ZEMAX软件培训教程国内外光学设计软件情况国内情况：国内情况： 北京理工大学北京理工大学(SOD)(SOD)，南京理工大学等自编，南京理工大学等自编光学设计软件。光学设计软件。国外情况：国外情况： Optical Research Associates: Code V Optical Research Associates: Code V Lambda: OSLO Lambda: OSLO等。等。ZEMAX已经成为当今使用最普遍的光学设计软件 市场占有率：市场占有率：8085%8085% 全球已经销售了两万多套全球已经销售了两万多套 台湾已经销售台湾已经销售600600多套多套 大陆已经有大陆已经有300300多套，知道和需要购买者越来越多多套，知道和需要购买者越来越多市场应用 应用范围：应用范围：传统相机、数码相机、内窥镜等光学镜头的设计传统相机、数码相机、内窥镜等光学镜头的设计DVDDVD、VCDVCD读写头读写头投影系统，背投电视投影系统，背投电视照明系统照明系统干涉仪干涉仪LEDLEDLaser diodeLaser diode光通信器件设计光通信器件设计等等等等Zemax使用群NASANASA美国太空总署美国太空总署, ,SandiaSandia 国家实验室国家实验室, , U.S.ArmyU.S.Army军军队队, , HP,HP, MotorolaMotorola台湾台湾: :电子所电子所, ,中科院中科院, ,大学大学以及扫描仪以及扫描仪, ,相机相机, ,望望远镜远镜, ,投影机等制造商。投影机等制造商。大陆：光学、光电研究所，大学，光学公司，光大陆：光学、光电研究所，大学，光学公司，光学加工厂，从事光学镜头、条形码、投影仪、背学加工厂，从事光学镜头、条形码、投影仪、背投影电视、光通信器件、投影电视、光通信器件、VCDVCD及及DVDDVD读写头等的设读写头等的设计的公司。计的公司。ZEMAX概述ZEMAX简介（I） Focus Software Focus Software 公司产品公司产品光学镜头设计和光学镜头设计和光学系统分析软件。光学系统分析软件。 版本有三个等级：版本有三个等级： ZEMAXZEMAXSE(SE(标准版标准版) ) ZEMAXZEMAXXE(XE(完整版完整版) ) ZEMAXZEMAXEE(EE(专业版专业版) ) 每年有数次版本更新，可以到每年有数次版本更新，可以到ZEMAXZEMAX的网站或者讯的网站或者讯技光电科技公司的网站上下载更新技光电科技公司的网站上下载更新 www.infotek.com.twwww.infotek.com.twZEMAX简介（II） 界面友好，容易上手；资料丰富，既可以直接选界面友好，容易上手；资料丰富，既可以直接选择，又可以自定义；择，又可以自定义； 可建立反射、可建立反射、 折射、衍射及散射等光学模型；折射、衍射及散射等光学模型； 可进行偏振、镀膜和温度、气压等方面的分析；可进行偏振、镀膜和温度、气压等方面的分析； 具有强大的像质评价和分析功能；具有强大的像质评价和分析功能； 丰富的资料库，有现成的镜头和玻璃、样板数据，丰富的资料库，有现成的镜头和玻璃、样板数据，可供用户选择；可供用户选择； 大部分窗口都提供在线帮助大部分窗口都提供在线帮助, ,方便随时获取相关功方便随时获取相关功能的在线解释和帮助。能的在线解释和帮助。系统要求n nWIN98WIN98，NTNT，20002000，XPXPn n200Mb 200Mb 以上的硬盘空间以上的硬盘空间n n 最小的分辨率为：最小的分辨率为：1024*7681024*768n n 一个并行口或者一个并行口或者USBUSB接口用来接接口用来接KEYKEYn n 64Mb 64Mb以上内存；如果进行对象非常复杂、物理以上内存；如果进行对象非常复杂、物理光学或散射和照明分析时，最低要求是光学或散射和照明分析时，最低要求是256MB256MB，最好是最好是512Mb512MbWhat is ZEMAX ZEMAX ZEMAX是一个光学设计软件，它使用是一个光学设计软件，它使用sequentialsequential和和non-non-sequentialsequential的方法模拟的方法模拟refractive,reflectiverefractive,reflective和和diffractivediffractive光光线追迹。线追迹。 ZEMAXZEMAX用用“surfacesurface”为为sequential ray tracingsequential ray tracing建模；用建模；用“componentcomponent”或或solid object modelsolid object model为为non-sequential ray non-sequential ray tracingtracing建模。建模。 Purely sequentialPurely sequential ： 传统的镜头设计，和大多数成像系统传统的镜头设计，和大多数成像系统; ;n nHybrid sequential/ non-Hybrid sequential/ non-sequential(akasequential(aka NSC with ports) NSC with ports) 同时有同时有sequentialsequential组件和组件和non-sequentialnon-sequential组件（如组件（如prism,pipeprism,pipe）的系统的系统; ; 用用“portsports”为光线进入和离开为光线进入和离开NS groupNS group的出入口的出入口; ;n nPurely non-Purely non-sequential(akasequential(aka NSC without ports) NSC without ports) 用于用于illumination,scattering,strayillumination,scattering,stray light analysis; light analysis; 不用不用“portsports”。Ray Tracing的3种方式（I）（1 1）Purely Purely SequentialSequential：用于传统的透镜成像系统设用于传统的透镜成像系统设计；计； 以光学面（以光学面（surfacesurface）为对象来构建光学系统模型；为对象来构建光学系统模型； 光线从物面开始（常为光线从物面开始（常为surface 0surface 0） 按光学面的顺序计算（按光学面的顺序计算（surface 0,1,2surface 0,1,2），），对每个对每个光学面只计算一次；光学面只计算一次； 每个面都有物空间和像空间；每个面都有物空间和像空间； 需要计算的光线少，计算速度快；需要计算的光线少，计算速度快； 可可进行进行analysis,analysis,OptimizationOptimization及及ToleraToleran nc cinging；Sequential system例子Ray Tracing的3种方式（II）（2 2）Hybrid sequential/non-Hybrid sequential/non-sequential(akasequential(aka NSC with NSC with ports)ports) 所有所有objectobject都是都是3 3D shell or solidsD shell or solids； 每个每个objectobject都在一个空间坐标系中定义了其特性；都在一个空间坐标系中定义了其特性； 光线从光线从input portinput port进入进入non-sequential groupnon-sequential group；从从exit exit portport离开离开NS groupNS group； 光线在光线在NSCNSC中一直追迹，直到它遇到下列情况才终止：中一直追迹，直到它遇到下列情况才终止： NothingNothing Exit portExit port 能量低于定义的阈值。能量低于定义的阈值。 忽略忽略NS groupNS group内的光源和探测器；内的光源和探测器； 进入进入NS groupNS group的光线的特性，由序列性的系统数据，如的光线的特性，由序列性的系统数据，如视场位置和瞳的大小等决定。视场位置和瞳的大小等决定。NSC with ports system例子Ray Tracing的3种方式（III）（3 3） Purely Purely Non-Non-sequential(akasequential(aka NSC without port) NSC without port) 所有所有objectobject都是都是3 3D shell or solidsD shell or solids； 每个每个objectobject都在都在一个一个空间坐标系中定义了其特性；空间坐标系中定义了其特性； 需要定义光源的发光特性和位置，定义需要定义光源的发光特性和位置，定义detectordetector收集光线；收集光线； 光线一直追迹，直到它遇到下列情况才终止：光线一直追迹，直到它遇到下列情况才终止： NothingNothing， 能量低于定义的阈值。能量低于定义的阈值。 计算时光学元件的相对位置由空间坐标确定；对同一元件，计算时光学元件的相对位置由空间坐标确定；对同一元件，可同时进行穿透、反射、吸收及散射的特性计算；可同时进行穿透、反射、吸收及散射的特性计算； 无法作优化及公差分析；无法作优化及公差分析； 这种情况下，可以对光线进行分光，散射，衍射，反射，折这种情况下，可以对光线进行分光，散射，衍射，反射，折射。射。NSC without ports system例子ZEMAX用户界面8/11/20248/11/20241717版权所有版权所有 2003 2003 讯技光电科技讯技光电科技( (上上海海) )股份有限公司股份有限公司ZEMAX用户界面类型ZEMAXZEMAX有有4 4种主要类型的用户界面：种主要类型的用户界面：n nEditors:Editors:定义和编辑光学面和其他数据；定义和编辑光学面和其他数据；n nGraphic windowsGraphic windows：显示图形数据；显示图形数据；n nText windowsText windows：显示文本数据；显示文本数据；n nDialog boxesDialog boxes：编辑和回顾其他窗口或系统的数编辑和回顾其他窗口或系统的数据，或者报告错误信息等。据，或者报告错误信息等。ZEMAX Editors界面有很多种：有很多种：n nLens data editor: Lens data editor: 基本的基本的lens datalens data，包括包括surface type, radius, thickness, surface type, radius, thickness, glass,etcglass,etc. .n nMerit function editor:Merit function editor:优化时，定义和编辑优化时，定义和编辑merit merit functionfunction；n nMulti-Configuration editorMulti-Configuration editor：为变焦镜头和其它为变焦镜头和其它多重结构系统定义多重结构参数；多重结构系统定义多重结构参数；n nTolerance Data editorTolerance Data editor：定义和编辑公差数据；定义和编辑公差数据；n nExtra Data editor:Extra Data editor:需要很多参数的需要很多参数的surface datasurface data的扩展；的扩展；n nNon-sequential component editor:Non-sequential component editor:定义和编辑定义和编辑NSC NSC sources, objects, detectorssources, objects, detectors。ZEMAX EditorsGraphic and Text 界面n n有些功能（如有些功能（如layoutlayout）只支持图形，有些只支只支持图形，有些只支持文本（如持文本（如SeidelSeidel像差系数），有的都支持像差系数），有的都支持（如（如fan plotfan plot）；）；n n如果二者都支持，一般先给出图形输出，如果如果二者都支持，一般先给出图形输出，如果需要显示需要显示texttext的内容，需要点一下菜单栏中的的内容，需要点一下菜单栏中的“TextText”；Graphic and Text windows例子大部分图形窗口都提供文本信息。大部分图形窗口都提供文本信息。大部分图形窗口都提供文本信息。大部分图形窗口都提供文本信息。Graphic and Text windows例子点点点点TextText菜单栏，可以看到图形窗口中的文本信息。菜单栏，可以看到图形窗口中的文本信息。菜单栏，可以看到图形窗口中的文本信息。菜单栏，可以看到图形窗口中的文本信息。Graphics windows菜单功能UpdateUpdate：更新窗口中的数据；更新窗口中的数据；SettingSetting：设置窗口的属性；设置窗口的属性；PrintPrint：打印窗口的内容；打印窗口的内容；WindowsWindows：n nAnnotateAnnotate：往图形上加往图形上加lines,boxes,textlines,boxes,text；n nCopy clipboard:Copy clipboard:将内容拷贝到剪切板中；将内容拷贝到剪切板中；n nExport:Export:将内容转换为将内容转换为WMFWMF，EMFEMF，JPGJPG，BMPBMP文件保存；文件保存；n nLock:Lock:锁定窗口；锁定窗口；n nClone:CloneClone:Clone窗口；窗口；n nAspect ratio:Aspect ratio:设置窗口的长宽比；设置窗口的长宽比；n nActive cursor:Active cursor:对图形窗口显示鼠标所指位置的数据；对图形窗口显示鼠标所指位置的数据；n nConfiguration:Configuration:选择要显示哪个结构的数据；选择要显示哪个结构的数据；n nOverlayOverlay：不同图形重叠显示；不同图形重叠显示；Text windows菜单功能Text:Text:产生图形所对应的文本数据；产生图形所对应的文本数据；Zoom:Zoom:对图形放大和缩小控制对图形放大和缩小控制Update:Update:更新窗口中的数据；更新窗口中的数据；SettingSetting：设置窗口的属性；设置窗口的属性；PrintPrint：打印窗口的内容；打印窗口的内容；Windows:Windows:n nCopy clipboard:Copy clipboard:将内容拷贝到剪切板中；将内容拷贝到剪切板中；n nSave: Save: 保存保存ASCII TXTASCII TXT文件；文件；n nLock:Lock:锁定窗口；锁定窗口；n nClone:CloneClone:Clone窗口；窗口；n nConfiguration:Configuration:选择要显示哪个结构的数据；选择要显示哪个结构的数据；Dialog boxesZEMAXZEMAX的大部分图形和文本窗口都包含有设置对话框。的大部分图形和文本窗口都包含有设置对话框。数据输出 输出到到剪贴板，可以再到其它输出到到剪贴板，可以再到其它windowswindows应用程序，如应用程序，如ExcelExcel等；等； 输出到输出到CADCAD程序：支持程序：支持DXFDXF，IGESIGES，STEPSTEP，SATSAT格式。格式。DXFDXF：n n因为不是标准格式，对其支持比较差一些；只有在因为不是标准格式，对其支持比较差一些；只有在wireframewireframe的设定中才支持。的设定中才支持。IGESIGES，STEPSTEP，SATSAT：n n真正的标准；真正的标准；n n可以输出可以输出3 3D solidsD solids；n n可以输出为可以输出为lines;lines;n n在在ToolTool菜单栏中。菜单栏中。Session file的概念n nSession fileSession file ：在保存文件时，如果选择在保存文件时，如果选择Session Session filefile，则它包括则它包括lens file, lens file, 所有图形和文本窗口，所有图形和文本窗口，editors,editors,它们在屏幕上的大小和位置，及每个窗它们在屏幕上的大小和位置，及每个窗口的设置。此时，除了一个口的设置。此时，除了一个ZMXZMX文件以外，还文件以外，还有一个有一个SESSES文件。文件。Lens Data8/11/20248/11/20242929版权所有版权所有 2003 2003 讯技光电科技讯技光电科技( (上上海海) )股份有限公司股份有限公司Lens data的组成Sequential lens data-Surface data:Sequential lens data-Surface data:n n面的序号面的序号; ;n n每个面的相关结构数据每个面的相关结构数据; ;n n光学系统的孔径光学系统的孔径; ;n n波长波长; ;n n视场。视场。进行优化时进行优化时, ,还需要：还需要：n n变量变量; ;n n优化函数。优化函数。For NSC without port system,For NSC without port system,还需要：还需要：n n所有所有objectobject的结构参数和位置参数的结构参数和位置参数; ;n n所有所有sourcesource和和detectordetector的特性参数和位置参数的特性参数和位置参数; ;n n波长。波长。Surface data的组成n nThe radius of curvature:The radius of curvature:面的曲率半径，根据符号规则面的曲率半径，根据符号规则确定符号；确定符号；n nThe thickness of the surface:The thickness of the surface:到下个面的相对距离，到下个面的相对距离，满足符号规则（用满足符号规则（用locallocal坐标系）；坐标系）；n nThe glass type of the surface:The glass type of the surface:可以直接输入玻璃的名可以直接输入玻璃的名称，也可以输入折射率和色散系数（如果是空气，则称，也可以输入折射率和色散系数（如果是空气，则为空格）；为空格）；n nThe semi-diameter of the The semi-diameter of the surface(optionalsurface(optional) )：面的孔面的孔径；径；n nOther Other datadata（parameterparameter or extra data or extra data）: :描述面形的参描述面形的参数。数。Surface data的符号规则镜头数据（Lens Data）：曲率半径、厚度、材质和其他参数。各量符号规定：Thickness：从左到右距离为正，否则为负。+ +Surface Type（1 1）提供了近）提供了近6060种的光学曲面面形。主要类型有：种的光学曲面面形。主要类型有：平面、球面、标准二次曲面、非球面、光锥面、平面、球面、标准二次曲面、非球面、光锥面、轮胎面、折射率渐变面、二元光学面、光栅轮胎面、折射率渐变面、二元光学面、光栅( (固定固定周期和变周期周期和变周期) )、全息衍射元件、全息衍射元件、FresnelFresnel透镜、波透镜、波带片等。带片等。（2 2）还提供了）还提供了User Defined SurfaceUser Defined Surface。用户只需要用户只需要按照它的语法规定，用按照它的语法规定，用C+C+语言编写语言编写DLLDLL文件与文件与ZEMAXZEMAX相连接就可以建立自己需要的面形。相连接就可以建立自己需要的面形。The system aperturen n它是很重要的一个参数，决定入瞳的大小，它决定光它是很重要的一个参数，决定入瞳的大小，它决定光学系统在物空间收集多少光线。学系统在物空间收集多少光线。System aperture types Entrance Pupil Entrance Pupil Diameter(EPDDiameter(EPD): ):直接指定入瞳的大小；直接指定入瞳的大小； Image Space F/#:Image Space F/#:无限共轭像空间近轴无限共轭像空间近轴F F数（数（f f/D,/D,只用于只用于物距无穷远）；物距无穷远）； Object Space Numerical ApertureObject Space Numerical Aperture：物空间边缘光线的物空间边缘光线的数值孔径数值孔径nsinnsin （物在有限远处物在有限远处, ,保持保持N.A.N.A.为常数）；为常数）； Float by SizeFloat by Size：EPDEPD的大小的大小由光栏的半径决定；由光栏的半径决定； Paraxial working F/#:Paraxial working F/#:像空间中定义的共轭近轴像空间中定义的共轭近轴1/2ntan1/2ntan1/2ntan1/2ntan ，忽略像差忽略像差忽略像差忽略像差； Object Cone AngleObject Cone Angle: :物空间边缘光线的半角，最大可以物空间边缘光线的半角，最大可以达到达到9090度（物在有限远）。度（物在有限远）。Field points ZEMAX ZEMAX常常用点光源定义视场或物的大小：常常用点光源定义视场或物的大小：n n定义了点光源以后，可以建立扩展光源的模型；定义了点光源以后，可以建立扩展光源的模型；n n对每个系统最多可以定义对每个系统最多可以定义1212个视场点。个视场点。ZEMAXZEMAX支持支持4 4种不同视场形式：种不同视场形式：n nField angle:Field angle:投影到入瞳上投影到入瞳上XZXZ和和YZYZ平面上时，主光线与平面上时，主光线与Z Z轴的夹角。