使用ZEMAX设计的典型实例分析
Zemax光学设计：Petzval物镜的设计实例
Zemax光学设计：Petzval物镜的设计实例引言：Petzval物镜，它是由两个被空气分离的正透镜组构成。
1839年Joseph Petzval 设计了这个著名的“照相物镜”。
其前组是一个双胶合，后组是一个双分离，两者之间有一个光圈。
前组可以很好地校正球差，但会引入彗差。
彗差由后组校正，光阑位置校正了大部分像散。
然而，这会导致额外的场曲和晕影。
因此，FOV限制在30度以内。
f/3.6的f值是可以实现的，这比当时的其他镜头要快得多。
Petzval首次根据光学定律计算透镜的组成，而之前的光学系统则是根据经验进行磨制和抛光的。
为了计算，奥地利大公路易（炮兵司令）向匹兹瓦提供了8名炮兵和3名下士，因为火炮是进行数学计算的少数职业之一。
1.Seidel分析双片式物镜的局限性在于单组元件无法校正像散，这大大限制了它的视场角范围。
在光阑上的薄透镜组的像散为：即其总是不为零。
因此，只有一些透镜组不在光阑上，才能校正像散。
因此，两个分离的透镜组可以用于产生等量反向的像散。
这两个透镜组不一定是单透镜，也可以是消色差双片式或者更复杂的透镜组。
若我们假设光阑在第一个透镜组上，第二个透镜组和它相距一段距离，那么会有光阑平移效应。
只要第二个透镜组没有完全校正球差和彗差，那么平移第二个透镜组远离光阑一定距离，就可以产生足够的像散来校正第一个透镜组的像散。
我们可以得到任意的一个像散值S3，但是两个正透镜组都会对场曲产生贡献，即Petzval 物镜的 Petzval 和总是正值。
这意味着像面总是朝向镜头弯曲。
通常，我们想要零像散，则让总的S3为零，场曲会使子午和弧矢像重合于弯曲的像面上。
但是，还有其他选择，由弧矢像差，只要S3=-S4，我们就可以使弧矢像面为平面。
而且，若让S3=-S4/3，则就可以使子午像面为平面。
在设计 Petzval 镜头中有一个很好的准则，那就是让前组(A)的光焦度为K /2，后组（B）的光焦度为K，为保证总光焦度为K，让它们之间的距离为1/K。
ZEMAX的7个小例子
现在从主菜单条中选择“工具”菜单下的“最佳化（Optimization）”，会显示最佳化工具对话框。注意“自动更新（Auto Update）”复选框。如果这个选项被选中，屏幕上当前所显示的窗口（如光学特性曲线图）会按最佳化过程中镜头的改变而被自动更新。在该复选框中单击选择自动更新，然后单击“自动（Automatic）”，ZEMAX会很快地减少评价函数。单击“退出（Exit）”关闭最佳化对话框。
课程2：双透镜（a doublet）
知识点：产生结构视图和视场曲率图，定义边缘厚度解，定义视场角
一个双透镜包括两片玻璃，通常（但不一定）是胶合的，因此它们有一个共同的曲率。通过使用两片具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被矫正。也就是说，我们需要得到抛物线形的多色光焦点漂移图（Chromatic Focal Shift），而不是直线的。这反过来会产生较好的像质。现在，我们保持先前100mm焦距和在轴上的设计要求，我们下面将会加入视场角。
如果你在先前的例子中，仍然保留了评价函数，那么，你就不需要重新创建评价函数。否则，请重新创建一个评价函数，包括EFFL操作数，如前一个例子所描述的设置方法。
开始数据输入如上图所示。
现在，从主菜单下选择“工具”-“最佳化”，单击“自动”。评价函数会开始减小，等它停止后单击“退出”。显示多色光焦点漂移图，看看我们是否已有了一些提高（如果你的屏幕上还没有准备好，选择“Analysis”，“Miscellaneous（各种的）”，“Chromatic Focal”）。它应该与图E2-2类似。
当波像差约等于或小于四分之一波长时，镜片要考虑“衍射极限。显然，我们的单透镜并没有达到衍射极限。为了提高此光学系统（或任何光学系统）的性能，设计者必须判断哪一种像差限制了其性能，以及什么操作可以用来改正。从光线图（图E1-3）中，可较明显地看出，色差（Chromatic aberration）是其主要像差。（另一方面，它可能不明显，可再看其他的一些能够提供有关光线图的建议的好书。）
ZEMAX单透镜设计例子详细(多图)
ZEMAX单透镜设计例子详细(多图)ZEMAX单透镜设计例子，单透镜是最简单的透镜系统了，这个例子基本是很多ZEMAX教程开头都会讲的。
1-1 单透镜这个例子是学习如何在ZEMAX里键入资料，包括设罝系统孔径(System Aperture)、透镜单位(Lens Units)、以及波长范围(Wavelength Range)，并且进行优化。
你也将使用到光线扇形图(Ray Fan Plots)、弥散斑(Spot Diagrams)以及其它的分析工具来评估系统性能。
这例子是一个焦距100 mm、F/4的单透镜镜头，材料为BK7，并且使用轴上(On-Axis)的可见光进行分析。
首先在运行系统中开启ZEMAX，默认的xx视窗为透镜资料xx器(Lens Data Editor, LDE)，在LDE可键入大多数的透镜参数，这些设罝的参数包括：表面类型(Surf：Type)如标准球面、非球面、衍射光栅…等曲率半径(Radius of Curvature)表面厚度(Thickness)：与下一个表面之间的距离材料类型(Glass)如玻璃、空气、塑胶…等：与下一个表面之间的材料表面半高(Semi-Diameter)：决定透镜表面的尺寸大小上面几项是较常使用的参数，而在LDE后面的参数将搭配特殊的表面类型有不同的参数涵义。
1-2 设罝系统孔径首先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的「GEN」按钮里。
点击「GEN」或透过菜单的System->General来开启General的对话框。
点击孔径标签(Aperture Tab)。
因为我们要建立一个焦距100 mm、F/4的单透镜。
所以需要直径为25 mm的入瞳(Entrance Pupil)，因此设罝：Aperture Type：Entrance Pupil Diameter Aperture Value：25 mm点击单位标签(Units Tab)，并确认透镜单位为Millimeters。
Zemax光学设计：热成像系统的设计实例
Zemax光学设计：热成像系统的设计实例红外光谱有三个大气“窗口”，在这三个波段大气吸收比较小。
其中一个是1到3um，另一个是3到5um，第三个是8到12um。
热成像也叫红外成像。
红外和可见光设计之间的最大区别是，在可见光中几乎都是物的反射光成像，而在红外则是物自身辐射成像。
红外物镜与可见光物镜的主要区别在于材料。
由于玻璃中含有羟基（OH-），在近红外有很强的吸收峰，普通光学玻璃最多只能工作到 2.8um左右的近红外，中远红外光学系统则完全依赖红外材料。
1.光子探测温度为 T（单位为K）的黑体，其辐射的光子数量为：其中，M 表示每秒钟、每平方厘米表面、每厘米波长的光子辐射量，c 表示真空中的光速，单位为厘米每秒，λ表示以厘米为单位的波长。
因为在多数热成像系统中，探测的是物所发射的光子数与其背景所发射的光子数之间的差值，因此信号探测与下式成正比其中ΔT表示物和背景的温差。
下表给出了物体在常温下293K(20 度)的辐射出射度，也给出了每度（单位为K）的信号。
由这个表格可以看出，物体在这个温度下，在大气窗口8-12um 的辐射出射度比 3-5um波段的大30倍左右，信号则大了15倍。
对于热成像，探测器探测的是辐射通量而不是光子数，所以这两个比例具有相同的意义。
在多数情况下，这两个波段的光学设计是明显不同的，因为它们所使用的透射材料是不同的。
而有些系统为了同时包括这两个波段，能够使用的适合材料就更加受限。
在8-12um 波段，常用材料如下表：锗是最广泛使用的材料，它的折射率高且色散小。
硒化锌和硫化锌可以作为校色差的负元件。
在3-5um波段，常用材料如下表：在这个波段，锗的色散就没有那么小了，所以在 8-12um 波段的非常有用的锗非球面单透镜，在 3-5um 就没有那么有效了，因为还要校正色差。
