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1、ZEMAX 基本介绍和操作王宁Ray Tracing重庆大学 - 光学CADSequential以surface为对象建模 指定光线和面相交的顺序 光线与每个面只相交一次 光线不会分光 镜面反射 光线不能超过临界角 通过孔径外的光线必须渐晕 surface 位置由前一个面确定 每个面都有物空间和像空间 计算的光线少，计算速度快 可进行优化和公差分析Non-sequential以object为对象建模 不限制光线和相交的顺序 光线与同一面或物可多次相交 光线会分裂 镜面反射和漫反射 可以是全反射 在object外的光线也进行追迹 object的位置由全局坐标确定 所有空间是等价的 分析的光线多，
2、计算速度慢 不能做优化和公差分析Ray Tracing重庆大学 - 光学CADSequentialNon-sequentialZEMAX 用户界面重庆大学 - 光学CADZEMAX主视视窗重庆大学 - 光学CAD标题栏菜单栏工具栏状态栏ZEMAX用户界面类型ZEMAX有4种主要类型的用户界面： Editors:定义和编辑光学面和其他数据； Graphic windows：显示图形数据； Text windows：显示文本数据； Dialog boxes：编辑和回顾其他窗口或系统的数据，或者报告错误信息等。编辑视 窗（Editor Window）重庆大学 - 光学CAD 6种不同的编辑器（Edi
3、tors）：镜头数据编辑器（Lens Data Editor），评价函数编辑器（Merit Function Editor）、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor） 、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor）、用于补充光学面的附加数 据编辑器（Extra Data Editor）、以及非序列元件编辑器（Non- sequential Components Editor）。图形视窗（Graphic Window）重庆大学 - 光学CADl最常用的有草图（Layout）、扇形图（Ray fans）、点列图（spot Diagram） 调制传递函数
4、（MTF Plots）图等。文本视窗（Text Windows）重庆大学 - 光学CADl 设计的文字资料，如详细数据（ Prescription Data）、像差数据等显示 在文本视窗中。对话 框（Dialogs）重庆大学 - 光学CADl固定大小，在过程中跳出来的视 窗（鼠标拖曳不能改变大小） l用于定义或更新视场（Fields）、 波长（Wavelengths）、孔径（ Apertures）、面型（Surface types ）等。多视窗同时显 示重庆大学 - 光学CAD菜单栏重庆大学 - 光学CAD文件（File）展开后有文件的打开（Open），新建（New），存储（Save），另存为
5、（Save as ）等，偏好（Preference）可以修改文字大小，快捷按钮和状态栏中的内容。 编辑器（Editors）栏中包括ZEMAX中所有编辑器命令，展开后可打开Lens data editor，Merit function editor。 系统（System）定义或更新光学系统的光学特性数据，例如相对孔径、视场和选取的工作波长等 。 分析（Analysis）它是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，是用来进行像质评价和分析的主要工具 ，对于其中的每一项的数据的含义，单位要很好地理解。主要有：Fans中的光线像 差（Ray aberration），点列图（Spot diagrams）、调制
6、传递函数（MTF）、点扩 散函数（PSF）、波像差（Wavefront）、圆内能量集中度（Encircled Energy）； 杂项（Miscellaneous）中的场曲与畸变（Field Curv/Dist）、轴向球差（ Longitudinal aberration）和垂轴色差（Lateral Color）。菜单栏重庆大学 - 光学CAD工具（Tools）也是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，分成七块：第一块用来进行光学镜头的局 部优化（Optimization）、全局优化（Global / Search /Hammer Optimization）等；第二块分析镜头的公差，计算传递函数的点
7、列图，波差等变 化量表。第三块是材料选择，有察勘玻璃库或向库中新增添或删除玻璃条目，寻找 简单的透镜数据并插入到透镜数据编辑器中。第四块是镀膜模型。第五块是系统中 镜头的孔径的定义，可以与渐晕系数配合共同使用。第六块主要用来整体设计(1)按 焦距或放大率缩放当前系统；(2)在当前系统中加入或删除折转发射镜。第七块以后 讨论。报告（Report） 形成镜头设计结果的报告，可以作为每一个光学面的形成报告（Surface data）； 也能为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告（System data）；还可以给出 设计结果的详细数据报告（Prescription data）。菜单栏重庆大学 -