大多用在无限共轭系统。轴的夹角。大多用在无限共轭系统。n nObject height:Object height:物面上物面上X X，Y Y高度。大多用在有限共轭系高度。大多用在有限共轭系统。（注：如果物面为曲面，则统。（注：如果物面为曲面，则X X，Y Y坐标包含坐标包含Z Z坐标）坐标）n nParaxial Image height:Paraxial Image height:像面上的近轴像高。用于需要固像面上的近轴像高。用于需要固定像的大小的设计中。（只用于近轴光学系统中）定像的大小的设计中。（只用于近轴光学系统中）n nReal image height:Real image height:像面上实际像高。用于需要固定像面上实际像高。用于需要固定frame sizeframe size的设计中（如的设计中（如camera lensescamera lenses）。）。Field points示例Wavelengthsn nZEMAXZEMAX对每个系统最多允许定义对每个系统最多允许定义1212个波长。并且必须指个波长。并且必须指定主波长，根据不同波长的重要性，权重可以不同。定主波长，根据不同波长的重要性，权重可以不同。n n波长的单位为微米。波长的单位为微米。Variable parametersn n在进行优化设计时，需要设置变量，在进行优化设计时，需要设置变量，ZEMAXZEMAX会调整这些变量，以找到最佳设计结果。会调整这些变量，以找到最佳设计结果。n n变量可以是任何量，包括变量可以是任何量，包括radii, thicknesses, radii, thicknesses, indices, V numbers, partial dispersions, indices, V numbers, partial dispersions, conic constants, tilt angles, conic constants, tilt angles, 甚至甚至fields and fields and wavelengthswavelengths。Merit functionsn n优化函数是用来定义优化控制目标项目。它包优化函数是用来定义优化控制目标项目。它包括设计目标，边界条件和计算结果的总结。括设计目标，边界条件和计算结果的总结。n n在优化过程中，用在优化过程中，用merit functionmerit function的值来评价一的值来评价一个系统的优劣。个系统的优劣。n nMerit functionMerit function由由optimization operandsoptimization operands组成，组成，ZEMAXZEMAX提供了提供了200200多个这样的操作数，涵盖了多个这样的操作数，涵盖了各种目标控制条件。各种目标控制条件。Tolerancingn nZEMAXZEMAX可以对光学面的参数和群组的参数进行公可以对光学面的参数和群组的参数进行公差分析。它提供了二种公差分析模式：差分析。它提供了二种公差分析模式：n n(1)(1)sensitivitysensitivity：给定结构参数的公差范围，计给定结构参数的公差范围，计算评价标准的影响，算评价标准的影响，n n(2)(2)inverse sensitivityinverse sensitivity：给出评价标准量的允许变给出评价标准量的允许变化范围，反算出结构参数的公差。化范围，反算出结构参数的公差。结果报告n n可以给出各种数据的结果报告，可以是图形、曲线可以给出各种数据的结果报告，可以是图形、曲线或表格的形式：或表格的形式：(1)(1)surface datasurface data(2)system data(2)system data(3)prescription data(3)prescription data(4)report graphic(4)report graphicn n可以输出零件图、可以输出零件图、 固体图、或网格图。固体图、或网格图。n n可以输出可以输出SAT/STEP/IGESSAT/STEP/IGES等文件格式。等文件格式。其他n n包含有很多公司的玻璃材料库，包含有很多公司的玻璃材料库，n n可以进行镀膜分析，可以编辑薄膜，可以进行镀膜分析，可以编辑薄膜，n n可以进行热分析，可以进行热分析，n n可以进行偏振光计算，可以进行偏振光计算，n n可以进行物理光学分析和计算，可以进行物理光学分析和计算，n n可以进行样板比对。可以进行样板比对。练习：Singletn n目的：目的：练习如何建立初始结构、设定视场和工作波长。练习如何建立初始结构、设定视场和工作波长。n n题目：题目：n n建立一个单透镜，入瞳直径为建立一个单透镜，入瞳直径为20mm20mm，二个面的曲率半二个面的曲率半径分别为径分别为100mm,-100mm100mm,-100mm，中心厚度为中心厚度为4 4mmmmn n视场视场0 0，7 7，1010度度n n波长：可见光波长：可见光n n玻璃材料：玻璃材料：BK7BK7n n可以在透镜前面放一个可以在透镜前面放一个stopstop，前后移动它，看它对各种，前后移动它，看它对各种像差的影响情况。像差的影响情况。 SolvesWhat are solves?n nSolves Solves 是是ZEMAXZEMAX中可以主动调整特定值的功能。可以中可以主动调整特定值的功能。可以为为 curvatures, curvatures, thicknesses,glassesthicknesses,glasses, semi-diameters, , semi-diameters, conics, and parametersconics, and parameters等参数指定等参数指定solvesolve。n n Solves Solves的设置，只需要在希望放置的设置，只需要在希望放置solvesolve功能的栏中点功能的栏中点右键或双击左键就可以了。右键或双击左键就可以了。n nSolvesSolves的应用有很多：的应用有很多：n nMaintaining F/#:Maintaining F/#:用用MRAMRA或或F/# curvature solveF/# curvature solve；n nMaintaining paraxial focus:Maintaining paraxial focus:用用MRHMRH；n nMaintaining edge thickness;Maintaining edge thickness;n nLinking values Linking values together:pickuptogether:pickup solve; solve;n nHolding a distance between Holding a distance between surfaces:positionsurfaces:position solve solve。Curvature solvesMarginal ray angle or F/#n nMarginal ray angle Marginal ray angle m(r/fm(r/f) )决定决定F/#F/#：F/#F/#1/2NA=1/2nsin (1/2NA=1/2nsin (mm) )如果系统为如果系统为slowslow（即即F/#F/#大，如大，如F/10F/10或更慢）时，或更慢）时，F/#=1/2nsin (F/#=1/2nsin (m)m)1/(2 1/(2 n n ) )MRA solveMRA solve可以调整任何面（一般是最后一个可以调整任何面（一般是最后一个glass-airglass-air面）的曲率半径，在优化时，保持面）的曲率半径，在优化时，保持F/#F/#固定不变。固定不变。 mm （r/fr/f，- -号表示是会聚光，号表示是会聚光，+ +号表示是发散光），可以号表示是发散光），可以控制透镜的有效焦距控制透镜的有效焦距f(EFLf(EFL) )；Curvature solvesn nChief ray angle:Chief ray angle:控制特定的放大率或使出射光线保持准直控制特定的放大率或使出射光线保持准直（maintaining collimationmaintaining collimation）；）；n nPick up:Pick up:指定指定前面前面某个面，使当前面的曲率半径和指定的面某个面，使当前面的曲率半径和指定的面保持确定关系；保持确定关系；n nMarginal ray normalMarginal ray normal：迫使光学面与近轴边缘光线垂直，也：迫使光学面与近轴边缘光线垂直，也叫叫image-centered surfaceimage-centered surface。产生没有球差或彗差的光学面。产生没有球差或彗差的光学面n nChief ray normalChief ray normal: : 迫使光学面与近轴主光线垂直，也叫迫使光学面与近轴主光线垂直，也叫pupil-centered surfacepupil-centered surface。产生没有彗差、像散或畸变的光学。产生没有彗差、像散或畸变的光学面；面；n nAlplanaticAlplanatic( (齐明的齐明的): ): 迫使光学面对近轴边缘光线齐明的迫使光学面对近轴边缘光线齐明的（消球差）。产生没有球差、彗差或像散的等光程光学面。（消球差）。产生没有球差、彗差或像散的等光程光学面。Curvature solvesn nElement powerElement power: :光学系统的光焦度光学系统的光焦度（n/fn/f）。使指定的。使指定的光学元件的光焦度保持不变，可以控制有效焦距；光学元件的光焦度保持不变，可以控制有效焦距；n nConcentric with surface:Concentric with surface:控制面的曲率，使这个面的控制面的曲率，使这个面的曲率中心落在曲率中心落在前面前面某个面上；某个面上；n nConcentric with radius:Concentric with radius:控制面的曲率，使此面的中心控制面的曲率，使此面的中心与指定的面（前面）的中心为同一点。与指定的面（前面）的中心为同一点。n nF/#(F number):F/#(F number):控制面的曲率，使从这个面出射的边控制面的曲率，使从这个面出射的边缘光线角为缘光线角为 -1/2F-1/2F（F F即为即为D/fD/f， D D为入瞳直径，为入瞳直径， f f为为有效焦距）。可以控制系统的有效焦距。有效焦距）。可以控制系统的有效焦距。Thickness solvesThickness solves Marginal ray height: Marginal ray height:定位像平面定位像平面（常用控制近轴边缘光线在（常用控制近轴边缘光线在后一个面上的高度，使像面处在近轴焦点上）；还后一个面上的高度，使像面处在近轴焦点上）；还可以约束可以约束特定的光束；特定的光束； Chief ray height:Chief ray height:定位定位pupil planepupil plane（近轴主光线高度）。可近轴主光线高度）。可以将光学面移到瞳面上；（应用：以将光学面移到瞳面上；（应用：1 1、它可以将参考面固定、它可以将参考面固定地处在地处在pupilpupil上，上，2 2、定位入、出瞳）；、定位入、出瞳）； Edge thickness:Edge thickness:控制二个面之间的距离，使其在半径为某个控制二个面之间的距离，使其在半径为某个值处为规定的值。可以避免边缘厚度为负或边缘太尖锐；值处为规定的值。可以避免边缘厚度为负或边缘太尖锐； Pick up Pick up：使这个面的：使这个面的thicknessthickness值随指定的面按一定规律变化；值随指定的面按一定规律变化；（主要用于：（主要用于：double pass system, double pass system, endoscopes,relayendoscopes,relay lens lens等等包含多个相同元件的系统中）包含多个相同元件的系统中）. .Thickness solvesn nOptical path difference:Optical path difference:调整调整thicknessthickness，使指定光瞳坐标处，使指定光瞳坐标处的光程差维持一个指定的值；例如：在焦点上，边缘光线和的光程差维持一个指定的值；例如：在焦点上，边缘光线和主光线的光程差相等，可以在像面前面的一个面的厚度处设主光线的光程差相等，可以在像面前面的一个面的厚度处设置置OPD SolveOPD Solve。n nPosition:Position:使这个面到指定参考面的距离（厚度的总和）保持使这个面到指定参考面的距离（厚度的总和）保持为定值。在变焦镜头设计中，可以控制它的某一部分保持固为定值。在变焦镜头设计中，可以控制它的某一部分保持固定的长度。也可以约束整个透镜的长度。定的长度。也可以约束整个透镜的长度。n nCompensator:Compensator:与与positionposition非常类似非常类似, ,显示的是所要控制的厚显示的是所要控制的厚度与参考面厚度之差。表达式为：度与参考面厚度之差。表达式为：T=S-RT=S-R。S S为二个面的厚度为二个面的厚度之和，之和，R R为参考面的厚度。参考面必须在前面。为参考面的厚度。参考面必须在前面。n nCenter of Curvature:Center of Curvature:调整调整thicknessthickness的值，使后面一个面处在的值，使后面一个面处在前面某个面的曲率中心上。前面某个面的曲率中心上。Glass solvesGlass solvesGlass solvesGlass solves Model: Model: 用于玻璃的优化用于玻璃的优化。用三个参数：用三个参数：d d光的折光的折射率、射率、AbbeAbbe数和部分色散项。只能用于可见光，数和部分色散项。只能用于可见光，可能得到不存在的玻璃；可能得到不存在的玻璃；( (不常用不常用) ) Pick up Pick up：随某个指定的面一起变化；：随某个指定的面一起变化； Substitute Substitute：用于：用于glass optimizationglass optimization，它更容它更容易且可靠。在优化时，用易且可靠。在优化时，用hummerhummer优化算法查到合优化算法查到合适的玻璃。适的玻璃。 Offset Offset：允许在折射率或者：允许在折射率或者AbbeAbbe数上增加一个小数上增加一个小的偏移量。用于公差计算。的偏移量。用于公差计算。Semi-Diameter solvesSemi-Diameter solvesn nAutomaticAutomatic：根据入瞳自动调整孔径大小根据入瞳自动调整孔径大小n nFixedFixed：输入为固定的值输入为固定的值n nPick upPick up：n nMaximumMaximum：在：在multiple configurationmultiple configuration中，计算中，计算所有结构中的半径值，然后使用最大的一个值。所有结构中的半径值，然后使用最大的一个值。其它solvesn nConicConic， Parameters Parameters也可以设置也可以设置solvesolve，但一般只但一般只有有Fixed, VariableFixed, Variable和和Pick upPick up三种类型。三种类型。n nCoordCoord break break的的ParametersParameters可以设置可以设置chief raychief ray的求的求解类型。只用于解类型。只用于coordinate breakcoordinate break面的前面的前4 4个参数。个参数。Solve使用建议n nSolveSolve的计算是从第的计算是从第1 1个面到像面顺序进行的，对个面到像面顺序进行的，对参数计算的顺序是：参数计算的顺序是：curvature, thickness, glass, curvature, thickness, glass, semi-diameter, conic, parametersemi-diameter, conic, parameter；n n因为因为curvaturecurvature和和thicknessthickness的求解会影响入瞳的位的求解会影响入瞳的位置，所以不允许将依赖于光线追迹的求解放在光置，所以不允许将依赖于光线追迹的求解放在光栏的前面（如栏的前面（如marginal ray heightmarginal ray height）；）；n nSolveSolve是高效的，在设计过程中尽可能用它来代替是高效的，在设计过程中尽可能用它来代替优化变量控制一些参数。优化变量控制一些参数。练习n n用用SolveSolve求解的方法，将前面设计的单透镜的焦距求解的方法，将前面设计的单透镜的焦距控制为控制为100100mmmm，n n用用SolveSolve将像面移到焦点上。将像面移到焦点上。Analysis8/11/20248/11/20246161版权所有版权所有 2003 2003 讯技光电科技讯技光电科技( (上上海海) )股份有限公司股份有限公司像质评价与分析 ZEMAX ZEMAX提供了丰富的像质评价指标，评价小像差提供了丰富的像质评价指标，评价小像差系统的波像差、圆内能量集中度；评价大像差系系统的波像差、圆内能量集中度；评价大像差系统的点列图、弥散圆；统的点列图、弥散圆；MTFMTF、PSFPSF; ;几何像差评价几何像差评价方法。方法。可以给出可以给出SeidelSeidel和和ZERNIKEZERNIKE像差系数像差系数可以进行扩展光源的分析可以进行扩展光源的分析像质评价结果表现形式多种多样，既有各种直观像质评价结果表现形式多种多样，既有各种直观的图形表示方法，也有详细的数据报表。的图形表示方法，也有详细的数据报表。像质评价报告结果示例像质评价指标Fans(Fans(扇形图，垂轴几何像差等扇形图，垂轴几何像差等) )Spot Diagram(Spot Diagram(几何点列图，弥散斑几何点列图，弥散斑) )MTFMTF（调制传递函数）调制传递函数）PSFPSF（点扩展函数）点扩展函数）WavefrontWavefront( (波像差波像差) )能量分析能量分析Miscellaneous(Miscellaneous(杂项，几何像差杂项，几何像差) )像差系数像差系数扩展光源分析扩展光源分析Layout 2D,3D 2D,3D：系统的系统的2 2维和维和3 3维图。维图。如果系统不是旋转对称的，如果系统不是旋转对称的，则只能用则只能用3D layout3D layout； Wireframe Wireframe：3 3维网格图；维网格图； Shaded Model,Solid Model Shaded Model,Solid Model：3 3维固体图。维固体图。solid model solid model plot plot 对一些自定义的对一些自定义的apertures or obscurationsapertures or obscurations不能正不能正确画出地确画出地surface;surface; ZemaxZemax Element Drawing Element Drawing：用于车间加工的工程图。可用于车间加工的工程图。可以是以是surface, singlet, doubletsurface, singlet, doublet； ISO Element Drawing ISO Element Drawing：按照按照ISO 10110ISO 10110标准。可以是标准。可以是surface, singlet, doubletsurface, singlet, doublet。 NSC Layout NSC Layout fans：光学中的光学中的FansFans即光扇图，是与光学设计即光扇图，是与光学设计中的子午面和弧矢面的光线结构相对应的。由任中的子午面和弧矢面的光线结构相对应的。由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内形成子午扇形光线与弧矢扇形光线内和弧矢面内形成子午扇形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可统称为标，可统称为FansFans。因此，。因此，FansFans描述的是子午与描述的是子午与弧矢两个截面内的像差曲线图。弧矢两个截面内的像差曲线图。 Fans Ray AberrationRay Aberration：子午和弧矢垂轴像差，它全：子午和弧矢垂轴像差，它全面反映了细光束和宽光束的成像质量。它是光面反映了细光束和宽光束的成像质量。它是光线在理想像面上的交点和主光线在理想像面上线在理想像面上的交点和主光线在理想像面上交点间的距离，可以看出理想像面上像的最大交点间的距离，可以看出理想像面上像的最大弥散范围。横坐标是归一化入瞳坐标。弥散范围。横坐标是归一化入瞳坐标。 Ray aberrationRay aberration描述几何像差的垂轴表示法曲描述几何像差的垂轴表示法曲线，它为线，它为FieldsFields对话框中定义的每一个视场绘对话框中定义的每一个视场绘制出像面制出像面(XOY(XOY平面平面) )上上X X分量像差分量像差(X (X aberration)aberration)和和Y Y分量像差分量像差(Y aberration)(Y aberration)随光随光线孔径高之间的变化曲线。通常线孔径高之间的变化曲线。通常X aberrationX aberration用用EXEX表示，表示， Y aberrationY aberration用用EYEY表示，光线孔径表示，光线孔径高用高用PXPX、PY(PY(归一化值归一化值) )表示。其作图原理见下表示。其作图原理见下图。图。