但是，可以利用双片式来校正色差，若我们以低色散的硅作为“冕牌”，则锗显然就是最好的“火石”材料。
2.单锗透镜由于在 8 到 12um 波段，锗具有高折射率和低色散的特殊性能，因此只要用锗材料就能制造高性能热成像物镜。
ZEMAX光学成像设计实例---ZEMAX基础实例-变焦镜头设计
引言● 在我们要求具焦的能● 所谓变同范围变焦距● 由于一是使用大家通变焦镜头我们知道说一个系统大小、视场I 为像高im变焦镜头对孔径保持变焦时采取通过改变ZE 们成像镜头设具备变焦的能能力便可以应变焦，即镜头围景物的成像距来改变拍摄一个系统的焦用类似定焦镜通过举一反三头设计原道，设计好的统的接收面尺场和焦距三者mage, f 为焦头的变焦倍数持不变，但对取相对孔径（变镜片与镜片焦EMAX 设计要求中，能力，如CCT 应用于多种环头的焦距在一像。
我们通常所摄范围，因此焦距在某一范镜头的分析优三的练习可掌理介绍：的一组镜头如寸大小是固定有如下关系焦距，theta 为数为长焦距和于实际的高变即F/#)也跟片之间的间隔焦距变化，视角相应改变X 基础通常分两种：TV 监控镜头，环境条件，放大定范围可调节所说的变焦镜此非常利于画面范围可变，相当优化方法，本节掌握变焦镜头在如果变化镜片定不变的(像： 为视场角度。
和短焦距比值变倍比系统，跟随变化的方隔达到设计的视场变础实例-：定焦镜头与，红外探测镜大缩小或局部节，通过改变镜头一般指摄面构图。
当于由无数多节我们将带领在ZEMAX中片与镜片之间像面:CCD 或。
如下图所不值，也称为“，由于外形尺方案。
的焦距要求，变焦镜与变焦镜头。
镜头，摄影镜部特写，这是变焦距从而改摄像镜头，即多个定焦系统领大家使用Z 中的设计优化间的空气厚度COMS 或其它不:“倍率”。
理尺寸不希望过当系统的入镜头设成像镜头在镜头，双筒望是一个定焦镜改变系统视场即在不改变拍统组成的。
我ZEMAX 来设计化方法。
度，镜头的焦它探测面)，理论定义下，过大或二级光入瞳直径D 固设计在很多实际应望远镜等等，镜头所无法完场大小，达到拍摄距离的情我们在设计变计一个完整的焦距会随之变在基础光学在变焦过程光谱校正等问固定时，即系像面尺寸相同应用中通常也镜头具备变完成的。
到不同矩离不情况下通过改变焦镜头时也的变焦镜头，变化。
ZEMAX光学成像设计实例---ZEMAX基础实例-单透镜设计
第二章 基础实例设计ZEMAX基础实例 ‐ 单透镜设计引言• 在成像光学系统设计中，主要指的是透镜系统设计，当然也有一些反射系统或棱镜系统。
• 在透镜系统设计中，最基础、最简单的便是单透镜设计。
但我们不要小看这样的单透镜系统，因为它也代表了一个光学系统设计的完整流程。
麻雀虽小，五脏俱全！• 本节中，我们通过手把手的操作，为大家展示使用 ZEMAX 进行成像光学设计的完整流程。
使初学者快速领略到ZEMAX光学设计的风采，在轻松的设计中感受到光学设计的乐趣。
• 通过单透镜设计，可以使大家学习到Z EMAX 序列编辑器建模方法，光束大小设置方法，视场设置方法，变量的设罝方法，评价函数设置方法，优化方法，像差分析方法和提髙像质的像差平衡方法等，单透镜系统参数设计任何一个镜头，我们都必须有特定的要求，比如焦距，相对口径，视场，波长，材料，分辨率，渐晕，MTF等等，根据系统的简易程度客户给的要求也各不相同。
由于单透镜最简单的系统，要求也就很少。
本例中我们设计单透镜规格参数如下：EPD = 20mmF/#=10FFOV= 10 degreeWavelength 0.587umMaterial BK7Best RMS Spot Radius首先我们需要把知道的镜头的系统参数输入软件中，系统参数包括三部分：光束孔径大小，视场类型及大小，波长。
在这个单透镜的规格参数中，入瞳直径(EPD)为20mm，全视场(FFOV)为10度，波长0.587微米，分别如下说明。
1、点击System » General或点快捷按扭Gen打开通用设置对话框：入瞳直径即到还有其它像空间F 数互转换。
物空间数值直接定义物随光阑尺寸用这种类型本例中，我2、点击打开即用来直接确它几种光束孔(Image Space 值孔径(Object 物点发光角度寸漂移(Float B 型来计算入瞳我们只需选择开视场对话框定进入系统光孔径定义类型e F/#)，用于t Space NA)，来约束进入系By Stop Size)，瞳的大小。
Zemax光学设计实例汇总
光学系统结构优化
按Button Opt ，按出dialog box，预定优化次数，即可进行优化，但之前须 规定Merit Function （优化目标函数）及变量。关于变量，将结构数据框作double click，得有关dialog box，就可以将此结构数据作为变量（variable）或改为Fixed 不变。
Load
Reset
Ok
即可，实际上此dialog box 中还有许多选项可改，这也是改变优化过程的方 法之一。
光学系统结构优化
可以按实际情况作其他选择，改变优化过程。 还可以自行构造自己认为更好的Merit Function 或修改当前的Merit Function, 这就要在 Oper# 框内输入适当的“Operand”，在Optimization 这一章内规 定了一批Operand，所用符号如： • First-order ：焦距EFFL，像高PIMH，… • Aberrations：初级球差SPHA，垂轴像差TRAC，… 另外还有各种边界条件Operand。 也可以将MTF值或Encircled energy作为Merit Function，原则上这与实际使 用目标有更直接联系，应更好。但是实际上由于必须用更多时间去算，作为优 化的开始是不可取的。
这里玻璃组合为BK7/SF5，本可取Glass,Model,Vary ，将玻璃作为变数优 化，但得不到真正好的解，不如一一改玻璃，反而容易得到优化的解。
优化实例（2）：优化结果
优化实例（3）
非球面单透镜
f’=60， 1：1， ±1°
用非球面可以准确校正球差，透镜弯曲可校正彗差，形成大孔径小视场光学系 统。
rd 14 35.7 1.5 Bk7 21.5 100
rd 13 1.5 16.7 8.6 Bk7 85
Zemax 初学实例解析
ZEMAX 初学实例解析内容纲目:前言实例一：单镜片(Singlet)实例二：双镜片实例三：牛顿望远镜实例四：Schmidt-Cassegrain 和aspheric corrector实例五：multi-configuration laser beam expander实例六：fold mirrors 和coordinate breaks实例七：使用Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces实例一：单镜片(Singlet)你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lens data ，产生ray fan，OPD，spot diagrams，.. 定义thickness solve 以及variables，执行简单光学设计最佳化。
设想你要设计一个F/4 单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7 镜片来作。
首先叫出ZEMAX 的lens data editor(LDE) ，什么是LDE 呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness ，大小，位置……等。
然后选取你要的光，在主选单system 下，圈出wavelengths ，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。
现在在第一列键入0.486，以microns 为单位，此为氢原子的F-line 光谱。
在第二、三列键入0.587 及0.656，然后在primary wavelength 上点在0.486 的位置，primary wavelength 主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics) 下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes 等。