8、 光学CAD宏编程（Macros） 执行已经编译好的宏程序。宏程序的编程过程：（1）使用一般的文本编辑器或使用 ZEMAX自身的编辑功能创建扩展名为“*.ZPL”文件，该文件置于ZEMAX目录下的 Macros目录中；（2）使用ZEMAX提供的命名或函数库进行程序编写；（3）用 Macros菜单下的“Run/Edit Zpl Macros”执行宏程序。宏程序可以提取光线追迹数据 、像质指标等，可以定义新的优化设计用的操作符。执行时，宏程序作用的对象是当 前显示的镜头系统。外部程序接口（Extensions） ZEMAX环境中，使用该接口可以执行外部扩展名为“*.EXE”的执行程序，用来与 ZE
9、MAX交换数据，或ZPL宏不能完成的功能。外部程序可以用C语言等编程工具完成 。视窗（Windows） 帮助（Help）LDE编辑 器重庆大学 - 光学CAD 物面（OBJ） 入瞳（STO） 透镜组（Radius、Thickness、Glass） 像面（IMA）孔径设置(EPD)Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）：可用来 直接确定进入系统的光束直径的大小，适用于大 多数无限共轭轭系统统。如果将孔径类类型设设置为为： Entrance Pupil Diameter，那么无论论如何改变变光 阑阑的位置，都不影响进进入系统统的光束，并且透镜镜 的半径（Semi-Diamete
10、r）应设应设置为为“自动动”，由 设设置的入瞳直径自动调动调整。 Image Space F#（像空间间F数）：用于直接确定 像空间的F数值，当系统焦距已知的情况下，可 同入瞳直径相互转换。 Object Space NA(物空间间数值值孔径)：常用于有限 共轭系统，如：显微系统、投影系统等，通过 直接定义物点发光角度约束进入系统的光束大 小。 Float By Stop Size(随光阑阑尺寸漂移)：用于系统 中孔径光阑固定的情况，如有的系统光阑大小为 定值，可使用这种类型来计算入瞳的大小。System-General-Aperture波长设置 System-wavelength目视视光学系
11、统统F光（ 486.3nm）和 C光（ 656.28nm） 计算和校正色差， 对D光（ 587.56nm ）校正单色像差场设置System-fieldsAngle(Deg)：角度，直接设定物方 光束主光线与光轴的角度，多用于 无限共轭平行光条件下（物处于无 限远处）；在zemax视场（fields ）设置中，角度一般在y-fields中 设置具体角度值，同时x-fields设 置为0，其也对应子午面中的夹角 ，同理在x-fields中设置具体角度 值，同时y-fields设置为0，其对应 弧矢面。 Object Height:物高，设定被成像物 体的尺寸大小，此时系统必须为有 限共轭才可用（物
12、距非无限远）。 大多有限远物体成像系统常用这种 视场类型。 Para. Image Height： 使用近轴光 束定义系统成像的像面大小，当设 计的系统有固定的像面尺寸时使用 此类型Real Image Height：实际像高，同近轴 像高类似，区别在于实际像高使用实际光 线计算像面尺寸，考虑畸变影响。适用于 大视场广角系统。地址栏设置几何像差曲线 光线特性曲线（Ray Fan）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。横 坐标是光瞳的归一化坐标，纵坐标是各个孔径角的光线与像面交点的 高度和主光线与像面交点高度的差值。点列图 图中的几个图分别表示给定的几个视场上不同光线与像面交
13、点的分布 情况。使用点列图，一要注意下方表格中的数值。 点列图的均方根半径值越小，成像质量越好。RMS半径 RMS半径：先把每条光线线和参考点 之间间的距离的平方，求出所有光线线 的平均值值，然后取平方根 OPD fan图 OPD fan：是光线的光程和主光线的光程之差其它像差曲线轴向球差场曲畸变倍率色差波长焦点偏移优化方法根据当前存在的主要像差，选择优化方法进行像差优化p设置优化过程中的变量 (solve)p设计优化函数（Merit Function）p执行优化过程（optimization）重庆大学 - 光学CAD设置优化变量Thickness solves Marginal ray he
14、ight:定位像平面（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）；还可以约束特 定的光束； Chief ray height:定位pupil plane（近轴主光线高度）。可以将光学面移到瞳面上；（应用：1、它可以将参考面固定地 处在pupil上，2、定位入、出瞳）； Edge thickness: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； Pick up：使这个面的thickness值随指定的面按一定规律变化 ；（主要用于：double pass system, endoscopes,relay lens等包含多个相同元件的系
15、统中）优化函数重庆大学 - 光学CAD优化函数 Merit Function RMS+Spot Radius+Chief Ray: 像面上各条光线与主光线的均方根差值最小优化函数重庆大学 - 光学CAD Default Merit Function 缺省的光线评价计算出来的是一个总量； 好处：使光线集中；即通过各种优化模式使得物点发出的各条光线集中到像点上 缺点：这个总量中各个像差的具体分布可能有很大的差别优化函数操作数优化函数操作数 Merit Function Editor重庆大学 - 光学CAD操作符所处的位置序号操作符名称所需参数目标值权重因子目标值优化方法 Optimization 一般选择自动优化