Fans由由Ray aberrationRay aberration图可以图可以看出几何像差存在时的综看出几何像差存在时的综合弥散情况，还可以看出合弥散情况，还可以看出其他独立几何像差的大小，其他独立几何像差的大小，如由原点处曲线的斜率可如由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差，诸如球以反映轴向像差，诸如球差、场曲、离焦的大小；差、场曲、离焦的大小；由曲线边缘孔径由曲线边缘孔径(1.0)(1.0)处处的的Y aberrationY aberration之和，能之和，能够反映彗差的大小；如果够反映彗差的大小；如果工作波长是一光谱段，则工作波长是一光谱段，则非主波长的曲线与非主波长的曲线与EYEY轴的轴的交点之差反映了垂轴色差交点之差反映了垂轴色差的大小，随着视场的变化，的大小，随着视场的变化，可以看出垂轴色差的变化，可以看出垂轴色差的变化，等等。等等。FansFans Optical PathOptical Path：实际光线和主光线的：实际光线和主光线的OPDOPD之差之差( (波像差波像差) )。OPD vs. OPD vs. 归一化出瞳坐标曲线图；只能对光栏后的面进归一化出瞳坐标曲线图；只能对光栏后的面进行计算。行计算。 Pupil AberrationPupil Aberration：光栏面上实际光线交点和轴上主波长：光栏面上实际光线交点和轴上主波长近轴光线交点坐标之差与近轴光栏半径之比。光栏面上近轴光线交点坐标之差与近轴光栏半径之比。光栏面上入瞳畸变入瞳畸变 vs. vs. 归一化入瞳坐标。可以归一化入瞳坐标。可以指导是否要用指导是否要用ray ray aimingaiming。 Ray aberrationRay aberration仅能反映子午、弧矢面内光线造仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，点列图则能反映任一物点发出充成像的弥散情况，点列图则能反映任一物点发出充满入瞳的光锥在像面上的交点弥散情况。满入瞳的光锥在像面上的交点弥散情况。 点列图通常以主光线与像面交点为原点进行量化点列图通常以主光线与像面交点为原点进行量化计算点列图的弥散情况，计算点列图的弥散情况，ZEMAXZEMAX在此基础上还给出在此基础上还给出了以虚拟的了以虚拟的“ “质心质心” ”、“ “平均平均” ”为原点的量化点列为原点的量化点列图。图。 使用点列图评价像质，除了观看点列图形状外，使用点列图评价像质，除了观看点列图形状外，通常还要使用两个指标，即通常还要使用两个指标，即RMS RadiusRMS Radius与与GEO GEO RadiusRadius，前者表示点列图中大多数点的分布范围，前者表示点列图中大多数点的分布范围，即集中的弥散半径，后者表示点列图弥散的实际几即集中的弥散半径，后者表示点列图弥散的实际几何半径。何半径。 由点列图的图案及其大小也可以估算独立几何像由点列图的图案及其大小也可以估算独立几何像差的大小。差的大小。Spot Diagrams仅有离焦像差时的点列图及光扇图仅有球差像差时的点列图及光扇图彗差像散Spot Diagrams Standard Standard：显示不同视场的显示不同视场的Spot DiagramSpot Diagram，给出给出GEO GEO 和和RMS spot sizeRMS spot size及及Airy DiskAiry Disk； Through focus Through focus：离开焦平面不同距离的离开焦平面不同距离的spot spot diagramdiagram。可以估测像散，或者分析最佳焦点或者。可以估测像散，或者分析最佳焦点或者焦深；焦深； Full FieldFull Field：所有视场的点列图。可以确认二个很：所有视场的点列图。可以确认二个很近的像点是否能够被分辨；近的像点是否能够被分辨； Matrix, Configuration MatrixMatrix, Configuration Matrix：同时列出不同结：同时列出不同结构的所有视场的点列图。构的所有视场的点列图。 MTF MTF是目前使用比较普遍的一种像质评价指标，称为调是目前使用比较普遍的一种像质评价指标，称为调制传递函数。曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为制传递函数。曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为lplp/mm/mm，纵轴表示对这些线对分辨的调制度。低频部分反映，纵轴表示对这些线对分辨的调制度。低频部分反映物体轮廓传递情形；中频部分反映光学物体层次传递情况；物体轮廓传递情形；中频部分反映光学物体层次传递情况；高频部分反映物体细节传递情况。高频部分反映物体细节传递情况。对于目视系统：对于目视系统：MTF0.05MTF0.05；对于摄录系统：；对于摄录系统：MTF0.15MTF0.15 用用MTFMTF评价像质时要注意评价像质时要注意：（：（1 1）对每一种镜头系统，）对每一种镜头系统，要根据物面特征、探测器像素与响应情况，确定评价时的特要根据物面特征、探测器像素与响应情况，确定评价时的特征频率和对比度阈值；（征频率和对比度阈值；（2 2）查看）查看MTFMTF数值时，要看多色数值时，要看多色MTFMTF在每一视场处的子午和弧矢传函曲线，还要查看每一波在每一视场处的子午和弧矢传函曲线，还要查看每一波长下每一个视场处的子午和弧矢单色传函曲线；（长下每一个视场处的子午和弧矢单色传函曲线；（3 3）MTFMTF值跟波像差、点列图一样，只反映成像清晰度，不反映变形，值跟波像差、点列图一样，只反映成像清晰度，不反映变形，所以要检查物像相似程度，还要看畸变曲线。所以要检查物像相似程度，还要看畸变曲线。FFT MTFFFT MTF FFT MTF: FFT MTF:用用FFTFFT算法计算所有视场的衍射算法计算所有视场的衍射MTF(OPD10waveMTF(OPD10wave) )。假定在出瞳上的光线分布是均匀的。假定在出瞳上的光线分布是均匀的。截止频率为截止频率为1/(1/(F/#)=1/2F/#)=1/2nsinnsin；物的类型有：正弦；物的类型有：正弦波波( (real, imaginary, phase)real, imaginary, phase)和方波和方波( (square)square)响应。响应。 FFT Through Focus MTF:FFT Through Focus MTF:在指定空间频率下，在指定空间频率下，FFT MTF FFT MTF vs. focus shiftvs. focus shift； FFT Surface MTFFFT Surface MTF：显示：显示MTFMTF数据的数据的3 3D surface, contour, D surface, contour, grey scale grey scale 或或Color mapColor map； FFT MTF vs. Field:FFT MTF vs. Field:以图的形式显示以图的形式显示FFT MTF vs. Field FFT MTF vs. Field positionposition； FFT MTF map:FFT MTF map:在一个矩形视场区域内，计算不同视场点的在一个矩形视场区域内，计算不同视场点的FFT MTFFFT MTF。Huygens MTF Huygens MTFHuygens MTF：计算：计算Huygens PSFHuygens PSF的的FFTFFT。出瞳存在出瞳存在严重的拉伸时，在出瞳上的光线分布不均匀，比严重的拉伸时，在出瞳上的光线分布不均匀，比FFT MTFFFT MTF更普遍使用。更普遍使用。 Huygens Through Focus MTF: vs. focus shiftHuygens Through Focus MTF: vs. focus shift：在不同离焦距离下的在不同离焦距离下的Huygens MTFHuygens MTF的变化曲线；的变化曲线； Huygens Surface MTF:Huygens Surface MTF:用用MTFMTF的的surface, grey surface, grey scale, false color scale, false color 或者或者contour plotcontour plot显示数据。显示数据。Geometric MTF Geometric MFTGeometric MFT：是衍射：是衍射MTFMTF的近似。当的近似。当OPDOPD比较大比较大时（如时（如1010个波长），或者不接近衍射极限时，计个波长），或者不接近衍射极限时，计算几何算几何MTFMTF； Geometric Through Focus MFTGeometric Through Focus MFT：在指定的空间频：在指定的空间频率下，离焦点不同距离处的率下，离焦点不同距离处的MTFMTF分布。分布。 Geometric MFT vs. FieldGeometric MFT vs. Field：MTFMTF随视场的分布曲随视场的分布曲线。线。 Geometric MTF Geometric MTF Map:MTFMap:MTF vs. X vs. X，Y Y视场。视场。X X，Y Y坐坐标表示二个方向的视场，用伪彩色表示标表示二个方向的视场，用伪彩色表示MTFMTF随视场随视场的分布情况的分布情况PSF（点扩散函数） FFT PSF FFT PSF: :用用FFTFFT的方法计算衍射的的方法计算衍射的PSFPSF。出瞳上波前复出瞳上波前复振幅的振幅的FFTFFT，计算系统中单个点光源通过系统所成衍，计算系统中单个点光源通过系统所成衍射像的强度，计算速度快。射像的强度，计算速度快。 FFT PSF Cross Section FFT PSF Cross Section：FFT PSTFFT PST剖面图；剖面图； FFT Line/Edge FFT Line/Edge SpreadSpread：FFTFFT线线/ /刀口扩散函数；刀口扩散函数； Huygens PSF Huygens PSF：根据根据H Huygensuygens原理，原理，用用HuygensHuygens子波子波直接积分的方法计算。认为波面上每个点是一个理想直接积分的方法计算。认为波面上每个点是一个理想的点光源，即子波（的点光源，即子波（waveletwavelet）。唯一不足是计算速。唯一不足是计算速度慢。度慢。 Huygens PSF Cross Section Huygens PSF Cross Section： Huygens Huygens PSTPST剖面图剖面图Wavefront WavefrontWavefront Map: Map:显示波像差图。显示波像差图。 InterferogramInterferogram（用于干涉系统分析中）：产生和用于干涉系统分析中）：产生和显示干涉图；显示干涉图； Foucault Analysis(Foucault Analysis(傅科刀口分析傅科刀口分析) )：产生和显示：产生和显示FoucaultFoucault刀口阴影图。模拟焦点附近任何位置上刀口阴影图。模拟焦点附近任何位置上x x或者或者y y方向的刀口，然后计算由刀口渐晕光束回到方向的刀口，然后计算由刀口渐晕光束回到近场的阴影图。近场的阴影图。Surface Surface SagSurface Sag：在：在XYXY平面上均匀网格点上计算的，平面上均匀网格点上计算的，显示显示z z方向的方向的sagsag值。值。 Surface PhaseSurface Phase：显示某个面对通过的光线的位：显示某个面对通过的光线的位相改变情况，单位为周期。相改变情况，单位为周期。RMSn nRMS vs. RMS vs. FieldField：RMSRMS radial, x, and y spot radial, x, and y spot radius, RMS radius, RMS wavefrontwavefront error, or error, or StrehlStrehl ratio ratio对视对视场角的变化曲线；场角的变化曲线；n nRMS vs. RMS vs. WavelengthWavelength：RMSRMS radial, x, and y spot radial, x, and y spot radius, RMS radius, RMS wavefrontwavefront error, or error, or StrehlStrehl ratio ratio对波对波长的变化曲线；长的变化曲线；n nRMS vs. RMS vs. FocusFocus：RMSRMS radial, x, and y spot radial, x, and y spot radius, RMS radius, RMS wavefrontwavefront error, or error, or StrehlStrehl ratio ratio对焦对焦点位置变化的曲线。点位置变化的曲线。Encircled energy Diffraction:Diffraction:点物的像面上，某个半径范围内包含点物的像面上，某个半径范围内包含的能量占整个能量的百分比的能量占整个能量的百分比 vs. vs. 到主光线或像的到主光线或像的质心的距离；质心的距离； Geometric: Geometric:用光线用光线- -像面交点数目的方法计算圆内像面交点数目的方法计算圆内能量；能量； Line/Edge Response:Line/Edge Response:计算线物或者边缘物（半无计算线物或者边缘物（半无限大平面）的像的光强分布图的截面图；限大平面）的像的光强分布图的截面图； Extended Source:Extended Source:用扩展光源分析。用扩展光源分析。Illumination Relative IlluminationRelative Illumination：在均匀的在均匀的LambertianLambertian照明照明下，出瞳上相对照度下，出瞳上相对照度 vs. radial y field vs. radial y field 曲线；曲线； VignettingVignetting Plot Plot：渐晕光线比例渐晕光线比例 vs.vs.视场角视场角曲线曲线; ; Illumination XY scan Illumination XY scan：扩展光源，沿像面截面照扩展光源，沿像面截面照度的分布曲线度的分布曲线; ; Illumination 2D surface Illumination 2D surface：在一个二维面上计算扩在一个二维面上计算扩展光源的照度分布的像。展光源的照度分布的像。Image Analysisn nImage AnalysisImage Analysis实际上就是扩展光源成像分析。主要实际上就是扩展光源成像分析。主要目的是显示物通过光学系统后的直观像。这个物可以目的是显示物通过光学系统后的直观像。这个物可以是自定义，也可以是标准的是自定义，也可以是标准的2424bitbit彩色彩色BMPBMP或或JPEGJPEG文文件，可以是任何形状。件，可以是任何形状。n n有三类有三类image analysis:image analysis:（1 1）Geometric using IMA file:Geometric using IMA file:适合看大视场的效果适合看大视场的效果和大像差系统，如畸变；和大像差系统，如畸变；（2 2）Geometric using BMP file:Geometric using BMP file:同（同（1 1）（3 3）Diffraction using IMA file:Diffraction using IMA file:适合看小视场和中适合看小视场和中等像差的系统效果，如外形边缘的衍射模糊。等像差的系统效果，如外形边缘的衍射模糊。Image Analysis Geometric Image Analysis:Geometric Image Analysis:可以对扩展光源建模、分析可以对扩展光源建模、分析分辨率、表示所成像的物的外貌及直观地看到像的旋转分辨率、表示所成像的物的外貌及直观地看到像的旋转情况；情况；用特殊的用特殊的IMA or BIMIMA or BIM文件。文件。 Geometric bitmap Image Analysis:Geometric bitmap Image Analysis:用用RGB bitmapRGB bitmap文件文件作光源，产生作光源，产生RGBRGB彩色像。用几何光线追迹；彩色像。用几何光线追迹； Diffraction Diffraction Image AnalysisImage Analysis：基于：基于FourierFourier光学，用光学，用OTFOTF计算扩展光源的像的外观。计算扩展光源的像的外观。OTFOTF不变；这种方法考虑不变；这种方法考虑有限通带和其它在像面上与衍射有关效应。有限通带和其它在像面上与衍射有关效应。 Extended Diffraction Image Analysis Extended Diffraction Image Analysis：用：用OTFOTF计算扩计算扩展光源的像的外观。展光源的像的外观。 像面上不同视场上的像面上不同视场上的OTFOTF不同。不同。Miscellaneous Field CurvatureField Curvature：不同视场的场曲曲线；当前焦平面到近轴焦不同视场的场曲曲线；当前焦平面到近轴焦面的距离，纵轴为归一化视场，面的距离，纵轴为归一化视场，( (S,TS,T曲线之间的横向距离就曲线之间的横向距离就是象散是象散) ) DistortionDistortion：不同视场的畸变曲线；不同视场的畸变曲线； Grid Distortion:Grid Distortion:网格畸变图；网格畸变图； Footprint DiagramFootprint Diagram：足迹足迹图图分析分析。光线在不同面上的分布情况光线在不同面上的分布情况图；图； Longitudinal AberrationLongitudinal Aberration：纵向像差，即球差。纵向像差，即球差。纵纵轴轴是是归归一一化化入入瞳瞳坐标坐标，横轴是横轴是像像面面到到光光线线与与光光轴轴交交点点之间之间的的距离距离。仅用仅用于旋转对称系统。于旋转对称系统。 Lateral ColorLateral Color：横向横向色差色差，即垂轴色差，即垂轴色差( (或放大率色差或放大率色差) ) Vs. Vs. 视视场。场。仅用于旋转对称系统。仅用于旋转对称系统。MiscellaneousY-Y-YbarYbar图：每个面上边缘光线高度图：每个面上边缘光线高度 Vs.Vs.近轴斜入射主近轴斜入射主光线高度；光线高度；Chromatic Focal Shift:Chromatic Focal Shift:彩色焦移曲线。后节距随波长彩色焦移曲线。后节距随波长的变化曲线；的变化曲线； Dispersion Diagram Dispersion Diagram：玻璃色散玻璃色散曲线曲线。折射率折射率 vs.vs.波长；波长；Glass Map:Glass Map:根据折射率和根据折射率和AbbeAbbe数画出的玻璃分布图；数画出的玻璃分布图； Int. Transmission vs. Wavelength Int. Transmission vs. Wavelength：不同厚度的玻璃：不同厚度的玻璃透过率情况。透过率情况。Aberration coefficientsn nSeidel CoefficientsSeidel Coefficients：显示每个面的显示每个面的SeidelSeidel系数，系数，包括总的包括总的, ,横向的，纵向的横向的，纵向的和波像差的系数；只能和波像差的系数；只能适用于所有面都是适用于所有面都是standard surfacestandard surface的系统；的系统；n nZernikeZernike Fringe Coefficients Fringe Coefficients：用条纹多项式表示用条纹多项式表示的的ZernikeZernike系数，共系数，共3737项；项；n nZernikeZernike Standard Coefficients Standard Coefficients：正交的正交的ZernikeZernike coefficientscoefficients，共共2828项；项；n nZernikeZernike Annular Coefficients Annular Coefficients：正交的正交的ZernikeZernike coefficientscoefficients，共共2222项；项；CalculationsRay Trace:Ray Trace:单根近轴和真实光线追迹时，光线在各个面上的交单根近轴和真实光线追迹时，光线在各个面上的交点坐标（光线的方向余弦、角的正切、近轴边缘光线和主光点坐标（光线的方向余弦、角的正切、近轴边缘光线和主光线的夹角）；线的夹角）；Fiber Coupling Efficiency:Fiber Coupling Efficiency:计算单模光纤耦合系统的耦合效率。计算单模光纤耦合系统的耦合效率。YNI Contributions:YNI Contributions:列出每个面的近轴列出每个面的近轴YNIYNI（Y Y：近轴像高；：近轴像高；N N：折射率，折射率，I I：入射角）贡献值；拉赫不变量：入射角）贡献值；拉赫不变量。 Sag Table Sag Table：列出所选面上，距顶点不同距离处的列出所选面上，距顶点不同距离处的surface surface sagsag(z(z坐标坐标) )。给出最佳拟合球面的数据及偏差，在镜头制造时。给出最佳拟合球面的数据及偏差，在镜头制造时有用。只考虑有用。只考虑y y坐标，所以对非旋转对称系统会无意义。坐标，所以对非旋转对称系统会无意义。 Cardinal Points Cardinal Points：基点。给出所选择的面范围内的子系统对所基点。给出所选择的面范围内的子系统对所选波长的焦面、主（反主）平面、节（反节）平面。选波长的焦面、主（反主）平面、节（反节）平面。Polarization Polarization Ray Trace Polarization Ray Trace：显示单根光线的偏振数据；显示单根光线的偏振数据； Polarization pupil mapPolarization pupil map：显示瞳上偏振状态的变化情况；显示瞳上偏振状态的变化情况；不同面上偏振椭圆不同面上偏振椭圆 vs.vs.