再来我们要决定透镜的孔径有多大。
zemax设计实例之手机镜头
zemax设计实例之手机镜头2012.03.13 评论关闭4,757 views随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大，利用Ｚｅｍａｘ光学设计软件设计一款大相对孔径８００万像素的广角镜头。
该镜头由１片非球面玻璃镜片，３片非球面塑料镜片，１片滤光镜片和１片保护玻璃构成。
镜头光圈值Ｆ为２．４５，视场角２ω为６８°，焦距为４．２５ｍｍ，后工作距离为０．５ｍｍ。
采用ＡＰＴＩＮＡ公司的ＭＴ９Ｅ０１３型号８００万像素传感器，最大分辨率为３２６４×２４４８，最小像素为１．４μｍ。
设计结果显示：各视场的均方根差（ＲＭＳ）半径小于１．４μｍ，在奈奎斯特频率１／２处大多数视场的ＭＴＦ值均大于０．５，畸变小于２％，ＴＶ畸变小于０．３％。
关键词：手机镜头；光学设计；８００万像素；Ｚｅｍａｘ引言手机镜头的研发工作始于２０世纪９０年代，世界上第一款照相手机是由夏普ＪＰＨＯＮＥ（现在的日本沃达丰）在２００１年推出的ＪＳＨ０４手机，它只搭载了一个１１万像素的ＣＯＭＳ数码相机镜头。
随后各大手机知名制造厂商纷纷开始研发手机摄像功能。
２００３年５月２２日夏普制造了１００万素的ＪＳＨ５３，目前照相手机的市场占有率几乎是１００％，特别是带有高像素２Ｍ、３Ｍ、５Ｍ、８Ｍ的镜头就成为镜头研发的热点［１］。
目前８００万像素的手机市场占有率还不是太多，但随着人们对高端手机的需求量越来越大，８００万像素手机肯定是主流趋势。
鉴于此，在选用合理初始结构的基础上，优化出了一款８００万像素的手机镜头。
１感光器件的选取感光器件有ＣＣＤ（电荷耦合器件）和ＣＭＯＳ（互补金属氧化物半导体）两种。
ＣＭＯＳ器件产生的图像质量相比于ＣＣＤ来说要低一些，到目前为止，大多数消费级别以及高端数码相机都使用ＣＣＤ作为感光元件；ＣＭＯＳ感应器则作为低端产品应用于一些摄像镜头上，目前随着ＣＭＯＳ技术的日益成熟，也有一些高端数码产品使用ＣＭＯＳ器件。
ＣＭＯＳ相对于ＣＣＤ有很多优点，比如价格低、集成化程度高、体积小、质量轻、功耗低、无光晕、高读出速率等［６］。
ZEMAX单透镜设计例子详细（多图）
ZEMAX单透镜设计例⼦详细（多图）ZEMAX单透镜设计例⼦，单透镜是最简单的透镜系统了，这个例⼦基本是很多ZEMAX教程开头都会讲的。
1-1 单透镜这个例⼦是学习如何在ZEMAX⾥键⼊资料，包括设罝系统孔径(System Aperture)、透镜单位(Lens Units)、以及波长范围(Wavelength Range)，并且进⾏优化。
你也将使⽤到光线扇形图(Ray Fan Plots)、弥散斑(Spot Diagrams)以及其它的分析⼯具来评估系统性能。
这例⼦是⼀个焦距100 mm、F/4的单透镜镜头，材料为BK7，并且使⽤轴上(On-Axis)的可见光进⾏分析。
⾸先在运⾏系统中开启ZEMAX，默认的编辑视窗为透镜资料编辑器(Lens Data Editor, LDE)，在LDE可键⼊⼤多数的透镜参数，这些设罝的参数包括：表⾯类型(Surf：Type)如标准球⾯、⾮球⾯、衍射光栅…等曲率半径(Radius of Curvature)表⾯厚度(Thickness)：与下⼀个表⾯之间的距离材料类型(Glass)如玻璃、空⽓、塑胶…等：与下⼀个表⾯之间的材料表⾯半⾼(Semi-Diameter)：决定透镜表⾯的尺⼨⼤⼩上⾯⼏项是较常使⽤的参数，⽽在LDE后⾯的参数将搭配特殊的表⾯类型有不同的参数涵义。
1-2 设罝系统孔径⾸先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的「GEN」按钮⾥（System->General）。
点击「GEN」或透过菜单的System->General 来开启General的对话框。
点击孔径标签(Aperture Tab)（默认即为孔径页）。
因为我们要建⽴⼀个焦距100 mm、F/4的单透镜。
所以需要直径为25 mm 的⼊瞳(Entrance Pupil)，因此设罝：Aperture Type：Entrance Pupil DiameterAperture Value：25 mm点击单位标签(Units Tab)，并确认透镜单位为Millimeters。
Zemax光学设计：用ZEMAX模拟热效应
Zemax光学设计：用ZEMAX模拟热效应引言：ZEMAX的温度建模能力可以模拟出温度变化而引起的折射率变化，以及元件的热膨胀（或收缩）。
设计仿真1：模拟平板光学窗口的热效应模拟一个简单的平板光学窗口，平板不影响成像质量。
在初始的温度下，光学窗口的厚度和半口径均为100mm，间距为200mm，玻璃材料选BK7。
假设温度从20℃升到500℃，模拟窗口大小的变化。
首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。
在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并输入“100”；在视场设定对话框中设置1个视场，要选择“Angle”，如下图：在波长设定对话框中，输入0.550um一个波长，如下图：初始的LDE的结构参数，如下图：查看2D Layout：两个平板玻璃之间空气的热膨胀系数（TCE）为23ppm。
ZEMAX假设空气间隔是无穷薄圆柱形外壳。
空气间沿Z轴和XY面方向同时膨胀。
在这个例子中，两个玻璃都为平板，故空气间隔的径向膨胀对结果没有影响。
玻璃的TCE数值可以在玻璃库中找到。
为了模拟热效应，需要在MCE中指定受温度变化的参数，然后，使用Pick up Solve缩放这些参数。
MCE设置如下：所有受温度影响的参数都列在了MCE中了。
Config 1是20℃的，Config2是500℃的。
对Config 2中所有参数使用Thermal Pickup Solve，跟随Config 1。
这样设置意味着Config 2中所有参数的值都是通过ZEMAX内置的温度比例计算的。
在Environment中勾选“Adjust Index Data ToEnvironment”。
操作后，查看MCE：此时，Config 2中的值就自动更改了。
对比查看2个Config的3D Layout：Z轴变化比较明显，TTL从550mm变为了552.89mm。
设计仿真2：模拟柯克三片式的热效应打开ZEMAX自带的“Cooke 40 degree field.zmx”。
Zemax激光光学设计实例应用019Zemax公差分析初步
019：Zemax公差分析初步Zemax公差分析将有系统地分析些微扰动或色差对光学设计性能的影响。
公差分析的目的在于定义误差的类型及大小，并将之引入光学系统中，分析系统性能是否符合需求。
Zemax内建功能强大的公差分析工具，可帮助在光学设计中建立公差值。
公差分析可透过简易的设罝分析公差范围内，参数影响系统性能的严重性。
进而在合理的费用下进行最容易的组装，并获得最佳的性能。
Zemax公差分析是一个暗箱操作的过程，一般情况下我们不用去管他是怎么运作的，不过作为学习的严谨性，这里还是从一些简单的例子来研究他到底是怎么操作的。
Zemax公差分析也是一个很复杂的过程，一个系统中可能有非常多的数据需要分析，也可能只有几个重要的地方需要进行公差分析。
而且，一般来说，简单的情况下公差分析其实也可以自己手动分析，通过手动修改参数来分析结果。
但是，通过Zemax的公差分析功能，可以更快的分析更多的公差参数。
我们先从一个简单的例子入手，一个单透镜。
新建一个文件，打开LDE透镜数据编辑器，如图19-1所示，输入透镜参数。
系统参数设置中，入瞳直径设为6，系统波长选择0.6328（为了方便和后面的公差分析所用波长一致）。
其他参数默认。
图19-1 LDE透镜数据编辑器列表注意，我们将透镜的两个面的曲率半径设为变量Variable，像面位置也设为变量，然后用Zemax优化功能来自动搜寻最佳参数。
