì)擴(kuò)展光源建模

41、、分析分辨率、表示所成像的物的外貌及直觀地看到像的旋轉(zhuǎn)情況；用特殊的IMA or BIM文件。Geometric bitmap Image Analysis:用RGB bitmap文件作光源，產(chǎn)生RGB彩色像。用幾何光線追跡； Diffraction Image Analysis：基于Fourier光學(xué)，用OTF計(jì)算擴(kuò)展光源的像的外觀。OTF不變；這種方法考慮有限通帶和其它在像面上與衍射有關(guān)效應(yīng)。 Extended Diffraction Image Analysis：用OTF計(jì)算擴(kuò)展光源的像的外觀。 像面上不同視場(chǎng)上的OTF不同。Miscellaneous Field Curvature：不

42、同視場(chǎng)的場(chǎng)曲曲線；當(dāng)前焦平面到近軸焦面的距離，縱軸為歸一化視場(chǎng)，(S,T曲線之間的橫向距離就是象散) Distortion：不同視場(chǎng)的畸變曲線； Grid Distortion:網(wǎng)格畸變圖； Footprint Diagram：足跡圖分析。光線在不同面上的分布情況圖； Longitudinal Aberration：縱向像差，即球差?？v軸是歸一化入瞳坐標(biāo)，橫軸是像面到光線與光軸交點(diǎn)之間的距離。僅用于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)。 Lateral Color：橫向色差，即垂軸色差(或放大率色差) Vs. 視場(chǎng)。僅用于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)。MiscellaneousY-Ybar圖：每個(gè)面上邊緣光線高度 Vs.近軸斜入射主

43、光線高度；Chromatic Focal Shift:彩色焦移曲線。后節(jié)距隨波長(zhǎng)的變化曲線； Dispersion Diagram：玻璃色散曲線。折射率 vs.波長(zhǎng)；Glass Map:根據(jù)折射率和Abbe數(shù)畫出的玻璃分布圖； Int. Transmission vs. Wavelength：不同厚度的玻璃透過(guò)率情況。Aberration coefficientsSeidel Coefficients：顯示每個(gè)面的Seidel系數(shù)，包括總的,橫向的，縱向的和波像差的系數(shù)；只能適用于所有面都是standard surface的系統(tǒng)；Zernike Fringe Coefficients：用條紋多

44、項(xiàng)式表示的Zernike系數(shù)，共37項(xiàng)；Zernike Standard Coefficients：正交的Zernike coefficients，共28項(xiàng)；Zernike Annular Coefficients：正交的Zernike coefficients，共22項(xiàng)；CalculationsRay Trace:單根近軸和真實(shí)光線追跡時(shí)，光線在各個(gè)面上的交點(diǎn)坐標(biāo)（光線的方向余弦、角的正切、近軸邊緣光線和主光線的夾角）；Fiber Coupling Efficiency:計(jì)算單模光纖耦合系統(tǒng)的耦合效率。YNI Contributions:列出每個(gè)面的近軸YNI（Y：近軸像高；N：折射率，I：

45、入射角）貢獻(xiàn)值；拉赫不變量。 Sag Table：列出所選面上，距頂點(diǎn)不同距離處的surface sag(z坐標(biāo))。給出最佳擬合球面的數(shù)據(jù)及偏差，在鏡頭制造時(shí)有用。只考慮y坐標(biāo)，所以對(duì)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)會(huì)無(wú)意義。 Cardinal Points：基點(diǎn)。給出所選擇的面范圍內(nèi)的子系統(tǒng)對(duì)所選波長(zhǎng)的焦面、主（反主）平面、節(jié)（反節(jié)）平面。PolarizationPolarization Ray Trace：顯示單根光線的偏振數(shù)據(jù)； Polarization pupil map：顯示瞳上偏振狀態(tài)的變化情況；不同面上偏振橢圓 vs.瞳位置圖； Transmission:考慮偏振時(shí)，主光線在各個(gè)面上的透射率；Ph

46、ase Aberration：計(jì)算偏振引起的光學(xué)系統(tǒng)的像差，主要是電介質(zhì)折射和導(dǎo)體及電介質(zhì)的反射引起的。指定視場(chǎng)和波長(zhǎng)，像面上X和Y方向的偏振位相像差。Transmission Fan：每個(gè)視場(chǎng)和波長(zhǎng)上，透過(guò)率vs.瞳上弧矢或子午光瞳像差。可以確定瞳上透過(guò)率對(duì)視場(chǎng)和波長(zhǎng)的變化情況。Coatings Reflection:反射光線，計(jì)算電場(chǎng)的S，P分量及其平均偏振強(qiáng)度系數(shù)對(duì)入射角及波長(zhǎng)的關(guān)系曲線； Transmission:透射光線，計(jì)算電場(chǎng)的S，P分量及其平均偏振強(qiáng)度系數(shù)對(duì)入射角及波長(zhǎng)的關(guān)系曲線； Absorption:吸收光線，計(jì)算電場(chǎng)的S，P分量及其平均偏振強(qiáng)度系數(shù)對(duì)入射角及波長(zhǎng)的關(guān)系曲線