瞳位置图；瞳位置图； Transmission:Transmission:考虑偏振时，主光线在各个面上的透射率；考虑偏振时，主光线在各个面上的透射率； Phase Aberration Phase Aberration：计算偏振引起的光学系统的像差，计算偏振引起的光学系统的像差，主要是电介质折射和导体及电介质的反射引起的。指定主要是电介质折射和导体及电介质的反射引起的。指定视场和波长，像面上视场和波长，像面上X X和和Y Y方向的偏振位相像差。方向的偏振位相像差。 Transmission Fan Transmission Fan：每个视场和波长上，透过率每个视场和波长上，透过率vs.vs.瞳上瞳上弧矢或子午光瞳像差。可以确定瞳上透过率对视场和波弧矢或子午光瞳像差。可以确定瞳上透过率对视场和波长的变化情况。长的变化情况。Coatings Reflection Reflection: :反射光线，计算电场的反射光线，计算电场的S S，P P分量及其平分量及其平均偏振强度系数对入射角及波长的关系曲线；均偏振强度系数对入射角及波长的关系曲线； Transmission Transmission: :透射光线，计算电场的透射光线，计算电场的S S，P P分量及其分量及其平均偏振强度系数对入射角及波长的关系曲线；平均偏振强度系数对入射角及波长的关系曲线； Absorption Absorption: :吸收光线，计算电场的吸收光线，计算电场的S S，P P分量及其平分量及其平均偏振强度系数对入射角及波长的关系曲线；均偏振强度系数对入射角及波长的关系曲线； DiattenuationDiattenuation: : 反射反射R R和透射和透射T T的二次衰减对入射角的二次衰减对入射角和波长的关系曲线；和波长的关系曲线； Phase: Phase: 反射或者透射光线的反射或者透射光线的S S和和P P偏振的位相对入射偏振的位相对入射角和波长的关系曲线；角和波长的关系曲线； RetardanceRetardance: :计算指定面的位相延迟。计算指定面的位相延迟。Optimization8/11/20248/11/20249292版权所有版权所有 2003 2003 讯技光电科技讯技光电科技( (上上海海) )股份有限公司股份有限公司内容提要 Optimization Optimization概述概述Damped least squaresDamped least squaresConstraintsConstraintsDefault Merit functionsDefault Merit functionsOperands Operands Optimization概述n n optimization optimization是是ZEMAXZEMAX最重要的功能之一。最重要的功能之一。n n optimization optimization是通过改变光学系统中的结构参数（变是通过改变光学系统中的结构参数（变量）的值，提高系统的成像质量。量）的值，提高系统的成像质量。 这些变量可以是这些变量可以是 surface curvatures, element and air-space surface curvatures, element and air-space thicknesses, tilt angles, etc. thicknesses, tilt angles, etc. n n用用OperandsOperands定义定义Merit functionMerit function，通过比较给定光学通过比较给定光学系统和满足所有设计要求的系统的系统和满足所有设计要求的系统的MFMF值，来评价系值，来评价系统的好坏。统的好坏。n n一般用迭代（一般用迭代（iterativeiterative）的方法的方法, , 为变量选定一个起为变量选定一个起始点和一种优化算法，迭代地改变变量的值，以找出始点和一种优化算法，迭代地改变变量的值，以找出最小的最小的MFMF值值。Local Optimizationn n这种近似与初始点的选择有关这种近似与初始点的选择有关 ：如果起始点选在：如果起始点选在Region A or Region C, Region A or Region C, 则可以在则可以在x = a or x = cx = a or x = c到达到达 local local 最小值最小值, ,而不是在而不是在x = bx = b处的处的 global global 最小值。最小值。Local VS. Global Optimizationn nLocal optimizationLocal optimization：从给定的起始点，找到能从给定的起始点，找到能够达到的最佳设计；上图中的够达到的最佳设计；上图中的a,b,ca,b,c都是都是LocalLocal最最佳设计值；佳设计值；n nGlobal optimizationGlobal optimization：在一个范围内找到最佳设在一个范围内找到最佳设计。上图中只有计。上图中只有b b是是Global Global 最佳设计值。最佳设计值。Optimization过程Damped Least Squares(DLS)n nDLSDLS算法是所有光学设计软件中的基本优化算法。算法是所有光学设计软件中的基本优化算法。假定假定Merit functionMerit function定义为如下形式：定义为如下形式：式中式中WW为操作数的权重的绝对值，为操作数的权重的绝对值， V V为当前值，为当前值， T T 是是目标值，下标目标值，下标i i是操作数的号码是操作数的号码 (row number in the (row number in the spreadsheet).spreadsheet).目标：找出目标：找出x x使使MFMF的值最小。的值最小。Constraints要约束某个量，可以有三种方法：要约束某个量，可以有三种方法：n nSolvesSolves：可以精确地对一些近轴特性进行控可以精确地对一些近轴特性进行控制。如在镜头的最后一个面设置制。如在镜头的最后一个面设置axial ray axial ray angle solveangle solve为为0.10.1，则可以使则可以使 f fnumbernumber保持保持常数常数 5 5；n n在在 Merit functionMerit function用操作数控制变量的范围用操作数控制变量的范围: :在在Merit functionMerit function中增加中增加operandoperand，控制某个控制某个量的最大值或最小值。如厚度量的最大值或最小值。如厚度10;10;n nConstraint operandsConstraint operands：控制控制OperandOperand，使控使控制的量为定义的精确数值。制的量为定义的精确数值。Common constraintsn nLens Lens 要有一定的要有一定的size,cost,weightsize,cost,weightn nEdgeEdge和和center thicknesscenter thickness必须为正必须为正n nMinimum number of elements desiredMinimum number of elements desiredn n加工制造尽可能简单加工制造尽可能简单n n尽可能用便宜的材料尽可能用便宜的材料Default Merit functionsDefault Merit functions支持支持2020多个不同的多个不同的Default Merit functionsDefault Merit functions：n nOptimization Optimization typetype：RMSRMS or Peak-To-Valley or Peak-To-Valleyn nData type: Data type: WavefrontWavefront, spot radius, spot x, spot y, or spot x plus spot , spot radius, spot x, spot y, or spot x plus spot y yn nReference pointReference point：Reference to Reference to CentroidCentroid ，Chief Ray or MeanChief Ray or Meann nPupil integration methodPupil integration method：Use Gaussian Use Gaussian QuadratureQuadrature or Rectangular or Rectangular ArrayArrayn n上面的优化函数可以自由组合。上面的优化函数可以自由组合。Gaussian Gaussian QuadratureQuadrature：几乎所有的情况下都用几乎所有的情况下都用GQGQ，因为它比其它方法，因为它比其它方法精确得多，而且用的光线的数目也很少；不能有渐晕系数。精确得多，而且用的光线的数目也很少；不能有渐晕系数。Rectangular Rectangular ArrayArray：GQGQ的唯一缺点是不能用在带孔的光学系统中，这的唯一缺点是不能用在带孔的光学系统中，这时候只有用时候只有用RARA。RARA算法的优点是能够精确计算优化函数中的渐晕效应。算法的优点是能够精确计算优化函数中的渐晕效应。Default Merit functionsOptimization type:Optimization type:系统缺省的优化类型：系统缺省的优化类型： 1 1）RMSRMS（common usecommon use）； 2 2）PTVPTV（rarerare use use）：）：如，如果所有的光线需要落在如，如果所有的光线需要落在FiberFiber或或detectordetector的一个圆形区域内，这时的一个圆形区域内，这时 Peak-To-Valley (PTV) Peak-To-Valley (PTV)会更好。它使误差的会更好。它使误差的PTVPTV的范围最小。的范围最小。Data type:Data type:系统给出的构建评价函数的数据类型：系统给出的构建评价函数的数据类型： 1) 1) WavefrontWavefront：波像差（像差小于：波像差（像差小于2 2个波长的系统）个波长的系统） 2) Spot Radius2) Spot Radius( (弥散圆半径弥散圆半径) )（像差大于像差大于2 2个波长的系统）个波长的系统） 3 3）Spot Spot X X（x x方向弥散圆的大小）方向弥散圆的大小） 4 4）Spot Spot Y Y（y y方向弥散圆的大小）方向弥散圆的大小） 5 5）Spot X and Spot X and Y Y（x x和和y y方向弥散圆的大小）方向弥散圆的大小）Default Merit functionsReference pointReference point：缺省优化时缺省优化时RMSRMS和和PTVPTV的参考点。的参考点。 1 1）CentroidCentroid ( (质心质心) )：常用。特别是数据类型为波：常用。特别是数据类型为波像差时；当出现彗差时，用质心作参考点更有意义，像差时；当出现彗差时，用质心作参考点更有意义，因为彗差使像的质心偏移主光线。因为彗差使像的质心偏移主光线。 2 2）Chief Ray(Chief Ray(主波长的主光线主波长的主光线) )； 3 3）Mean(Mean(平均值平均值) )：只能用于数据类型是波像差的：只能用于数据类型是波像差的情况；情况；Rings and Armsn n对光学设计，积分是在入瞳上的。对光学设计，积分是在入瞳上的。n nGQ GQ 算法需要指定算法需要指定 “Rings” “Rings”和和“Arms”“Arms”的数目。的数目。n n“ “Rings”Rings”指定每个视场和波长追迹多少光线；对旋转对指定每个视场和波长追迹多少光线；对旋转对称系统和非旋转对称系统，光线的数量不同。称系统和非旋转对称系统，光线的数量不同。n n “ “Arms”Arms”指定多少指定多少radial armsradial arms。指定在指定在pupilpupil中追迹的光线中追迹的光线的的radial arms radial arms 数目。数目。n n对大多数光学设计，对大多数光学设计，3 3ringsrings足够了；对非球面用足够了；对非球面用4 4个个ringsrings。n n缺省值，追迹缺省值，追迹6 6个等间隔的个等间隔的(in angle) arms (in angle) arms (对旋转对称系对旋转对称系统追迹统追迹3 3个个) )。可以改为可以改为8,10,128,10,12。但对大多数的光学系统，。但对大多数的光学系统，6 6个足够了。（因为个足够了。（因为pupil aberrationpupil aberration对角度变化很慢）。对角度变化很慢）。Rings and Armsn n这里是缺省的这里是缺省的3 3 rings ,6armsrings ,6arms的的pupil samplingpupil sampling。对对LRLR对称系统，只追迹一半的对称系统，只追迹一半的pupilpupil，对圆形对对圆形对称系统，只追迹一个称系统，只追迹一个armarm。Gridsn n “Grid“ “Grid“只能用于只能用于RA RA 算法。其值决定所用的光线的数目。算法。其值决定所用的光线的数目。可以是可以是 4x4 (16 rays per field per wavelength), 6x6 4x4 (16 rays per field per wavelength), 6x6 (36 rays per field per wavelength)(36 rays per field per wavelength)等；等； n n如果光线跑到入瞳外面去了，则这个如果光线跑到入瞳外面去了，则这个gridgrid中的光线自动中的光线自动略去，所以用的光线的实际数目要比略去，所以用的光线的实际数目要比grid sizegrid size中的少中的少 ；n n应用时，选择大的应用时，选择大的grid density,grid density,然后选择然后选择“Delete “Delete Vignetted”Vignetted”（meritmerit function function中的所有光线都会通过系统中的所有光线都会通过系统追迹）比较好。因为这样光线可以充满追迹）比较好。因为这样光线可以充满pupil,pupil,会删除渐会删除渐晕操作数。光线的数目可以精确反映系统的孔径。晕操作数。光线的数目可以精确反映系统的孔径。Boundary valueThickness Boundary valueThickness Boundary value：1 1）正透镜边缘厚度；）正透镜边缘厚度；2 2）负透镜中心厚度；）负透镜中心厚度；3 3）空气间隔）空气间隔Assume Axial SymmetryAssume Axial Symmetry: :可以减少追迹的光线数目，加可以减少追迹的光线数目，加速优化过程，但不降低精度；速优化过程，但不降低精度；Relative X WeightRelative X Weight：另外增加一个像差的：另外增加一个像差的X X分量权重，象分量权重，象光谱仪中，要用到狭缝像时，可以用这个进行控制；光谱仪中，要用到狭缝像时，可以用这个进行控制；Overall WeightOverall Weight: :一般设置为一般设置为1 1。Ignore Lateral ColorIgnore Lateral Color：对不同的波长按不同的参考点计：对不同的波长按不同的参考点计算。用于按波长来分光分色系统设计中，如棱镜或者算。用于按波长来分光分色系统设计中，如棱镜或者光谱仪等。光谱仪等。Weight操作数的权重：绝大部分为正。操作数的权重：绝大部分为正。1 1）000，使，使MFMF最小。最小。Default Merit functions的不足n n如果如果field field 、 wavelength values wavelength values 、 weights weights改变了，改变了，则必须重新构建则必须重新构建 default merit function. default merit function.n n如果用如果用RA RA 算法，如果在优化过程中渐晕有一点变算法，如果在优化过程中渐晕有一点变化，也需要重新构建化，也需要重新构建 default merit function. default merit function.OperandsZEMAXZEMAX提供了提供了200200多种操作数多种操作数( (用用4 4个大写字母缩写个大写字母缩写组成组成) )，如如EFFLEFFL，可以控制包括系统参数、像差、可以控制包括系统参数、像差、MTFMTF、圆内能量集中度、光线约束、边界约束条件、圆内能量集中度、光线约束、边界约束条件、玻璃材料的范围等。玻璃材料的范围等。Defining complex operandsZEMAXZEMAX缺省的缺省的MFMF不能满足用户需要时，用户可以不能满足用户需要时，用户可以自己构建评价函数，有两种方法：自己构建评价函数，有两种方法：n n对缺省的对缺省的merit functionmerit function进行重新定义；进行重新定义；n n用用operandsoperands手动编辑手动编辑merit functionmerit function，用 MTF操作数优化MTFMTFMTF操作数能够直接优化操作数能够直接优化MTFMTF的值的值 ，这个功能很强。，这个功能很强。但使用时需要注意：但使用时需要注意：n n对不接近对不接近diffraction limitdiffraction limit的系统（波像差大于的系统（波像差大于2 25 5个波个波长）长）, ,用用 geometricgeometric等效的等效的 MTF operandsMTF operands： GMTT, GMTT, GMTSGMTS和和 GMTA. GMTA. n n如果如果samplingsampling太低，则太低，则MTFMTF的返回值为的返回值为0 0。n n初始系统为平行平板时，不能得到精确的初始系统为平行平板时，不能得到精确的MTFMTF。n n用用MTFMTF操作数时，操作数时，intint 1 1为采样密度；为采样密度；intint 2 2表示波长；表示波长；HxHx为视场点的号；为视场点的号；HyHy为空间频率（为空间频率（cycle/mmcycle/mm），），如如果超过截止频率，则返回值为果超过截止频率，则返回值为0 0。对zoom和multi-configuration lenses的优化n n这种情况的优化与一般的single-configuration lenses的优化是一样的。n n在优化时，所有的结构会一起优化。Optimization使用建议n n在设计的初期，优化时不需要追迹所有视场和波长的在设计的初期，优化时不需要追迹所有视场和波长的光线。这可以节省计算时间。权重设置为光线。这可以节省计算时间。权重设置为0 0的视场或的视场或波长不进行追迹。波长不进行追迹。n n使用视场点平衡使用视场点平衡n n用用solvesolve代替代替variables+constraintsvariables+constraintsn n尽可能用缺省优化函数尽可能用缺省优化函数n n使用边界条件控制操作数使用边界条件控制操作数n n使用对称性可以只用使用对称性可以只用Y Y视场视场n n尝试交换尝试交换Merit functionsMerit functions：在在spot radiusspot radius和和wavefrontwavefront之间交换一下，可能会使其起始点发生一些改变之间交换一下，可能会使其起始点发生一些改变n n查看无用的变量查看无用的变量n n要搞清楚哪些量在变要搞清楚哪些量在变n n用用HammerHammer优化优化使用视场点平衡n n选择适当的视场点数目，使视场划分为等面积的选择适当的视场点数目，使视场划分为等面积的圆环。圆环。n n对比较小的视场，就用对比较小的视场，就用0,10,1二个视场；二个视场；n n对中等视场（小于对中等视场（小于 2020度度），用），用0,0.70,0.7和和1 1三个视场；三个视场；n n对大的视场，用对大的视场，用0 0，0.577, 0.8160.577, 0.816和和1 1四个视场。四个视场。使用solve尽量用尽量用solvesolve的功能。例如：有二种方法去控制边的功能。例如：有二种方法去控制边界条件：界条件：1 1）使所有的量都为变量，然后在）使所有的量都为变量，然后在merit functionmerit function中加入操作数；中加入操作数；2 2）去掉一个没用的变量，用）去掉一个没用的变量，用solvesolve代替。代替。例如：例如：n n在在curvaturecurvature上用上用MRAMRA或或F/# solveF/# solve控制控制F/#F/#或或EFLEFL；n n用用thicknessthickness上上MRH solveMRH solve控制焦点位置；控制焦点位置；n n用用Pick-Up solvePick-Up solve使不同面的对应量之间保持联系；使不同面的对应量之间保持联系；n n用用Position solvePosition solve控制长度。控制长度。尽可能用缺省优化函数n nZEMAXZEMAX的的default merit functiondefault merit function很好用。很好用。n n对瞳为圆形（或者是考虑渐晕因子的椭圆形）的对瞳为圆形（或者是考虑渐晕因子的椭圆形）的系统，用系统，用GQGQ算法；算法；n n如果光学系统的接近衍射极限，则用如果光学系统的接近衍射极限，则用RMS RMS WavefrontWavefront（PTV OPD2PTV OPD2波长）；否则用波长）；否则用RMS RMS Spot Radius;Spot Radius;n n用用CentroidCentroid作为参考点比用作为参考点比用Chief rayChief ray要好一些；要好一些；通常可以用不同的优化函数进行优化，再看看哪通常可以用不同的优化函数进行优化，再看看哪一个设计结果更好。