在评价函数编辑器中，用EFFL参数来控制有效焦距，假设为100，其他评价函数使用默认评价函数设置（Default Merit Function），不过要将优化目标选择为光斑半径Spot Radius，如图19-2所示。
然后运行优化工具，找到最佳面型参数。
得到优化后的LDE透镜数据编辑器如图19-3所示。
另外，可以打开3D Layout查看3D光路结构图，如图19-4所示；打开点列图分析窗口，查看焦平面上的点分布，如图19-5所示。
图19-2 默认评价函数编辑器设置图19-3 优化后的LDE透镜数据编辑器列表注意一下，在图19-5所示的点列图中，显示的RMS均方根光斑半径为0.585um。
ZEMAX的7个小例子
ZemaxCISUAL pµe¹°êj z tA1999729e:e(Singlet)ySchmidt-Cassegrain M aspheric correctormulti-configuration laser beam expanderfold mirrors M coordinate breaksC Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfacese¾u S p e A O C tD p O S o i n C³o U n t p m A n Zemax t p n CO Zemax tutorial A C P A b Zemax E. E. 7.0W L CC P b°ÑP u F v pµe¡A H s Pµi Z P W A ew b Zemax E. 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curvatureµJ-2000 mm¡A t object A°concave¡A Yµo¥O s C b thicknessµJ-1000¡A t u S z L mirror O g A b GlassµJ MIRROR¡A b System Generalµaperture J200¡CWavelength0.550¡A field angel h°0¡C b spot diagram¡A A77.6 microns RMS spot diagram¡A K image quality k N O b spot diagram W A superimpose Airy diffraction ring¡C q spot diagram menu bar Setting¡A b Show Scale W ”Airy Disk”¡Aµ²G p Figure E3-1A Aµo²M”scale bar”ªµG O C C RMS spot size”Airy Disk”¬°77.6 microns¡C u S diffraction-limited O°S wconic constant¡C e w curvature°-2000u O w q y A Y n w q Ah b STO ConicµJ-1¡AµU Update spot diagram¡A A”Airy ring”¬°°Au h E°b°éW A RMS°0¡C¥i O A m n A n O b J g W A Y A n o A Am n J g Cµk O b g A A fold mirror(«OI)C o-fold mirror b°45A W b C°i°200mm e A b b100mm W A p”¬”¹J g C M w200mm¡A fold mirror e g°800mm¡A°200+800=1000µ¥b STO W thickness¡A Y”¶Z”¤C p U A STO thickness°-800¡AµM«b imagine plane e J dummy surface¡A°n J dummy surface O H S dummy surface O°O H dummy surface u O b°U fold mirror m X A u N q A°Ñt”¤”A H°dummy surface C J dummy surface O H b image plane e J surface¡A o surface a N fold mirror¡A O A n v b surface type B h°fold mirror¡A O Tools Add Fold Mirror¡A b”fold surface”³B”2”¥N w q surface 2°fold mirror A A N p Zemax P.31LED C A°A surface type B b surface 24°Coord Break¡A o S O°H coordinate break surface O b e t wq s y t A O dummy surface ray tracing C b y z s y tA q6P°ÑA Y x-decenter¡A y-dencenter¡A tiltx¡A tilty¡A tiltz flag tiltingdecentration order¡C-n N O A coordinate break O”current”¦”global”ªcoordinate system¡A Y u O bt A Y n Y m V A Y coordinate break°°As t U C Coordinate break N O V t CµMcoordinate break surfaceµ´X C glassµ°”-“¥N J A surface type w e glass type P C b layout A2D(2D u rotational symmetric systems)¡A n3D A s X layout A↑↓page down or up i H G A op i AµA J g fold mirror I i H vignetted¡A o b t On q C b STO e J surface¡A O o surface thickness°900¡A b surface type Aperture Type°”Circular Obscuration”A b Max Radius J40A°fold mirror semi-diameter °31¡A p B C Update 3D layout¡A p Figure E3-3A h b3D layout settingµthe first surface M the last surface O°16Y i C(¦e)● Schmidt-Cassegrain M aspheric corrector§A N G polynomial aspheric surface, obscurations, apertures, solves, optimization, layouts, MTF plots.