47、； Diattenuation: 反射R和透射T的二次衰減對(duì)入射角和波長(zhǎng)的關(guān)系曲線； Phase: 反射或者透射光線的S和P偏振的位相對(duì)入射角和波長(zhǎng)的關(guān)系曲線； Retardance:計(jì)算指定面的位相延遲。Optimization內(nèi)容提要 Optimization概述Damped least squaresConstraintsDefault Merit functionsOperands Optimization概述 optimization是ZEMAX最重要的功能之一。 optimization是通過(guò)改變光學(xué)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)（變量）的值，提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。 這些變量可以是 surface

48、 curvatures, element and air-space thicknesses, tilt angles, etc. 用Operands定義Merit function，通過(guò)比較給定光學(xué)系統(tǒng)和滿足所有設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)的MF值，來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的好壞。一般用迭代（iterative）的方法, 為變量選定一個(gè)起始點(diǎn)和一種優(yōu)化算法，迭代地改變變量的值，以找出最小的MF值。Local Optimization這種近似與初始點(diǎn)的選擇有關(guān) ：如果起始點(diǎn)選在Region A or Region C, 則可以在x = a or x = c到達(dá) local 最小值,而不是在x = b處的 global 最

49、小值。Local VS. Global OptimizationLocal optimization：從給定的起始點(diǎn)，找到能夠達(dá)到的最佳設(shè)計(jì)；上圖中的a,b,c都是Local最佳設(shè)計(jì)值；Global optimization：在一個(gè)范圍內(nèi)找到最佳設(shè)計(jì)。上圖中只有b是Global 最佳設(shè)計(jì)值。Optimization過(guò)程Damped Least Squares(DLS)DLS算法是所有光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中的基本優(yōu)化算法。假定Merit function定義為如下形式：式中W為操作數(shù)的權(quán)重的絕對(duì)值， V為當(dāng)前值， T 是目標(biāo)值，下標(biāo)i是操作數(shù)的號(hào)碼 (row number in the spreadsh

50、eet).目標(biāo)：找出x使MF的值最小。Constraints要約束某個(gè)量，可以有三種方法：Solves：可以精確地對(duì)一些近軸特性進(jìn)行控制。如在鏡頭的最后一個(gè)面設(shè)置axial ray angle solve為0.1，則可以使 fnumber保持常數(shù) 5；在 Merit function用操作數(shù)控制變量的范圍:在Merit function中增加operand，控制某個(gè)量的最大值或最小值。如厚度10;Constraint operands：控制Operand，使控制的量為定義的精確數(shù)值。Common constraintsLens 要有一定的size,cost,weightEdge和center

51、thickness必須為正Minimum number of elements desired加工制造盡可能簡(jiǎn)單盡可能用便宜的材料Default Merit functionsDefault Merit functions支持20多個(gè)不同的Default Merit functions：Optimization type：RMS or Peak-To-ValleyData type: Wavefront, spot radius, spot x, spot y, or spot x plus spot yReference point：Reference to Centroid ，Chief

52、Ray or MeanPupil integration method：Use Gaussian Quadrature or Rectangular Array上面的優(yōu)化函數(shù)可以自由組合。Gaussian Quadrature：幾乎所有的情況下都用GQ，因?yàn)樗绕渌椒ň_得多，而且用的光線的數(shù)目也很少；不能有漸暈系數(shù)。Rectangular Array：GQ的唯一缺點(diǎn)是不能用在帶孔的光學(xué)系統(tǒng)中，這時(shí)候只有用RA。RA算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠精確計(jì)算優(yōu)化函數(shù)中的漸暈效應(yīng)。Default Merit functionsOptimization type:系統(tǒng)缺省的優(yōu)化類型： 1）RMS（common u

53、se）； 2）PTV（rare use）：如，如果所有的光線需要落在Fiber或detector的一個(gè)園形區(qū)域內(nèi)，這時(shí) Peak-To-Valley (PTV)會(huì)更好。它使誤差的PTV的范圍最小。Data type:系統(tǒng)給出的構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)的數(shù)據(jù)類型： 1) Wavefront：波像差（像差小于2個(gè)波長(zhǎng)的系統(tǒng)） 2) Spot Radius(彌散圓半徑)（像差大于2個(gè)波長(zhǎng)的系統(tǒng)） 3）Spot X（x方向彌散圓的大小） 4）Spot Y（y方向彌散圓的大?。?5）Spot X and Y（x和y方向彌散圓的大?。〥efault Merit functionsReference point：缺省優(yōu)