一个设计结果更好。要知道哪些量在变化如果不知道哪里有问题，就无法去解决它。如果不知道哪里有问题，就无法去解决它。n n了解像差和系统的联系，及对系统的影响；了解像差和系统的联系，及对系统的影响；n n看看Ray fanRay fan图最重要；图最重要；n n有些图，如有些图，如MTFMTF和和encircled energyencircled energy告诉你系统的好坏，但不告诉你系统的好坏，但不能告诉你哪些变化可以使系统更好；能告诉你哪些变化可以使系统更好；一旦知道了需要确定哪些量，就要用相应的工具去优化：一旦知道了需要确定哪些量，就要用相应的工具去优化：n n如果要校正球差，可以在如果要校正球差，可以在pupilpupil面附近增加面附近增加asphere,binaryasphere,binary optic,gradientoptic,gradient index, index, 或或elementelement；n n如果要校正视场像差，可以考虑移动光栏，或者上面的方法；如果要校正视场像差，可以考虑移动光栏，或者上面的方法；n n如果要校正色差，用新玻璃；如果要校正色差，用新玻璃；n n如果要校正场曲，如果要校正场曲，PetzvalPetzval, F-theta, F-theta,也要换玻璃。也要换玻璃。用比较好的初始结构n n一般来说，新的设计都是基于原来的已经有的结一般来说，新的设计都是基于原来的已经有的结构的，所以采用合适的初始结构很重要。构的，所以采用合适的初始结构很重要。有一些好的光学设计的资料：有一些好的光学设计的资料：n n书籍：书籍：1 1）Milt Milt LaikinLaikin:；2 2）Warren Smith:Warren Smith:n n软件数据库：软件数据库：1 1）ZEBASE:500ZEBASE:500多个设计，有些来多个设计，有些来自自LaikinLaikin的书上；的书上；2 2）LensVIEWLensVIEW: :大约大约6000060000个光学设计专利。个光学设计专利。这些设计是这些设计是ZEMAXZEMAX的形式或者可以直接供的形式或者可以直接供ZEMAXZEMAX读读取的文件格式。取的文件格式。Pick Up练习Double-pass system目的：学习和体会Pick up solve的功能。题目：光线通过一个透镜，遇到一个反射镜以后，反射回来，再次通过这个透镜。具体要求为：物距100mm，光栏在反射镜上；透镜厚度10mm，玻璃为BK7，NA0.1，二个面的曲率半径分别为100mm,-100mm，都是变量；透镜到反射镜的距离为100mm；物高为10mm，一个视场点；光源波长为0.55m对spot radius进行优化；用pick up solve保持radii的一致。Step 1：Lens data New打开Lens data editor在OBJ和IMA之间插入5个面。输入radius, thickness, glass参数。注意Thickness符号的变化。Semi-Diameter的数据都为0。Step 2:Stop设置在surface 3的standard面形处点右键或左键，弹出surface property对话框；将Make surface stop复选框选中，将光栏放在反射镜上。Step 3:General 设置SystemGeneral(或Gen工具栏按钮)，弹出General设置对话框；General 设置选择Aperture项，将Aperture type设置为object space NA, Aperture value为0.1，并确定。这时，Lens data中的Semi-Diameter中会自动给出合适的数据，但OBJ一栏的Semi-Diameter仍然为0。Step 4:Field point设置SystemFields（或Fie工具栏按钮),弹出Field data窗口。选择Object Height为视场，在Y-Field中输入10。Step 5:Wavelength设置System Wavelength （或Wav工具栏按钮),弹出Wavelength data窗口。选择OK，将光源波长设置为0.55m。Step 6: Layout通过AnalysisLayout(或Lay,L3d工具栏按钮)查看系统的外观图形。2D Layout 和Shaded ModelStep 7:设置变量和Pick Up在优化过程中，需要将radius和thickness设置为变量。为了使surface 4,5与surface2,1的参数一起变化，需要对surface 4,5用Pick Up solve。Step 8:Merit Function设置EditorsMerit function,弹出Merit function editor对话框，从ToolsDefault Merit function中调出Default Merit functionDefault Merit function设置将优化数设置为spot radius，玻璃的最大厚度为20mmStep 9:OptimizationToolsOptimization(或工具栏中的Opt按钮)，调出优化运行对话框，选择automatic的方式进行优化。在执行优化运算的过程中，MF的值在减小，直到其减小的比例小于设定值。优化后的Lens data在优化过程中，设置为变量的参数会改变。通过使用Pick Up solve，确保使surface 4,5的radius和thickness随surface 1,2一起变。优化后的Layout通过优化，将像成在像面上，并且得到最小的spot size。双胶合镜头（Doublet）设计练习 n n双胶镜头是个比较好的练习：双胶镜头是个比较好的练习：n n几乎所有光学设计都有双胶合透镜，其中一块正几乎所有光学设计都有双胶合透镜，其中一块正透镜常用冕玻璃，负透镜用火石玻璃，通过正确透镜常用冕玻璃，负透镜用火石玻璃，通过正确选择玻璃，可以校正球差、彗差和轴向色差，有选择玻璃，可以校正球差、彗差和轴向色差，有些设计，可以通过将单透镜分裂为双胶合透镜得些设计，可以通过将单透镜分裂为双胶合透镜得到改进。到改进。n n双胶合透镜包含的结构参数有：双胶合透镜包含的结构参数有： 3 3个曲率半径，个曲率半径， 3 3个厚度值，个厚度值， 2 2种玻璃的折射率和种玻璃的折射率和V-numberV-number， 光栏的位置。光栏的位置。n n用用F F，d d， C C光光n n EPD=50mmEPD=50mmn n F/8 F/8n n FOV=10 FOV=10度度n n 最小的边缘最小的边缘/ /中心厚度为中心厚度为4mm4mm，最大中心厚度为，最大中心厚度为18mm18mmn n 使用合适的标准使用合适的标准n n 选择合适的玻璃选择合适的玻璃设计要求 设计过程n n定义系统的孔径定义系统的孔径n n 定义视场和波长（各定义视场和波长（各3 3个）个）n n 定义正确的面数定义正确的面数n n 增加增加F/# solveF/# solven n 假定初始玻璃为常用的冕玻璃和火石玻璃：假定初始玻璃为常用的冕玻璃和火石玻璃：BK7BK7和和F2F2n n 建立优化函数，用建立优化函数，用RMS spot radiusRMS spot radius优化优化n n 增加边界约束条件增加边界约束条件n n 优化玻璃优化玻璃 选择选择“ “Gen”Gen”按钮，在按钮，在aperture typeaperture type中选择中选择Entrance pupil diameterEntrance pupil diameter，Aperture valueAperture value为为5050。第一步：系统General data设置 点点“ “Fie” Fie” 和和“ “Wav”Wav”按钮，视场角为按钮，视场角为0 0，7 7，1010三个，三个，波长直接选择可见光。波长直接选择可见光。第二步：视场和波长的设置 建立建立6 6个面，包括个面，包括ObjObj， StopStop，3 lens3 lens和和image surfaceimage surface 输入玻璃牌号，前面为输入玻璃牌号，前面为BK7BK7，后面为火石，后面为火石F2F2。第三步：建立surface data 在光学面在光学面4 4的的curvaturecurvature上上，增加增加solvesolve： 将将surface 4surface 4的的radiusradius栏上点右键栏上点右键，选择选择F/#F/#的的solve typesolve type，输入其值为，输入其值为8 8 ，ZEMAXZEMAX会自动调整这个面会自动调整这个面的曲率半径的值的曲率半径的值第四步：为F/#添加Solven n打开打开EditorMerit FunctionEditorMerit Function，n n 打开打开Default merit functionDefault merit function对话框，对话框，n n选择选择RMS spot radiusRMS spot radius作为优化数据，作为优化数据，n n加入边界约束条件。加入边界约束条件。第五步：建立优化函数将将2 2个曲率半径和个曲率半径和4 4个厚度都设置为变量，优化计算。个厚度都设置为变量，优化计算。结果的结果的2D layout2D layout和和ray fanray fan如下：如下：第六步：设置变量并优化n n哪些像差已经校正了？哪些没有校正？哪个是主哪些像差已经校正了？哪些没有校正？哪个是主要的像差？光栏的位置如何？要的像差？光栏的位置如何？n n 本设计中：本设计中：（1 1）不需要专门指定色差的目标值。）不需要专门指定色差的目标值。（2 2）缺省优化函数对轴上色差有比较好的校正。）缺省优化函数对轴上色差有比较好的校正。（3 3）将光栏向离开透镜的方向移动，会引入横向色）将光栏向离开透镜的方向移动，会引入横向色差。差。（4 4）边界条件基本满足。）边界条件基本满足。（5 5）可以将）可以将stopstop向透镜的方向移动，以减小横向色向透镜的方向移动，以减小横向色差。差。 第七步：分析 将光栏向透镜移动，可以将横向色差降低，但引将光栏向透镜移动，可以将横向色差降低，但引入了象散、彗差、离焦和入了象散、彗差、离焦和spot radiusspot radius的扩大。的扩大。第八步：修改设计n n分析：分析：（1 1）一个半径是控制）一个半径是控制EFLEFL的，另外二个是控制色差的，的，另外二个是控制色差的，（2 2）光栏的位置对控制象散和彗差的效果不是太理想）光栏的位置对控制象散和彗差的效果不是太理想（3 3）改变厚度的影响不是太大，特别是有边界条件约）改变厚度的影响不是太大，特别是有边界条件约束的情况下。束的情况下。（4 4）主要要校正像差是：球差、横向色差和轴向色差）主要要校正像差是：球差、横向色差和轴向色差n n校正球差的可能办法：校正球差的可能办法：（1 1）增加）增加conic constantconic constant；（；（2 2）增加透镜）增加透镜n n 校正色差的可能办法：校正色差的可能办法：（1 1）移动光栏，但在这里帮助不大；（）移动光栏，但在这里帮助不大；（2 2）用新的）用新的玻璃。玻璃。改进设计n n尝试下列玻璃组合：尝试下列玻璃组合： BK7 & SF1BK7 & SF1 BK7 & SF2 BK7 & SF2 BK7 & SF5 BK7 & SF5n n 或者直接对玻璃进行优化。有几种办法：或者直接对玻璃进行优化。有几种办法：（1 1）直接输入几种组合，进行优化，）直接输入几种组合，进行优化，（2 2）对拟合玻璃的方程的参数进行优化）对拟合玻璃的方程的参数进行优化“ “model”glassmodel”glass，一般不推荐使用，一般不推荐使用，（3 3）采用）采用“ “substitute”substitute”的方法优化。容易、速度的方法优化。容易、速度快，推荐使用。快，推荐使用。进行玻璃优化n nGlass substitutionGlass substitution方法：方法：方法：方法：n n 这种方法更容易、更可靠。它可以用这种方法更容易、更可靠。它可以用global global optimizationoptimization算法，也可以用算法，也可以用hammerhammer算法，找到算法，找到更好的玻璃。更好的玻璃。n n步聚：步聚：（1 1）将所有玻璃设置）将所有玻璃设置“ “substitute”solvesubstitute”solve，在，在SchottSchott公司的玻璃，然后运行公司的玻璃，然后运行hammerhammer，（2 2）以）以BK7/SF5BK7/SF5开始。可能会得到开始。可能会得到BAK1/SF1 BAK1/SF1 或其或其它组合，它组合，（3 3）看看所找到玻璃的成本：将光标放在玻璃上，）看看所找到玻璃的成本：将光标放在玻璃上，点点GLAGLA，BAK1BAK1的为的为1.671.67，SF1SF1的为的为2.252.25，结果还可，结果还可以。以。n nGlass substitutionGlass substitution的限制的限制 如果没有限制，会从所有目录中选择玻璃。可以用下如果没有限制，会从所有目录中选择玻璃。可以用下面的方法，只让面的方法，只让ZEMAXZEMAX从指定的目录中选择玻璃：从指定的目录中选择玻璃：（1 1）在）在solvesolve中指定玻璃库的名称，不同的面可以指定中指定玻璃库的名称，不同的面可以指定不同的库，不同的库，（2 2）用）用GCOSGCOS操作数，控制玻璃的相对成本，操作数，控制玻璃的相对成本，（3 3）通过在玻璃目录中选择）通过在玻璃目录中选择excludeexclude复选框，排除不想复选框，排除不想要的玻璃，要的玻璃，（4 4）增加其它的操作数控制重量、折射率或阿贝数，）增加其它的操作数控制重量、折射率或阿贝数，（5 5）用）用Toolsglass substitute templateToolsglass substitute template。可以限定材。可以限定材料的相对成本和其它物理化学特性，它适用于整个光料的相对成本和其它物理化学特性，它适用于整个光学系统，只能用于学系统，只能用于global optimizationglobal optimization中。中。n n 以上方法可以同时使用。以上方法可以同时使用。总结n n 一般需要限定玻璃最小中心一般需要限定玻璃最小中心/ /边缘厚度，边缘厚度，n n 对对EFFLEFFL操作数，可以用操作数，可以用solvesolve代替，代替，n n 选择不同的玻璃会影响色差，它可以使曲率半径选择不同的玻璃会影响色差，它可以使曲率半径用来校正球差。用来校正球差。Tolerancing8/11/20248/11/2024154154版权所有版权所有 2003 2003 讯技光电科技讯技光电科技( (上上海海) )股份有限公司股份有限公司Tolerancing概述n n一个好的设计是要求能够实际制造出来的。一个好的设计是要求能够实际制造出来的。n n设计好的光学系统需要进行公差分析才算真正完设计好的光学系统需要进行公差分析才算真正完成。需要在制造误差的范围之内能够满足要求；成。需要在制造误差的范围之内能够满足要求；n n一个好的设计没必要完全和设计要求一致，应该一个好的设计没必要完全和设计要求一致，应该是能够制造出来，并尽量满足设计要求。是能够制造出来，并尽量满足设计要求。n n公差分析是将各种扰动或像差引入到光学系统中公差分析是将各种扰动或像差引入到光学系统中去，看系统在实际制造各种误差范围内的效果。去，看系统在实际制造各种误差范围内的效果。也就是在能满足设计要求的情况下，系统中各个也就是在能满足设计要求的情况下，系统中各个量允许的最大偏差是多少。量允许的最大偏差是多少。误差来源有很多方面需要考虑：有很多方面需要考虑：n nErrors in fabricationErrors in fabricationn nErrors in materialsErrors in materialsn nErrors in assemblyErrors in assemblyn nErrors due to environmentErrors due to environmentn nResidual design errorsResidual design errorsFabrication Errors制造方面的误差包括：制造方面的误差包括：n n曲率半径有误差曲率半径有误差( (radius of curvature)radius of curvature)n n厚度有误差厚度有误差( (element thickness)element thickness)n n面形误差面形误差( (surface shape)surface shape)n n曲率中心与机械中心有偏差曲率中心与机械中心有偏差( (center offset)center offset)n n二次项或其它非球面项系数误差二次项或其它非球面项系数误差Material Errors材料误差包括：材料误差包括：n n折射率的精度误差折射率的精度误差n n折射率均匀性误差（折射率均匀性误差（homogeneityhomogeneity）n n折射率分布误差折射率分布误差( (distribution)distribution)n nAbbeAbbe 数（数（dispersiondispersion）Assembly Errors装配误差包括（装配误差包括（Element errorElement error）：）：n n元件对机械轴（元件对机械轴（X X，Y Y）的偏差的偏差n n元件在元件在Z Z轴上的位置有偏差轴上的位置有偏差n n元件的排列的偏差元件的排列的偏差n n元件对光轴倾斜的偏差元件对光轴倾斜的偏差Environment Errors环境方面的包括温度，湿度，气压：环境方面的包括温度，湿度，气压：n n光学和机械材料的热胀冷缩光学和机械材料的热胀冷缩n n湿度对折射率的影响湿度对折射率的影响n n压强和湿度对折射率的影响压强和湿度对折射率的影响n n系统受振动的影响系统受振动的影响n n机械方面的应力机械方面的应力Design Errorn n一般来说，光学系统都有剩余误差（即一般来说，光学系统都有剩余误差（即MFMF 0 0）。）。n n设计误差一般因系统的视场而不同设计误差一般因系统的视场而不同n n设计结果必须超过设计要求，这样才能在公差的设计结果必须超过设计要求，这样才能在公差的影响范围内，制造出来的系统能够满足使用要求。影响范围内，制造出来的系统能够满足使用要求。Error Budget公差预算主要是考虑所有可能误差因素对系统性能公差预算主要是考虑所有可能误差因素对系统性能的影响。可以让设计者在一定的限制范围内预估装的影响。可以让设计者在一定的限制范围内预估装配后的镜头的性能。配后的镜头的性能。要建立公差预算，设计者必须：要建立公差预算，设计者必须：n n选择合适的性能指标（选择合适的性能指标（MFMF）n n确定可接受的最小公差水平确定可接受的最小公差水平n n计算所有可能的公差影响，包括单个组件、多个组计算所有可能的公差影响，包括单个组件、多个组件和装配等件和装配等n n指定所有公差项的容限。即在设计、制造、装配和指定所有公差项的容限。即在设计、制造、装配和操作中，每一步引入的公差的最大值。操作中，每一步引入的公差的最大值。公差范围 操作数Operand商用Commercial精密Precision高精密High Precision波前差Wavefront error0.25RMS0.1 RMS0.07 RMS2 P-V0.5 P-V0.25 P-V厚度Thickness0.1mm0.05mm0.005mm半径Radius0.5%0.1%0.02%折射率Index 0.0010.00020.00001表面偏心Surface Decenter 0.1mm0.01mm0.001mm表面倾斜Surface Tilt1弧分30弧秒3弧秒球状度Sphericity2 fringes0.5 fringes0.1 fringes非规则度Irregularity1 fringes0.25 fringesEditorsTolerance Data EditorTools Tolerance Data EditorTools Default TolerancesDefault TolerancesSurface tolerancesn nRadius: Radius: 单位为单位为lens units lens units 或或 fringes of power fringes of power（ at the test at the test wavelengthwavelength） ( (由由TWAVTWAV定义）。它只适用于有定义）。它只适用于有optical optical powerpower的面的面, ,不包括二边折射率相同的不包括二边折射率相同的dummy surfacesdummy surfaces。如如果面为果面为planoplano, , 则缺省的公差单位只能为则缺省的公差单位只能为fringesfringes。n nThickness:Thickness:假定厚度变量只影响假定厚度变量只影响surface surface 和与和与elementelement接触的接触的面。面。n nDecenterDecenter X/Y: X/Y:单位为单位为lens unitslens units，对单个面计算。对单个面计算。n nS + A S + A IrregIrreg: :对每个标准类型面指定球差和像散不均匀性。对每个标准类型面指定球差和像散不均匀性。n nZernZern IrregIrreg: :对每个标准类型面指定对每个标准类型面指定ZernikeZernike不规则性。不规则性。 n nIndex: Index: 用用TINDTIND表示折射率的变化。表示折射率的变化。 n nAbbeAbbe: : 用用TABBTABB表示表示 AbbeAbbe number number的变化。的变化。Element tolerancesn nDecenterDecenter X/Y: X/Y:对对lens grouplens group的公差分析，单位为的公差分析，单位为lens unitslens units。n nTilt X/Y: Tilt X/Y: 对对lens grouplens group和和surfacesurface，单位为度。