¥O Schmidt-Cassegrain polynomial aspheric corrector plate C o p O n b iC n10inches aperture M10inches back focus¡C l p A primary corrector System, General, b aperture value J10¡A P b screen unit”Millimeters”§°”Inches”C A Wavelength°3A O°0.486A0.587A0.656A0.587w°primary wavelength C A i H b wavelength screen”select”ÁA Y i°C e N default field angle value¡A°0¡C J p Zemax P.33starting prescription for schmidt cassegrain LDE A the primary corrector°MIRROR y C A i H s X2D layout A e X p Figure E4-1 C b b J G corrector¡A B M w imagine plane m C J p Zemax P.33 Intermediate prescription for schmide cassegram LDE¡A N primary corrector thickness°-18A-30p A o O°n second corrector size j p C b surface4radius w°variable¡A z L optimization, Zemax i w C layout¡A p Figure E4-2C s¥X merit function, reset A”Rings” option5C The rings option M w u sampling density, default value°3¡A b p A nD L°5¡C°õoptimization, Automatic Y i A Aµo²merit function° 1.3¡A O z C o O residual RMS wave error P C X merit function,±q system Update All,«h secondary corrector radius w41.83¡C q Analysis, fans,¤Optical Path, OPD plot p Figure E4-3Aµo²°defocus B°spherical,¤j4wave aberration n BC²b J t D D A w polynomial aspheric cofficients aspheric correction¡C surface 1surface type q standard°”Even Asphere”¡A OK X A surface 1 C Ak4th Order Term, µ°A k s A6th, 8th,«A°optimization¡C OPD plot update,¨p Figure E4-4A Aµo²spherical aberration w j j a C p I AP T i aberration P spherical amount, o N O spherichromatism,¬O U nB C g o A n axial color B spherochromatism,¦axial color balanceO H W spherochromatism O b first order axial color higher order C b first order axial color s b A p G first order s b A N axial color J O b A LY paraxial-optics,§Y P color b b W A N O first order optics¡n j higher order, Y higher order aberration balance A Y first order m higher order aberration, first order axial color°higher order spherochromatism o O b p W k C-n i axial color O H surface1curvature F axial color G C1 radius°variable,°õoptimization¡A A update OPD plot A p E4-5A o N On p A l t A residual aberration p1/20i A o nµ²G A i H L field angle,±q system, field A field angle°3A O O0.0, 0.3, 0.5¡C b field angle w Aboundary condition w A H A n w A merit function¡C merit function”Rings”§°”4”«X°õoptimization, h s OPD plot p E4-6A P field angle,¦O aberrations o i HµC p C°²n A h o O°H°O OModulation Transfer Function¡O H o N O A Y Oµo¥Object O v°M0A g Lo O v O M i A h MTF¡M i/ M0Y MTF U j A N°C O v A Nu C MTF b°spatial frequency in cycles per millimeter, spatial°O bar target¡t j e N A q H millimeter°A frequency in cycles Y C millimeterX t A H i O p A Y i W v C Modulation Transfer Function¡A Y e p E4-7A tangential & sagittal U J g field angle response C¹g p A p e MTF°circular pupil autocorrelationµG C o O the secondary corrector a B C JµM secondary corrector b primary em W A h J g w A B b primary W X h A Jq A H°F performance¡C p U A LDE¡A b3µI U A qAperture types Circular Aperture¡A b Min Radius J 1.7¡A Y J g b b j 1.7 i i J A°A B z primary W A P Max Radius°6¡C A B z secondary correctorobscuration¡A b surface 3e A J surface o new surface N F surface 3¡A thickness°20A B surface 2thickness°40A p¦20+40¡60q BK7primary C surface 3Aperture type¡A w°Circular Obscuration¡C Max Radius q° 2.5¡AOK X A P w surface 3semi-diameter O 2.5¡A update MTF¡A Aµo²performance w°C A S O O b medial spatial frequencies C(¦e) ● multi-configuration laser beam expander§A N G multi-configuration capability¡C°²A n p b iλ 1.053µU laser beam expander A Input diameter°100mm A output diameter°20mm¡A B Input M output°collimated¡C b p e A u U Cp A1. u22. p b W O Galilean¡S internal focus¡3. u aspheric surface i H4. t bλ328µU C¥p°u O n B aberration w A O b P wavelengths p U n°µ¨C 2°O Galilean O H Galilean N O u q J g t A b t focus H A b Y beams b focus¡C n b t O P b2wavelengths UA H b i H°Y conjugates¡C b l p A Zemax P.4-18LDEJ U surface C surface 5surface type q Standard°Paraxial¡A o b focal