54、化時(shí)RMS和PTV的參考點(diǎn)。 1）Centroid (質(zhì)心)：常用。特別是數(shù)據(jù)類型為波像差時(shí)；當(dāng)出現(xiàn)彗差時(shí)，用質(zhì)心作參考點(diǎn)更有意義，因?yàn)殄绮钍瓜竦馁|(zhì)心偏移主光線。 2）Chief Ray(主波長(zhǎng)的主光線)； 3）Mean(平均值)：只能用于數(shù)據(jù)類型是波像差的情況；Rings and Arms對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)，積分是在入瞳上的。GQ 算法需要指定 “Rings”和“Arms”的數(shù)目?！癛ings”指定每個(gè)視場(chǎng)和波長(zhǎng)追跡多少光線；對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)和非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)，光線的數(shù)量不同。 “Arms”指定多少radial arms。指定在pupil中追跡的光線的radial arms 數(shù)目。對(duì)大多數(shù)光學(xué)設(shè)計(jì)，3r

55、ings足夠了；對(duì)非球面用4個(gè)rings。缺省值，追跡6個(gè)等間隔的(in angle) arms (對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)追跡3個(gè))?？梢愿臑?,10,12。但對(duì)大多數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)，6個(gè)足夠了。（因?yàn)閜upil aberration對(duì)角度變化很慢）。Rings and Arms這里是缺省的3 rings ,6arms的pupil sampling。對(duì)LR對(duì)稱系統(tǒng)，只追跡一半的pupil，對(duì)園形對(duì)稱系統(tǒng)，只追跡一個(gè)arm。Grids “Grid“只能用于RA 算法。其值決定所用的光線的數(shù)目?？梢允?4x4 (16 rays per field per wavelength), 6x6 (36 rays p

56、er field per wavelength)等； 如果光線跑到入瞳外面去了，則這個(gè)grid中的光線自動(dòng)略去，所以用的光線的實(shí)際數(shù)目要比grid size中的少 ；應(yīng)用時(shí)，選擇大的grid density,然后選擇“Delete Vignetted”（merit function中的所有光線都會(huì)通過(guò)系統(tǒng)追跡）比較好。因?yàn)檫@樣光線可以充滿pupil,會(huì)刪除漸暈操作數(shù)。光線的數(shù)目可以精確反映系統(tǒng)的孔徑。Boundary valueThickness Boundary value：1）正透鏡邊緣厚度；2）負(fù)透鏡中心厚度；3）空氣間隔Assume Axial Symmetry:可以減少追跡的光線數(shù)目

57、，加速優(yōu)化過(guò)程，但不降低精度；Relative X Weight：另外增加一個(gè)像差的X分量權(quán)重，象光譜儀中，要用到狹縫像時(shí)，可以用這個(gè)進(jìn)行控制；Overall Weight:一般設(shè)置為1。Ignore Lateral Color：對(duì)不同的波長(zhǎng)按不同的參考點(diǎn)計(jì)算。用于按波長(zhǎng)來(lái)分光分色系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如棱鏡或者光譜儀等。Weight操作數(shù)的權(quán)重：絕大部分為正。1）0，使MF最小。Default Merit functions的不足如果field 、 wavelength values 、 weights改變了，則必須重新構(gòu)建 default merit function.如果用RA 算法，如果在優(yōu)化過(guò)

58、程中漸暈有一點(diǎn)變化，也需要重新構(gòu)建 default merit function.OperandsZEMAX提供了200多種操作數(shù)(用4個(gè)大寫字母縮寫組成)，如EFFL，可以控制包括系統(tǒng)參數(shù)、像差、MTF、圓內(nèi)能量集中度、光線約束、邊界約束條件、玻璃材料的范圍等。Defining complex operandsZEMAX缺省的MF不能滿足用戶需要時(shí)，用戶可以自己構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)，有兩種方法：對(duì)缺省的merit function進(jìn)行重新定義；用operands手動(dòng)編輯merit function，用 MTF操作數(shù)優(yōu)化MTFMTF操作數(shù)能夠直接優(yōu)化MTF的值 ，這個(gè)功能很強(qiáng)。但使用時(shí)需要注意：對(duì)不接近diffraction limit的系統(tǒng)（波像差大于25個(gè)波長(zhǎng)）,用 geometric等效的 MTF operands： GMTT,