单位为度。 用用TETX TETX 和和TETYTETY。TOLERANCE OPERANDSn n全部由全部由4 4个字母组成，如：个字母组成，如： Tolerance RadiusTolerance Radius 用用TRADTRAD。 每个公差操作数都有一个最小和最每个公差操作数都有一个最小和最大值，各个量的公差容限。还可以通过大值，各个量的公差容限。还可以通过commentcomment对它进行注释。对它进行注释。SURFACE TOLERANCE OPERANDS公差分析过程中，需要考虑下列参数：公差分析过程中，需要考虑下列参数：n nTRADTRAD，TCURTCUR，TFRNTFRN：关于关于surface powersurface power的公差的公差n nTTHITTHI：关于关于thicknessthickness或或spacingspacing的公差的公差n nTCONTCON：关于关于conicconic的公差的公差n nTSDXTSDX，TSDYTSDY：关于关于Surface Surface decenters(lensdecenters(lens units) units)的公差的公差n nTSTXTSTX，TSTYTSTY：关于关于surface surface tilts(degreestilts(degrees) )的公差的公差n nTIRXTIRX，TIRYTIRY：关于关于Standard surface tilt (Standard surface tilt (TIR)TIR)(lens(lens units) units)的的公差公差n nTIRRTIRR：关于关于Standard surface Standard surface irregularity(waveirregularity(wave) )的公差的公差n nTEXITEXI，TEZITEZI：关于关于surface irregularity(surface irregularity(用用ZernikesZernikes多项式多项式) )的的公差公差n nTINDTIND，TABBTABB：关于关于index, index, AbbeAbbe number number的公差的公差n nTPARTPAR，TEDVTEDV：关于关于paramtersparamters或或extra data valueextra data value的公差的公差n nTCMU:TCMU:关于关于coating coating multiplermultipler的公差的公差TOLERANCE OPERANDSElement ToleranceElement Tolerancen nTEDXTEDX，TEDYTEDY：关于关于element element decentersdecenters的公差。的公差。n nTETXTETX，TETYTETY，TETZTETZ：关于关于element tiltselement tilts的公差。的公差。User Defined ToleranceUser Defined Tolerancen nTUDXTUDX，TUDYTUDY，TUTXTUTX，TUTYTUTY，TUTZTUTZ：自定义自定义coordcoord breaksbreaksNon-Sequential Component TolerancesNon-Sequential Component Tolerancesn nTNPS:TNPS:关于关于NSC object positionNSC object position的公差。的公差。n nTNPATNPA：关于关于NSC object parameterNSC object parameter的公差。的公差。Multi-Configuration Value TolerancesMulti-Configuration Value Tolerancesn nTMCOTMCO：关于关于multi-configuration editor valuemulti-configuration editor value的公差。的公差。Defining compensatorsn n将像面定位到新的最佳焦点上。它是一个设计参数，用来抵将像面定位到新的最佳焦点上。它是一个设计参数，用来抵消其他参数中的误差。消其他参数中的误差。n n用用compensatorcompensator可以大大地放松公差的要求，缺省时选择可以大大地放松公差的要求，缺省时选择Use Focus CompUse Focus Comp，用后节距你为补偿。用后节距你为补偿。n n可以自定义很多类型：任何面的可以自定义很多类型：任何面的thicknesses (most thicknesses (most commonly used), curvature, conic constants, any commonly used), curvature, conic constants, any parameter or extra data valueparameter or extra data value，也可以是也可以是 Multi- Multi-configuration operandsconfiguration operands。n n一般来说，用的一般来说，用的compensatorscompensators多，则可以使公差更松，但会多，则可以使公差更松，但会使系统复杂。使系统复杂。 n n所有所有compensatorscompensators用用COMP, CPAR, CEDV, CMCOCOMP, CPAR, CEDV, CMCO来定义，来定义，需要用宏需要用宏ZEMAXZEMAX语言编程（语言编程（tolerance scripttolerance script）。）。Tolerance control operands 公差控制操作数用来定义公差控制操作数用来定义compensators,compensators,保存中间结果，定保存中间结果，定义义statistical propertiesstatistical properties和为和为fringe tolerances fringe tolerances 定义定义test test wavelengthwavelength。n nCEDVCEDV：将将extra data valueextra data value定义为定义为compensatorscompensatorsn nCMCOCMCO：将将multi-configuration operand valuemulti-configuration operand value定义定义compensatorscompensatorsn nCOMP:COMP:设置设置compensatorcompensator， Code=0,1,2 Code=0,1,2分别表示分别表示 thickness, thickness, curvature,coniccurvature,conicn nCPARCPAR：设置设置parameter parameter 为为compensatorcompensatorn nSAVESAVE：保存文件来评估前一行中的保存文件来评估前一行中的tolerancetolerancen nSEEDSEED：为为Monte CarloMonte Carlo分析产生随机数分析产生随机数n nSTATSTAT：为为Monte CarloMonte Carlo分析选择分布类型分析选择分布类型n nTWAVTWAV：设置试验波长。设置试验波长。进行tolerance analysisn nToolsToolsTolerancingTolerancingModen nSensitivity:Sensitivity:计算公差极端情况下评价标准的改变计算公差极端情况下评价标准的改变量量 n nInverse LimitInverse Limit：计算评价标准变化量为指定值时的计算评价标准变化量为指定值时的公差。标准的变化值由公差。标准的变化值由LimitLimit定义。定义。 n nInverse IncrementInverse Increment：计算标准的变化量为由计算标准的变化量为由Increment Increment 定义值时的公差。定义值时的公差。 n nSkip SensitivitySkip Sensitivity：进行进行 Monte Carlo Monte Carlo 分析。分析。Limit和Incrementn nLimit: Limit: 用用Inverse LimitInverse Limit时，用来定义评价标准的界时，用来定义评价标准的界限。例如限。例如, ,标准是标准是 RMS Spot Radius, RMS Spot Radius, 系统标称的系统标称的RMSRMS是是0.0350.035，如果如果LimitLimit设置为设置为0.050,0.050,则则ZEMAXZEMAX计算计算RMSRMS0.0500.050时每一个公差的最大和最小值。时每一个公差的最大和最小值。这个标称值可以点这个标称值可以点LimitLimit边上的边上的“ “？” ”号计算出来。号计算出来。n nIncrement: Increment: 用用Inverse IncrementInverse Increment时，用来定义评时，用来定义评价标准的增量。价标准的增量。 Increment Increment必须为正，表示系统必须为正，表示系统性能下降。性能下降。n n# # Monte Carlo Runs:Monte Carlo Runs:定义运算的周期数。定义运算的周期数。Criteria评价标准有评价标准有6 6种情况：种情况：n nRMS spot size (radius, xRMS spot size (radius, x或或y):y):适于不接近衍射极限的系统适于不接近衍射极限的系统( (最最快快) )。 n nRMS RMS wavefrontwavefront: : 适于接近衍射极限的系统适于接近衍射极限的系统( (很快很快) )。n nMerit Function: Merit Function: 适合于适合于user-defined user-defined tolerancingtolerancing criteria criteria。n nGeometric or Diffraction MTF (average, tangential, or Geometric or Diffraction MTF (average, tangential, or sagittalsagittal): ):适合于需要指定适合于需要指定MTFMTF的系统（计算最慢）。的系统（计算最慢）。averageaverage表示表示tangentialtangential和和sagittalsagittal的平均值。如果系统的的平均值。如果系统的OPDOPD太大，太大，则无法计算衍射则无法计算衍射MTFMTF，所以有时候会有问题。所以有时候会有问题。n nBoresightBoresight error: error:瞄准误差是轴上视场主光线的径向角偏差。瞄准误差是轴上视场主光线的径向角偏差。用用 BSER operand BSER operand表示。表示。 只用于只用于radiallyradially symmetric symmetric系统。系统。User User Script:macroScript:macro-like command file-like command file。Tolerancingn nMTF MTF Frequency:MTFFrequency:MTF的频率。单位的频率。单位line/mmline/mm。n nSampling:Sampling:设置追迹的光线的数目。设置追迹的光线的数目。n nConfig:multiConfig:multi-configuration lenses-configuration lenses公差分析公差分析n nComp: Comp: 控制如何评估控制如何评估compensatorscompensators。“Optimize“Optimize All” All” 用优化功能确定所有定义的用优化功能确定所有定义的compensatorscompensators的的最佳值。最佳值。“Paraxial Focus”“Paraxial Focus”只用于近轴后节距为只用于近轴后节距为compensatorcompensator的情况中。的情况中。n n# Opt Cycles: # Opt Cycles: 确定优化的周期数。只有确定优化的周期数。只有CompComp中中设置为设置为 “Optimize All” “Optimize All”才有用。才有用。Fieldsn n在构建公差分析的在构建公差分析的merit functionmerit function时，有时，有3 3种不同的视场种不同的视场设置：设置：n nY-Symmetric: Y-Symmetric: 缺省旋转对称系统。先计算最大视场，缺省旋转对称系统。先计算最大视场，然后定义然后定义Y Y方向上的方向上的+1.0, +0.7,0.0, -0.7, +1.0, +0.7,0.0, -0.7, 和和-1.0-1.0视场。视场。 n nXY-Symmetric: 9XY-Symmetric: 9个视场：个视场：5 5个个Y Y视场再加视场再加4 4个个X X视场：视场： - -1.0, -0.7, +0.7,1.0, -0.7, +0.7,和和+1.0+1.0。 n nUser Defined:User Defined:自定义的所有视场。有自定义的所有视场。有vignettingvignetting factors,factors,分析多重结构或使用分析多重结构或使用tolerance scriptstolerance scripts，非旋转非旋转对称系统，自定义的视场的权重比较复杂时，选择这对称系统，自定义的视场的权重比较复杂时，选择这一项。一项。其它n nSeparate Fields/Separate Fields/ConfigsConfigs: :单独计算所有结构的所单独计算所有结构的所有视场的评价标准。否则计算它们的平均值有视场的评价标准。否则计算它们的平均值n nScript: User scriptScript: User script文件名。文件名。n nForce Ray Aiming On:Force Ray Aiming On:计算更精确，但更慢。计算更精确，但更慢。n nShow Compensators: Show Compensators: 打印打印compensator valuescompensator values。n nStatistics: Statistics: 在在Monte Carlo Monte Carlo 分析时，选择分析时，选择 Gaussian Gaussian “normal”“normal”分布，分布，“uniform”, or “parabolic” “uniform”, or “parabolic” 分布分布Summaryn n公差分析程序非常灵活，功能强大。在计算公差公差分析程序非常灵活，功能强大。在计算公差时，时，ZEMAXZEMAX不用任何的近似、外推或估算。因此不用任何的近似、外推或估算。因此对常规系统和复杂系统都可以给出很好的结果。对常规系统和复杂系统都可以给出很好的结果。n n因为公差分析是个复杂的过程，所以因为公差分析是个复杂的过程，所以ZEMAXZEMAX也不也不敢保证完全正确，所以设计者有必要敢保证完全正确，所以设计者有必要 对结果进行对结果进行校验。校验。公差分析练习n n打开打开ZEMAXZEMAX中的中的cooke.zmxcooke.zmx镜头，分别用二种模镜头，分别用二种模式分析其公差。式分析其公差。n n(1)(1)用用SensitivitySensitivity模式分析各个曲率半径公差为模式分析各个曲率半径公差为0.20.2mmmm时，时， RMS Spot RadiusRMS Spot Radius的变化范围；的变化范围；n n(2)(2)用用Inverse limitInverse limit模式分析模式分析RMS Spot RadiusRMS Spot Radius为为8 8时，各个参数的公差容限值。时，各个参数的公差容限值。COORDINATE BREAKS8/11/20248/11/2024184184版权所有版权所有 2003 2003 讯技光电科技讯技光电科技( (上上海海) )股份有限公司股份有限公司Local vs. Global coordinates在在ZEMAXZEMAX的的Lens Data EditorLens Data Editor中，即中，即SequentialSequential中时，各中时，各个面的数据：个面的数据：n n只用只用Local coordinatesLocal coordinates；n n每个面的位置都是通过沿每个面的位置都是通过沿z z方向的距离（即方向的距离（即thicknessthickness）定义的；定义的；n n尽管尽管ZEMAXZEMAX能够计算任何面对其它面的能够计算任何面对其它面的global global coordinates,coordinates,但所有的面都是用但所有的面都是用local coordinatelocal coordinate定义的；定义的；在在Non-sequential EditorNon-sequential Editor中：中：n n所有的所有的objectsobjects处在处在global coordinateglobal coordinate坐标系中。坐标系中。什么是COORDINATE BREAKSn nCOORDINATE BREAKSCOORDINATE BREAKS（CBCB）是一个特殊的虚拟面，是一个特殊的虚拟面，用它定义一个新的坐标系，替代现有坐标系，定义用它定义一个新的坐标系，替代现有坐标系，定义新的光轴。新的光轴。n nCBCB有有6 6个自由度：个自由度：(1)Decenter X(1)Decenter X(2)Decenter Y(2)Decenter Y(3)Tilt about X(3)Tilt about X(4)Tilt about Y(4)Tilt about Y(5)Tilt about Z(5)Tilt about Z(6)The order flag(6)The order flag 所有的所有的DecenterDecenter和和TiltTilt是按上面的顺序从上到下进行是按上面的顺序从上到下进行的，如果的，如果flagflag是非是非0 0数，则顺序相反。数，则顺序相反。Decentern n打开打开file :file :cooke.zmxcooke.zmx, ,假定要把最后一个透镜往假定要把最后一个透镜往Y Y方向方向移移2 2mmmm。做法如下：做法如下：（1 1）在）在surface 5surface 5前面插入一个面，其前面插入一个面，其surface type surface type 为为coordcoord break break；（2 2）在在decenterdecenter Y Y中输入中输入2 2；（3 3）在）在surface 7surface 7前面插入一个面，其前面插入一个面，其surface type surface type 为为coordcoord break( break(注意，此时其实是注意，此时其实是8 8了了）；）；（4 4）在在decenterdecenter Y Y中输入中输入2 2。注：第注：第2 2个个coordcoord break break是将偏移的透镜后面的系统回归是将偏移的透镜后面的系统回归到原位。到原位。Before and After decentern n下面是偏移前后的系统下面是偏移前后的系统3 3D layoutD layout图。图。Tiltsn n打开打开file :file :cooke.zmxcooke.zmx, ,假定要把最后一个镜片倾斜。假定要把最后一个镜片倾斜。n n做法如下：做法如下：（1 1）在上个例子的基础上，先将）在上个例子的基础上，先将decenterdecenter全部设置为全部设置为0 0；（2 2）在）在surface 5surface 5上将上将tilt about xtilt about x设置为设置为1010（单位为度）；（单位为度）；（3 3）在）在surface 8surface 8上将上将tilt about xtilt about x设置为设置为pick pick upup（fromfrom surface:5;scale factor:-1surface:5;scale factor:-1）; ;使像面保持直立使像面保持直立（4 4）在）在surface 8surface 8上将上将thicknessthickness设置为设置为marginal ray marginal ray heightheight以保持像面在焦面上。以保持像面在焦面上。After Tiltn n尽管镜片倾斜，但像面保持不动。尽管镜片倾斜，但像面保持不动。Tilts and Decentersn n上面的例子只是单纯的上面的例子只是单纯的TiltsTilts或或DecentersDecenters。如果同时都存在如果同时都存在就会很复杂，还需要考虑它们的顺序。就会很复杂，还需要考虑它们的顺序。n nCBCB在使用时容易搞糊涂，所以在使用以前应该仔细规划。在使用时容易搞糊涂，所以在使用以前应该仔细规划。使用好使用好CBCB，可以使复杂的设计变得简单。可以使复杂的设计变得简单。n n使用时需要注意几点：使用时需要注意几点：（1 1）在使用多重）在使用多重CBCB时，要注意嵌套，时，要注意嵌套，（2 2）成对的）成对的CBCB尽量用尽量用pick uppick up，这样可以减少输入和可能的错这样可以减少输入和可能的错误，误，（3 3）如果同时有）如果同时有TiltTilt和和DecenterDecenter，可以用可以用order flagorder flag控制顺序，控制顺序， (4) (4) 如果因为如果因为TiltTilt使厚度的方向发生改变时，要注意符号的使厚度的方向发生改变时，要注意符号的变化。变化。