lengthµX C N paraxial lens O collimated light¡µfocus¡C P surface 5thickness focal length°25A entrance pupil diameter w°100A wavelength u 1.053 microns Y i A°O¦n b G wavelength¡C s X merit function¡A b1C operand type°REAY o real ray Y N°constraint¡A b p A n D Input diameter°100output diameter°20¡A°100¡G20¡5¡G1¡A Y J g beam Y F5A bsrf#¤J5¡A b surface n L ray height¡A Py W h J 1.00¡C target value w °10¡A o°Nµdiameter collimated°20mm output beam¡C°°O H°PyO normalized pupil coordinate A Y J g semi-diameter°50C A Py¡1Y b J g is aimed to the top of the entrance pupil A target value w°10A N O X semi-diameter°10A H50¡G 10¡5¡G1¡A Y F5A F n D C semi-diameter w°10¡A b Tools¡A Update¡A A b value column W X50A o N O entrance pupil radius Y coordinates O y bunit circle¡W A b°50¡A Px¡0¡A Py¡1Y b y b pupil j p°50¡Ab x b h°0¡Cq edit menu bar Tools¡A Default Merit Function¡A Reset”Start At” field°2¡A oH operands q G C l A v T w REAY operand¡C°õoptimization AOPD plot s X A p E5-1A Aµo²performance t A j°7waves¡Co-aberration D n spherical aberration A H n surface 1° a spheric A surface 1C conic°variable A A¦°optimization A A n OPD plot C b variable h AµM«N field s A°A w wavelength b 1.053µU beam expander p C O wavelength b0.6328µp O H i J t D D A N O multi-configuration i H b P t P w P configuration¡A H A P u n D A e w Fwavelength° 1.053µconfiguration A L°µconfiguration 1A wavelength 0.6328°configuration 2¡Cwavelength q 1.053°0.6328OPD plot A X D t performance A o O°glass dispersion t G C lens spacing°defocus surface 2thickness°variable¡A °õoptimization A update OPD plot¡A aberration j°wave¡AµU surface 2thickness variable¡C b Zemax multi-configuration capability A q main menu W Editors¡A Multi-configuration¡A A Edit¡A Insert Config¡A p N i H J sconfiguration¡A b CµU A”wave”¡A P b”Wavelength#”¤°1¡A o b P configuration¡A P wavelengths¡C b Config 1U J 1.053¡A Config 2U J0.6328¡A b J s C CµU A THIC°operand type¡A o b U Oconfiguration w q P thickness A q”surface” list2OK C b Config 1U J250A Config 2J250A L b surface2Y b LDE surface 2thickness O mult-configuration µoprand value¡A Config 2U surface 2thickness°variable¡C merit function editor¡A Tools¡A Default Merit Function¡A”StartAt”ª°1¡A default merit function q C lC b e w REAY constraint s multi-config merit function A b merit function C A CONFoperand B b”Cfg#”¶µw°1¡A b configuration 1O avtive¡C bC U T OPDXoperands¡A CONF M OPDX J s C A operand type °”REAY”¡A”Srf#”ÁJ5¡C n ray height O surface 5A Py J 1.00target value °10C p P e file X beam diameter°20mm C b CONF 1n Dµw A b CONF 2h operand A°i b wavelengths U nD exact 5G1beam C LED A surface 1¡A2¡A4curvatures surface 1conic°variable¡A°õoptimization¡b5 variable°active¡A3curvatures¡A1conic¡A1multi-config thickness¡C¥s¥X update OPD plot¡A A i H b mulit-configuration editor W b”Config 1”©”Config 2”¤W U A h OPD plot configuration¡A A i Ctrl-A hot key¡A b P configuration A Aµo²performance n A p t b wavelength 1.0530.6328µlaser U i H uC(¦e) ● fold mirrors M coordinate breaks§A N G A coordinate breaks, sign conventions b A t M pm fold mirrorsµ¥A j b”Add Fold Mirror”¤u i°°AµM¦Ae M A O C¦b3A w p p Newtonian A w g coordinate breaks A Hb g L mirror g thicknessµêw°t A M coordinate breaks HµÛA nfold mirror p T v a b C N A p b converging beam manuallyJ fold mirrors¡A Tools”Add Fold Mirror”¥Cs¥X LDE A STO surface type°paraxial A thickness w°100A o®paraxial lens default focal length AµM«q System, General¡A aperture°20¡A Y F/5lens¡C 3D layout¡A paraxial lens y