Multi-Configuration8/11/20248/11/2024192192版权所有版权所有 2003 2003 讯技光电科技讯技光电科技( (上上海海) )股份有限公司股份有限公司Introductionn n什么是什么是Multi-configurationsMulti-configurations系统？是用系统？是用1 1重以上的结构重以上的结构建模的系统，通过多重结构给同一个参数不同的值。建模的系统，通过多重结构给同一个参数不同的值。n n用途：用途：（1 1）设计）设计zoom lenseszoom lenses：元件的位置不同；元件的位置不同；（2 2）Athermalized lensesAthermalized lenses：温度和压强不同；温度和压强不同；（3 3）多光路系统：透镜阵列、干涉仪、分光镜等；）多光路系统：透镜阵列、干涉仪、分光镜等；（4 4）扫描系统：扫描系统：polygon scannerpolygon scanner；（5 5）switchable componentswitchable component系统：非连续变焦系统。系统：非连续变焦系统。Multi-configurations的建立n n先用常规的方法建立一个光学系统先用常规的方法建立一个光学系统 basic basic configuration configuration 。最好先建立最复杂的结构。最好先建立最复杂的结构。 n n选择选择EditorsMulti-ConfigurationEditorsMulti-Configuration，出现出现MCEMCE，再用再用MCMC操作数建立多重结构。操作数建立多重结构。Multi-Configuration Editor在Edit中可以对config和operand的数目进行增减。要改变operand的类型，在type栏上双击，就会在Multi-config operands对话框中改变操作数的类型。Multi-configurations的优化（1 1）multi-configuration datamulti-configuration data的优化和普通的优化的优化和普通的优化是一样的。先用是一样的。先用“Default Merit Function”“Default Merit Function”建立优化建立优化函数，函数，ZEMAXZEMAX会自动在各个结构下面加入优化函会自动在各个结构下面加入优化函数；数；在在MCEMCE中定义优化操作数为变量。中定义优化操作数为变量。（2 2）用）用CONFCONF操作数定义；可以给不同的结构定义操作数定义；可以给不同的结构定义不同的优化函数，但不同结构的优化函数必须分不同的优化函数，但不同结构的优化函数必须分开放在开放在CONFCONF规定的结构号码下面；放置的方式规定的结构号码下面；放置的方式有二种有二种, ,它们的功能是一样的。它们的功能是一样的。multiple-configuration merit functionsn nCONF 1CONF 1n nUser operands for configuration 1.User operands for configuration 1.n nDefault operands for configuration 1.Default operands for configuration 1.n nCONF 2:CONF 2:n nUser operands for configuration 2.User operands for configuration 2.n nDefault operands for configuration 2.Default operands for configuration 2.n nCONF 3:CONF 3:n n.etc.etc.multiple-configuration merit functionsn nCONF 1CONF 1n nUser operands for configuration 1.User operands for configuration 1.n nCONF 2CONF 2n nUser operands for configuration 2.User operands for configuration 2.n nCONF 3CONF 3n nUser operands for configuration 3.User operands for configuration 3.n netc.etc.n nDMFSDMFSn nCONF 1CONF 1n nDefault operands for configuration 1.Default operands for configuration 1.n nCONF 2CONF 2n nDefault operands for configuration 3.Default operands for configuration 3.n nCONF 3CONF 3n nDefault operands for configuration 3.Default operands for configuration 3.n netc.etc.Noten n建立了缺省优化函数以后，它就与建立了缺省优化函数以后，它就与DMFSDMFS操作数操作数关联，自已输入的操作数不会丢失。关联，自已输入的操作数不会丢失。n n如果在如果在multiconfigurationmulticonfiguration中改变视场角、高度、中改变视场角、高度、权重或波长，则需要重建优化函数。权重或波长，则需要重建优化函数。练习n n用用multi-configurationmulti-configuration的方法的方法建立一个分光系统建立一个分光系统( (Beam Beam splitter)splitter)。用二重结构，分别用二重结构，分别建立二个光路。建立二个光路。n n目的：熟悉目的：熟悉multi-multi-configurationsconfigurations的使用和设置的使用和设置n n建立一个建立一个BeamsplitterBeamsplitter, ,长宽长宽高各为高各为20mm20mm，光瞳，光瞳20mm20mm，如图所示。如图所示。设计步聚（1 1）入瞳直径为）入瞳直径为5050，视场为，视场为0 0度，物在无穷远处，波长度，物在无穷远处，波长为可见光；为可见光；n n在在LDELDE中先建立四个面，每个面之间的距离为中先建立四个面，每个面之间的距离为5050，半，半径自定义为径自定义为5050，aperture aperture typetype设置为矩形，长宽各为设置为矩形，长宽各为5050；第一个面的材质为；第一个面的材质为Bk7Bk7，第三个面的材质为，第三个面的材质为MIRRORMIRROR；n n在在MIRRORMIRROR前面加一个前面加一个CoordCoord Break Break面形，使第二个面面形，使第二个面旋转旋转4545度；再在它的后面加一个度；再在它的后面加一个CoordCoord Break Break面形，面形，使后面的面转再使后面的面转再4545度；度；n n将将CoordCoord Break Break后面的距离数据改成负号，使后面的后面的距离数据改成负号，使后面的面处在正确的位置；面处在正确的位置；设计步聚（2 2）打开）打开EditorsMulti-ConfigurationEditorsMulti-Configuration, ,出现出现MCEMCE窗口窗口，增加一个，增加一个ConfigurationConfiguration, ,插入几个插入几个operandsoperands；（3 3）用）用par3par3控制控制surface surface 3 3和和5 5的旋转情况（旋转角的旋转情况（旋转角度由度由4545度改为度改为0 0度）；用度）；用THICTHIC控制控制surfacesurface 2 2，5 5和和6 6的厚度（符号由负变为正）；用的厚度（符号由负变为正）；用GLSSGLSS将将surface surface 4 4变为变为BK7BK7；（4 4）打开）打开3D Layout3D Layout，按，按settingsetting，让二个结构同时，让二个结构同时显示出来，就可以得到所要的结果。显示出来，就可以得到所要的结果。Non-Sequential8/11/20248/11/2024203203版权所有版权所有 2003 2003 讯技光电科技讯技光电科技( (上上海海) )股份有限公司股份有限公司Introductionn n实际的透镜，不但有前后面，还有边沿部分。光线实际的透镜，不但有前后面，还有边沿部分。光线会在同一个面上反射、折射或散射，光线不再按会在同一个面上反射、折射或散射，光线不再按LDELDE中的中的surfacesurface顺序传播，而是按实际顺序传播；顺序传播，而是按实际顺序传播；n nNon-sequentialNon-sequential就是光线的追迹是按它打到各个面上就是光线的追迹是按它打到各个面上的实际顺序，而不是按的实际顺序，而不是按LDELDE中放置的顺序；中放置的顺序；n n在在non-sequentialnon-sequential追迹中，光线可能会多次打到同一追迹中，光线可能会多次打到同一个物件上。个物件上。 要求要求non-sequentialnon-sequential追迹的物件有追迹的物件有faceted objects, prisms, light pipes, lens arrays, faceted objects, prisms, light pipes, lens arrays, reflectors, and reflectors, and FresnelFresnel lenses lenses等等; ;n n有些类型的分析，如有些类型的分析，如straystray或或scattered light scattered light 效应，只效应，只能在完全能在完全non-sequentialnon-sequential环境中进行。环境中进行。Non-sequential components(NSC)n n用完全用完全3 3D D固体模型代替固体模型代替2 2D D面，这些固体称为面，这些固体称为 non-sequential non-sequential components(NSCcomponents(NSC) )。 NSC NSC光线追迹支持下列功能：光线追迹支持下列功能：n n定义和放置多个定义和放置多个sourcessources、objectsobjects and detectors and detectors，n n使用实际的辐射度和光度单位，包括使用实际的辐射度和光度单位，包括wattswatts，lumenslumens，luxlux，photphot， footcandlesfootcandles等，等，n n自动确定自动确定ray-objectray-object相交的顺序，相交的顺序，n n自动探测自动探测reflection, refractionreflection, refraction和和 total internal reflection (TIR) total internal reflection (TIR)，n n支持支持3D objects3D objects，包括包括diffractive opticsdiffractive optics，n n支持偏振光追迹和薄膜，散射的统计模型，包括支持偏振光追迹和薄膜，散射的统计模型，包括LambertianLambertian，GaussianGaussian和和AbgAbg。Paraxial ray tracing with NSCn n在在NSCNSC中，没有近轴光线追迹。中，没有近轴光线追迹。n n当近轴光线追迹到一个当近轴光线追迹到一个non-sequential surfacenon-sequential surface时时, ,用等效的实际光线代替。因此，在用等效的实际光线代替。因此，在NSCNSC系统中，系统中，几乎所有的近轴数据，如焦距和几乎所有的近轴数据，如焦距和F/#,F/#,都没有意义。都没有意义。 NSC ray tracing 的的2种方法种方法n nNSC with portsNSC with ports：考虑的考虑的NSC groupNSC group是是sequential systemsequential system一部分；一部分；n nNSC without portsNSC without ports：考虑的考虑的NSC groupNSC group包含所有包含所有objectsobjects；n n2 2种方法中，定义和放置种方法中，定义和放置NSC groupNSC group内的内的objectsobjects的方法是的方法是一样的，但具体分析和计算方法是不同的。其主要区别是一样的，但具体分析和计算方法是不同的。其主要区别是光线发射和分析功能不同光线发射和分析功能不同: : (1)NSC with ports (1)NSC with ports，所有光线从物面上定义的场点发出，所有光线从物面上定义的场点发出，然后追迹到然后追迹到NSC groupNSC group的的entry portentry port，通过通过exit portexit port离开离开NSC groupNSC group，再经过其它的再经过其它的sequential system.sequential system. (2)NSC without ports (2)NSC without ports，没有上面的限制，可以在没有上面的限制，可以在NSC NSC groupgroup内任意定义和放置光源。内任意定义和放置光源。NSC with portsn n忽略忽略sourcessources和和detectorsdetectors，考虑考虑entryentry和和 exit portsexit ports；n n例如：几个传统的镜头，后面是棱镜或光管，这样例如：几个传统的镜头，后面是棱镜或光管，这样一个系统就要用一个系统就要用NSC with portNSC with port。n n所有所有sequential sequential 系统数据，如视场和入瞳大小，决系统数据，如视场和入瞳大小，决定进入定进入NSC groupNSC group的光线的特性。可以进行如的光线的特性。可以进行如ray ray fans, spot diagrams, fans, spot diagrams, 和和 MTF MTF的分析的分析, ,进行分析时，进行分析时，只考虑通过只考虑通过portport进出进出NSC groupNSC group的光线。的光线。NSC without portsn n考虑考虑sourcessources和和detectorsdetectors，忽略忽略entry entry 和和exit portexit port。n n系统里没有系统里没有sequential pathssequential paths或部分或部分sequential pathssequential paths，如如headlamp headlamp reflectorsreflectors，complexcomplex light pipes light pipes或或general general illumination systemsillumination systems，这时候使用这时候使用NSC without portsNSC without ports 。n n通过将整个系统通过将整个系统( (如相机或望远镜如相机或望远镜) )放入一个放入一个non-non-sequential groupsequential group中，进行中，进行non-sequentialnon-sequential光线追迹，光线追迹，还可以分析还可以分析sequential systems sequential systems 中的中的ghostghost，straystray和和scattered lightscattered light的特性。的特性。n n能提供的分析功能有：光线分布和能提供的分析功能有：光线分布和detectordetector记录的能量。记录的能量。NSC ray tracing with ports的步聚的步聚n n1) 1) 将一个将一个Non-Sequential Components surfaceNon-Sequential Components surface插插入到入到Lens Data EditorLens Data Editor，这个面就是这个面就是NSC groupNSC group的的entry portentry port。n n2)Non-Sequential Components surface2)Non-Sequential Components surface后面的参后面的参数定义数定义NSC groupNSC group的的exit portexit port的位置。的位置。n n3) Objects3) Objects的位置在的位置在Non-Sequential Components Non-Sequential Components EditorsEditors中定义中定义( (相对于相对于entry port)entry port)。n n4) 4) 从从entry portentry port进入进入NSC groupNSC group的光线不能分裂或的光线不能分裂或散射。散射。Entry port的位置n nThe Non-Sequential Components surfaceThe Non-Sequential Components surface可以是可以是平面、非球面或二次曲面，它的位置一般是由平面、非球面或二次曲面，它的位置一般是由LDELDE中前面的面决定的。中前面的面决定的。 它是一组它是一组objectsobjects的的entry entry portport。Exit port的位置n nNon-Sequential Components surfaceNon-Sequential Components surface的参数决定的参数决定exit exit port port 的位置：的位置：(1)Draw Ports?:(1)Draw Ports?:为为0,0,不画不画portsports；为为1 1，画，画entryentry；为为2 2，画，画exitexit；为为3 3，都画。，都画。(2) (2) Exit Location X/Y/Exit Location X/Y/Z:exitZ:exit port port相对于相对于entry portentry port的坐标；的坐标；(3)Exit Tilt About X/Y/Z: exit port(3)Exit Tilt About X/Y/Z: exit port绕绕X/Y/ZX/Y/Z轴的放置角度；轴的放置角度；(4) (4) Order:0(decenter Order:0(decenter x/y/zx/y/z，rotaterotate around global around global z/y/xz/y/x) )；其它值其它值( (顺序相反顺序相反) )。(5)Reverse Rays:0(5)Reverse Rays:0：假定假定non-sequential groupnon-sequential group是折射透镜；是折射透镜；1 1：假定假定non-sequential groupnon-sequential group是反射镜。是反射镜。NSC ray tracing without ports的步聚的步聚n n1)1)将光线追迹模式转换为将光线追迹模式转换为non-sequentialnon-sequential； n n2)2)将将ObjectObject插入插入Non-Sequential Components Non-Sequential Components editoreditor中，一般是中，一般是surface 1surface 1，但其在但其在Lens Data Lens Data EditorEditor中的顺序并不重要。建议只用中的顺序并不重要。建议只用objectsobjects。n n2)2)忽略忽略Non-Sequential Components surfaceNon-Sequential Components surface的参的参数；数；n n3) 3) SourcesSources、objectsobjects和和detectorsdetectors在在Non-Non-Sequential Components editorSequential Components editor中定义。中定义。n n在在NSCNSC以外定义的参数有：波长、玻璃和镀膜。以外定义的参数有：波长、玻璃和镀膜。Sources ZEMAX ZEMAX支持支持point, rectangular, point, rectangular, elliptical,userelliptical,user defined, defined,和其它和其它光源模型。每个光源定义以下参数：光源模型。每个光源定义以下参数：n n# Layout Rays:# Layout Rays:在建立在建立layout plotslayout plots时，定义有多少光线从光源时，定义有多少光线从光源随机发出。随机发出。n n# Analysis Rays:# Analysis Rays:在分析时，定义从光源随机发出的光线数。在分析时，定义从光源随机发出的光线数。n nPower (units):Power (units):光源的总功率，其单位由光源的总功率，其单位由system source unitssystem source units确定。确定。n nWavenumberWavenumber: : 波数。波数。0 0表示多色光；表示多色光；n n注意：多个光源会迭加，产生多色光。光源可以放在任何位注意：多个光源会迭加，产生多色光。光源可以放在任何位置。置。Source Type（1 1）Source DiodeSource Diode：可以定义一个：可以定义一个diodediode，一维，一维diodediode阵列，阵列，或二维或二维diodediode阵列。每个光源都有一个光强分布；阵列。每个光源都有一个光强分布；（2 2）Source EllipseSource Ellipse：椭圆发光面；：椭圆发光面；（3 3）Source FilamentSource Filament：细金属丝环光源；：细金属丝环光源；（4 4）Source FileSource File：用户自定义光源；：用户自定义光源；（5 5）Source PointSource Point：点光源，锥形范围内发光：点光源，锥形范围内发光; ;（6 6）Source Ray: Source Ray: 沿指定的方向余弦发光的点沿指定的方向余弦发光的点; ;（7 7）Source Volume CylinderSource Volume Cylinder：从内部任一点随机发光；：从内部任一点随机发光；（8 8） Source RectangleSource Rectangle：矩形平面，从虚拟点光源发光；：矩形平面，从虚拟点光源发光；Source Type（9 9）Source TubeSource Tube：从表面发光；：从表面发光；（1010）Source Volume EllipseSource Volume Ellipse：从内部任一点随机：从内部任一点随机发光；发光；（11)11) Source Volume RectangleSource Volume Rectangle：从它部任一点随：从它部任一点随机发光；机发光；（1212）Source DLLSource DLL：用户自定义光源。用户自定义光源。 Radiant Imaging light sourceRadiant Imaging light source： Radiant Imaging Radiant Imaging 公司的光源资料库。公司的光源资料库。Detectorsn n有有2 2种种detectorsdetectors：n n(1)(1)矩形平面或曲面形状的专门探测器。矩形平面或曲面形状的专门探测器。 n n(2)Object(2)Object：如如prism prism 或或aspheric surfaceaspheric surface。要使要使objectsobjects为为detectordetector，在在Object Object PropertiesTypePropertiesType中选择中选择“Object Is A “Object Is A Detector“Detector“。n nDetectors Detectors 可以是可以是absorbing, reflecting, absorbing, reflecting, transmissivetransmissive或或refractiverefractive。NSC Objectsn nNSC object typesNSC object types包括包括ellipses, triangles, ellipses, triangles, rectangles, spheres, cylindersrectangles, spheres, cylinders和其它基本形状。还和其它基本形状。还有有 arbitrary prisms, aspheric lenses, arbitrary prisms, aspheric lenses, toricstorics, , torusestoruses和其它复杂的形状。和其它复杂的形状。n n根据定义的材质，可以是根据定义的材质，可以是reflective, refractive, and reflective, refractive, and absorptiveabsorptive。n nObjectsObjects可以以可以以IGES, SATIGES, SAT或或STEPSTEP这些这些CADCAD文件格文件格式输入到式输入到ZEMAXZEMAX中。中。 要输入一个要输入一个objectobject，将将object object typetype设置为设置为“Imported“Imported“，并从下拉菜单中选择文件名，并从下拉菜单中选择文件名，或将文件名放在注释栏。文件必须放在或将文件名放在注释栏。文件必须放在OBJECTSOBJECTS目录下。目录下。( (但只能是但只能是solid)solid)Object propertiesNSC Ray Tracen nNSC EditorsNSC EditorsDetectorsRay Trace/Detector DetectorsRay Trace/Detector ControlControln n算法：算法：Monte CarloMonte Carlo光线追迹，光线追迹，光线追迹，光线追迹，Detector Viewern nNSC EditorsNSC EditorsDetectorsDetector ViewerDetectorsDetector ViewerDetector Viewer OptionsShow Data Typen nIncoherent Irradiance:Incoherent Irradiance:单位面积上的非相干功率单位面积上的非相干功率( (照度照度) )。每个像素上的功率是所有光线的和，不考虑位相因素。每个像素上的功率是所有光线的和，不考虑位相因素。 n nCoherent Irradiance:Coherent Irradiance:单位面积上的非相干功率单位面积上的非相干功率( (照度照度) ) 。每个像素上的振幅是所有光线的复振幅之和。每个像素上的振幅是所有光线的复振幅之和。n nCoherent Phase: Coherent Phase: 相干发光中的复振幅和的位相角。相干发光中的复振幅和的位相角。n nRadiant Intensity: Radiant Intensity: 单位立体角的功率单位立体角的功率( (发光强度发光强度) )，它，它对应入射到探测器的入射角。对应入射到探测器的入射角。n nRadiance (Position Space):Radiance (Position Space):单位立体角的功率单位立体角的功率( (亮度亮度) )，它对应探测器上不同点的空间位置。，它对应探测器上不同点的空间位置。n nRadiance (Angle Space):Radiance (Angle Space):单位立体角的功率单位立体角的功率( (亮度亮度) )，它对应探测器上不同点的空间位置。它对应探测器上不同点的空间位置。例1：Beam Splittern nC:ZEMAXSampleNon-sequentialRay C:ZEMAXSampleNon-sequentialRay splittingBeam SplittersplittingBeam Splittern n第一步：第一步：FileNon-sequential ModeFileNon-sequential Mode，进入进入Non-Non-sequential sequential 模式。模式。第二步：建立第二步：建立SourcesSources、ObjectsObjects和和DetectorsDetectorsLDE3D Layoutn nNo Split raysNo Split rays3D Layoutn nSplit raySplit rayRay TraceDetector Viewern n不同不同DetectorDetector上的结果。上的结果。例例2：Stray Light分析分析n n一个反射式天文望远镜的结构，如下图。一个反射式天文望远镜的结构，如下图。LDEn n它所对应的它所对应的LDELDE数据为数据为( (C:ZEMAXSamplesShort C:ZEMAXSamplesShort CourseSc-Stray1)CourseSc-Stray1)：Stray Light 分析n n定义定义LDELDE数据数据( (C:ZEMAXSamplesShort C:ZEMAXSamplesShort CourseSc-Stray2)CourseSc-Stray2)。NSC Editorsn n为望远镜加上外筒以后的杂光分析情况。为望远镜加上外筒以后的杂光分析情况。NSC Editors3D Layoutn n显示杂光以后的显示杂光以后的LayoutLayout。GLASS CATALOGS8/11/20248/11/2024237237版权所有版权所有 2003 2003 讯技光电科技讯技光电科技( (上上海海) )股份有限公司股份有限公司Introductionn nZEMAXZEMAX自带很多玻璃库。也允许建立自己的自带很多玻璃库。也允许建立自己的玻璃库，对自建玻璃库没有任何限制。玻璃库，对自建玻璃库没有任何限制。 n nZEMAXZEMAX里面的玻璃折射率数据都是用色散公里面的玻璃折射率数据都是用色散公式和色散系数计算出来的。式和色散系数计算出来的。n n可以拷贝或移动可以拷贝或移动 glass catalog glass catalog文件。每个玻璃文件。每个玻璃库有二个文件，扩展名分别为库有二个文件，扩展名分别为. .AGFAGF和和. .BGFBGF。只只需要拷贝或移动需要拷贝或移动. .AGFAGF文件。需要的时候，文件。需要的时候，ZEMAXZEMAX会自动建立会自动建立BGFBGF文件。文件。Specifying glass catalogs to usen n可以在可以在SystemGeneralSystemGeneral中选定要用的玻璃库目录。中选定要用的玻璃库目录。如果没有指定，在设计过程中如果没有指定，在设计过程中ZEMAXZEMAX会自动从玻璃会自动从玻璃库中去查找，并选定相应的玻璃库目录。库中去查找，并选定相应的玻璃库目录。Description of catalog data可以通过可以通过Tools GLASS CATALOGSTools GLASS CATALOGS直接调出玻直接调出玻璃数据窗口。璃数据窗口。glass dispersion formulasn n有有9 9种色散公式：种色散公式：（1 1）SchottSchott：大多厂商在用；大多厂商在用；66个参数；个参数；（2 2） the the SellmeierSellmeier 1 1： 66个参数；个参数；（3 3） the the SellmeierSellmeier 2 2： 66个参数；个参数；（4 4） the the SellmeierSellmeier 3 3： 66个参数；个参数；（5 5） the the SellmeierSellmeier 4 4： 66个参数；个参数；（6 6） the the HerzbergerHerzberger：红外光谱波段红外光谱波段,5,5个参数；个参数；（7 7） the the ConradyConrady：数据比较少的时候用。只要数据比较少的时候用。只要3 3个数据；个数据；（8 8） 2 2个个 HandbookofHandbookof Optics formulas Optics formulas。 Defining Transmission Datan n选择选择“ “Transmission”Transmission”可以在可以在glass catalogglass catalog中调出中调出光强透射率数据编辑窗口。光强透射率数据编辑窗口。ZEMAXZEMAX用用BeerBeer定律表定律表示：示： 是吸收系数，是吸收系数， 是在玻璃中的长度。是在玻璃中的长度。n n由三个数据组成：波长，光强透过率，参考厚度。由三个数据组成：波长，光强透过率，参考厚度。n n不是不是ZEMAXZEMAX中提供的玻璃的透过率数据都是有效中提供的玻璃的透过率数据都是有效的，特别是红外材料的，特别是红外材料, ,和一些非商业玻璃。和一些非商业玻璃。自建玻璃库的方法（1 1）通过）通过ToolsCatalogsToolsCatalogs或或GlaGla快捷方式打开快捷方式打开Glass catalogGlass catalog。改名（2 2）在）在Glass CatalogGlass Catalog中任意选定一种已有的玻中任意选定一种已有的玻璃库，用璃库，用Save Catalog AsSave Catalog As将它改名为自己的玻将它改名为自己的玻璃库的名字（例如璃库的名字（例如myglassmyglass）；）；Myglass用cut glass把myglass玻璃库里面的玻璃删除，但必须保留一个；Fit Index Data（3 3）点）点Fit Index Data,Fit Index Data,调出波长和折射率输入窗口，输调出波长和折射率输入窗口，输入波长及其所对应的折射率（一般至少六组数据）；入波长及其所对应的折射率（一般至少六组数据）；Fit（4 4）在）在NameName栏输入所添加的玻璃名称，在栏输入所添加的玻璃名称，在FormulaFormula栏里选定所用的拟合公式，点栏里选定所用的拟合公式，点FitFit进行数据拟合计进行数据拟合计算，并给出拟合误差；算，并给出拟合误差；（5 5）点）点Add to catalogAdd to catalog，则所添加的新玻璃就加到则所添加的新玻璃就加到myglassmyglass玻璃库中去了。玻璃库中去了。直接输入色散系数的方法直接输入色散系数的方法n n将将myglassmyglass里的玻璃名称改为自己的（如里的玻璃名称改为自己的（如K9K9），），然后然后输入色散系数，然后点输入色散系数，然后点save catalogsave catalog就将玻璃加到库就将玻璃加到库里面去了。里面去了。加入Transmission Data 点点Transmission Transmission ，调出调出transmission datatransmission data窗口，窗口，输入波长、透过率和厚度，然后保存就将透过率数输入波长、透过率和厚度，然后保存就将透过率数据加到玻璃上去了。据加到玻璃上去了。Test Plate Fitting8/11/20248/11/2024250250版权所有版权所有 2003 2003 讯技光电科技讯技光电科技( (上上海海) )股份有限公司股份有限公司样板比对n nToolstest plate fittingToolstest plate fitting设置n nFile File name:ZEMAXname:ZEMAX提供的厂商样板库目录，文件提供的厂商样板库目录，文件扩展名为扩展名为. .TPDTPD。约有约有4040多种；多种；n nMethod of fit:Method of fit:比对的方法。包括：比对的方法。包括：(1)(1)Best to worstBest to worst(2)(2)Worst to bestWorst to best(3)(3)Long to shortLong to short(4)(4)Short to longShort to long(5)(5)Try all methods.Try all methods.比对结果n n给出不同方法所得到的结果。包括新、旧曲率半给出不同方法所得到的结果。包括新、旧曲率半径值，和对径值，和对MFMF的影响量。的影响量。自建样板库n n(1)(1)打开已有的样板库：打开已有的样板库：ToolsTest plate lists.ToolsTest plate lists.n n(2)(2)参照其格式输入自己的样板库，编辑好，保存参照其格式输入自己的样板库，编辑好，保存在指定的目录下面即可。在指定的目录下面即可。Physical Optics8/11/20248/11/2024255255版权所有版权所有 2003 2003 讯技光电科技讯技光电科技( (上上海海) )股份有限公司股份有限公司Introduction of Physical Opticsn n用传播波前描述光学系统。用传播波前描述光学系统。n n光束由分立的采样点阵表示，每个点上的复振幅为：光束由分立的采样点阵表示，每个点上的复振幅为：AeAe-i -i 。n n整个阵列通过光学面之间的自由空间传播，在每一个光学面上，计整个阵列通过光学面之间的自由空间传播，在每一个光学面上，计算从光学面的一边传播到另一边的传递函数。算从光学面的一边传播到另一边的传递函数。n n可以研究随机相干光通过光学系统的情况：可以研究随机相干光通过光学系统的情况：（1 1）GaussianGaussian或任何形式的高阶多模激光束或任何形式的高阶多模激光束 (beams are user (beams are user definable)definable)，（2 2）光束可以沿任何视场传播光束可以沿任何视场传播(skew beams)(skew beams)，（3 3）可以计算系统中任何面上的振幅，位相和光强，可以计算系统中任何面上的振幅，位相和光强，（4 4）可以模拟有限大小孔径衍射可以模拟有限大小孔径衍射，包括空间滤波器，包括空间滤波器，（5 5）精确计算沿光束的传播，不论是不是在焦点附近。精确计算沿光束的传播，不论是不是在焦点附近。如果系统中有如果系统中有non-sequential component groupsnon-sequential component groups，则会不精确。则会不精确。Defining the initial beamAnalysis Physical Optics Physical Optics Propagation ：Sampling and WidthX-和Y-Sampling：定义表示光束的采样点数；数据越大，越精确，X-和Y-Width：单位为lens units。宽度越大，在光束部分的周围非零光强的空间越大，称为guard band,。光束有像差时，这个空间允许光束扩展。如果光束部分与阵列的边缘太近，则会出现伪光谱(alias)并反射到光束中去，降低计算的精度。一般用auto比较好。Beam Profile 初始光束由以下几种类型定义：Gaussian WaistGaussian AngleGaussian Size+AngleTop HatUser defined table in a fileUser defined DLL program光束可以定义在任何视场内，方向沿着主光线，从starting surface传播到 ending surface。Gaussian Waistn n输入输入x,yx,y方向上高斯光腰的大小方向上高斯光腰的大小n n用光腰到用光腰到surface 1surface 1的距离定义光束的位置的距离定义光束的位置n n在每个方向上，在每个方向上，X X，Y Y阵列的宽度至少是光腰的阵列的宽度至少是光腰的6-106-10倍，倍， 光束假定定光束假定定义在光腰，所以，整个光束初始位相是义在光腰，所以，整个光束初始位相是0 0。Gaussian Angle和Gaussian Waist光束类似，不同的是Gaussian Angle beam是由远场发散角的半角定义。ZEMAX用发散角计算光腰。如果X，Y方向发散角不同，则产生椭园形光束。Gaussian Size+AngleGaussian Size+Angle beam由开始面上的beam size (not waist) 和远场发散半角定义(空气中)。 ZEMAX用这2个数据计算束腰，位置和位相。束腰：相对光腰的Z位置为：Zr是Rayleigh范围。Top Hattop hat beam的定义为：E0是peak irradiance。X，Y阵列的宽度至少是光腰的6-10倍。Surface specific settings 在surface property中，对每一个面都可以进行与POP相关的设置：例子：Spatial filter用空间滤波器对有像差的光束滤波：(1)一个Spatial filter将光束聚焦到针孔上，然后由另一个透镜恢复到整个尺寸；(2)在焦平面上，产生入射光强分布的付氏变换；(3)小的针孔只允许基模通过；(4)输出是Gaussian光强，旁边有一些低光强的环。这个例子不能用光线追迹实现。Start Point从lens catalog中选择Linos Photonics中的033481号镜头。点Load将镜头数据调入ZEMAX。这是一个二片的镜头。Start Point它的工作波长为He-Ne激光，EPD=4mm，校正像差。Recollimate将另一个对称镜头放在系统中，让出射光线重新变为准直光。方法如下：(1)在IMA面前面插入一个dummy面，厚度为pickup(from surface 4),(2)在surface 6插入另一个033481号镜头，(3)higlight第二个镜头的所有面，(4)ToolReverse Elements使第二个镜头颠倒过来。2D Layout到像面的距离设为5mmLens Data EditorLens Data Editor需要在中间的焦平面上放一个针孔。方法是：在焦平面上放一个dummy面，将其口径设置为1mm，以便能在layout中看到它。Pinhole将surface 6设置为针孔，大小为0.006mmLayout这时的2D图为：Gaussian Beam假定Gaussian Beam为：束腰=1.15mm，surf 1 到束腰距离为 -2797mm。中间的焦平面是在近轴焦点上。(1)束腰和光束大小不一样；(2)厚度为17.131；(3)重新对GBPS优化，使surface 6上的Gaussian waist最小；(4)变量是surface 4的thickness (5)中间平面surface4的thickness变为17.152；(6)Gaussian光束的宽度近似为3.2 micron。Gaussian Beam AnalysisRe-optimize重新对GBPS优化，使针孔surface 6上的Gaussian waist最小；优化后，surf 6上束腰近似为3.2微米。 surface4的thickness变为17.152。Physical Optics Setting定义实际的Gaussian波前。Beam File Viewer通过Beam File Viewer可以比较输出光束(surface 11)的形状和输入光束(surface 1)是类似的。With and Without Pinholesurf 6的aperture type为None和0.005时，输出的光束。针孔对光束有滤波作用，但还不是太理想。Size of Pinhole减小针孔的大小，会发现Gaussian光斑周围的暗环少了，光斑质量比较好。