converging beam t w C°²nX convergingbeam V W A O H N O J fold mirror¡A°w fold mirror°45°oriented B paraxial lens°30mm¡C n3C°coordinate break coordinate system45°¡AµM«mirror g u A A coordinate break g beamµ¹45°o O n I A n3surface m fold mirror¡C coordinate breaks S°A uO J g M X P y°w C b imaging surface e X J3lens A surface 1thickness w°30¡A b surface 3glass fold mirror titled¡A H t b paraxial lens40mm B focus¡C surface 24surface type°Coordinate Brek¡A LDE kA b surface 43parameter column heading W Y°”Title About X”¡C bµU A”Pick Up”A B³w”From Surface”¬°2A”Scale Factor”¬° 1.0A o N surface 4coordinate break °Êsurface 2C surface 2”title about x”¶µA J45¡A Update layout Ap Figure E6-1C N coordinate break thickness°0¡A mirror M coordinate break surface O X C N O A mirror S A O J g e X J g y t A b g°F45°¥A B F-70units h focus¡A tilt decenter°ÊO b u A Y thickness e C b A G fold mirror¡A P b imagine surface e J3surface¡A surface 4thickness q-70°-30¡A b surface 5tilt about xµJ-45¡A O b i Vl J g V A surface 7tilt about xµpick up from surface 5B scale factor w°1CUpdate 3D layout¡A h e p Figure E6-2A p A+45M-45A XJ g A S n coordinate breaks°A u n surface 25Y i C°surface 4 7U O H L°°C(¦e) ● Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces©A H A”achromatic singlet”³o F CµM¡A mirror O achromatic singlet¡A h B A h p B first-order chromatic aberration V X refractive/diffractive O iC N O refrative singlet¡AµM«N k diffractive surface¡Csinglet y j focusing power¡A the weak diffractive component h°dispersionv glass dispersion¡C U A focal length f singlet optical power°φ f-1A bλF-λC i d U A power i singlet glass Abbe number V y z AλFλC°hydrogen F C line wavelength°0.4861µm M0.6563µm¡C G∆φ φ/Vb j glasses A L dispersion p A p BK7A V°64.2¡C∆φ 2¢H CDiffractive optics hµphase of wavefront W optical power¡Cquadratic phase profile diffractive surface¡A phase°ψ Ar2A°C q A r°radial coordinate¡C p diffrective surface¡A L power°φ λA/πM L i e u C b P i d U A refractive singlet power°2¢H A diffractive optic power h X G°40¢H A A dispersion t i A t M w C o°nB O H p G b refractive W positive power A P i b diffractive W negative power F v GC W power q i H q”Standard”§°”Binary 2”¡CµM«b IMA e Js surface A Y J surface 2A thickness°100C STO thickness°10A glass°BK7¡A q System¡A General Aperture Value w°20¡C Wavelengths0.486¡A0.5870.656¡A0.587 w°primary¡C convex-plano singlet performance¡A surface 1radius°variable¡A B q Merit Function Editor tools Default Merit Function¡C l Optimization¡A s X OPD plot A Aµo²aberration°8waves C°F axial color D p A spherical aberrotion M default i C²b p A q Editors¡A Extra Data b”Max Term”¶µW J1M”Norm Aper”¤W J10¡A ”Coeff on PΛ2”¦µh°CµM«°Optimization AµA O O surface 1radius diffractive power¡C Update OPD plot h maximum aberration w g°wave¡A y aberration D n u U secondary spectrum spherical aberration¡C higher order termB L A Extra Date Editor¡A”MaxTerm #”§°2¡A B fourth order termµ°variable¡A A°optimization¡C s X updated OPD plot¡A Aµo²wavefront aberration w j j°1wave H U C(¦e)。
Zemax光学设计：人眼模型实例
Zemax光学设计：人眼模型实例引言：人眼光学模型常常被用在如下场景中：设计用于人眼内部观察的仪器（如检查眼底相机的照明均匀性）、设计人眼视线会穿过的仪器（如研究眼科镜片、隐形眼镜和人造晶状体的特性）以及研究人眼本身（如研究角膜瘢痕、白内障等眼病对视网膜成像造成的影响）。
设计仿真：首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。
在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据人眼瞳孔大小输入“4.0”；在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：因该模型通常用于评估视力，所以模型中对波长进行了加权。
并且也对0°、10°和20°的视场角分别进行了1.0、0.2和0.1的加权，以此来表示这些角度上的相对视力。
把视网膜当作像面时，相对视力在中心处权重为1.0，在2.5°时下降为0.5，在10°时下降为0.2，在20°时下降为0.1，在边缘处下降为0.025。
错误的加权会令优化结果不具参考意义。
在波长设定对话框中，输入0.470um、0.510um、0.555um、0.610um 和0.650um五个波长，如下图：该人眼模型中，使用带有相对照度权重的明视波长。
LDE的结构参数，如下图：该模型中还包含直径为一个4mm的虹膜瞳孔。
这个人眼模型中，将视网膜作为像面。
使用这些模型前，一定要将压缩文件中的EYE.AGF 文件拷贝到Zemax的玻璃库文件夹下。
玻璃库是根据已发表的真实眼睛中光学介质折射率的测量结果构建的，通常只适用于有限数量的波长，一般为F，d，C三个波长下的数据。
因此，适合使用Conrady公式，公式得出的结果范围限于可见光和近红外光谱，且Nd和Vd值不能够四舍五入。
如果波长范围需要扩展到紫外线或红外线，可以使用MISC玻璃库中利用Schott公式计算的334nm至2325nm的海水折射率数据。
15.-4利用ZEMAX像质优化与设计举例
15. 4利用ZEMAX 像质优化与设计举例ZEMAX 提供了十分强大的像质优化功能，可以对合理的初始光学系统结构进行优化设计。
设计中光学结构参变量可以是曲率、厚度、玻璃材料参数、圆锥系数、参数数据、特殊数据和多重结构数值数据。
本节首先，通过消色差双胶合望远镜物镜设计和参数分析，介绍利用ZEMAX 默认评价函数的优化设计过程。
然后，通过光路中有棱镜的望远物镜、显微物镜和目镜设计举例能，介绍像差补偿、几何像差控制等在ZEMAX 中的实现以及锤形( Hammer)优化的简单应用。
最后通过变焦物镜设计介绍ZEMAX 中多重结构设计实现。
15.4.1消色差双胶合望远镜物镜设计消色差双胶合物镜设计要求见表15.131)初始结构参数确定初始结构参数确定通常有两种方法，本设计采用初级像差理论求解初始结构方法。
望远系统一般由物镜、目镜和棱镜式或透镜式转像系统构成。
望远物镜是望远系统的一个组成部分，其光学特性的特点是:相对孔径和视场都不大。
因此，望远物镜设计中，校正的像差较少，一般不校正与像高的二次方以上的各种单色像差(像散、场曲、畸变)和垂轴色差，只校正球差、彗差和轴向色差。
在这三种像差中通常首先校正色差，因为初级色差和透镜形状 无关，校正了色差以后，保持透镜的光焦度不变，再用弯曲透镜的方法校正球差和彗差，对已校正的色差影响很小。
由初级像差理论可知，双胶合透镜成为消色差双胶合透镜的条件是，双胶合透镜的正负光焦度分配应满足下式:12φφφ=+，1112V V V φφ=-，2212V V V φφ=- （15.22）式中:φ、1φ，和2φ分别双胶合物镜、正透镜和负透镜的光焦度(焦距值的倒数)，1V 和2V 为正负透镜所选玻璃的阿贝数V 。
本示例中，正、负透镜的玻璃材料分别选用K9和ZF1，对应的n 1d =1.. 51637 , V 1=64. 07 , n 2d == 1. 64767 ,v 2=33. 87。
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使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析武汉光迅科技股份有限公司宋家军（QQ：41258981）转载并修改摘要光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。
简介ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout)一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。
根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。
一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。
“序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。
所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。
在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。
光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。
若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。
大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。
对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。
几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。
在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。
序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。
非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。
在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。
此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。
ZEMAX的功能ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。
序列性系统需定义视场角(field of view)、波长范围（wavelength range）和表面数据（surface date）。
序列性设计的最重要参数之一，为系统孔径(system aperture)。
系统孔径，常指入瞳(entrance pupil) 或孔径光栏（STO），它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。
光学表面可以是折射、反射或绕射。
透镜可以是由均匀或渐变折射率材质所制成。
表面的下弯(sag) 可以是球面、圆锥面(conic)、非球面(aspheric)或藉由多项式或其它参数函数来定义。
也包含了许多绕射光学组件模型。
此外，一个使用者自定表面的功能，允许设计者以撰写程序的方式来建构任何实际的表面下弯或相位分布。
一些功能可以用来分析系统，包括数个系统绘图(layouts) 类型、汇出CAD格式的表面信息功能、光点图(spot diagrams)、光扇图(ray fan) 和光程差图、光学调制传递函数(modulation transfer function，MTF) 和点扩散函数(point spread function，PSF) 图、包围圆(encircled) 和包围矩形(ensquared) 的能量信息、像差计算( 塞德(Seidel) 和泽尼克(Zernike) )、理想或偏斜(skew) 高斯光束参数计算、极化描光和波前传播工具。
优化序列性描光软件的关键功能即是可以快速且精确的优化一个光学设计。
主要的优化技巧是以减幅最小均方根(damped least squares，DLS) 的算法为基础，并使用主动减幅(active damping)。
此外，ZEMAX包括全域性优化功能，其以结合减幅最小均方根过程的优化算法为基础。
优化是以使系统绩效函数(merit function) 的总值达到最小为基础。
简单的说，绩效函数为一种对一个理想光学系统的数值描述。
重要的是，绩效函数代表光学系统的要求性能。
对于既定的设计，可以适当的选用好几个预设的绩效函数。
对于成像系统，绩效函数可用来特别地针对减小光学像差，藉由限制光线在成像面上的延伸，或使从理想球面的系统波前偏差减至最小。
许多其它的优化参数也用来修改标准绩效函数或建立一个使用者自定的绩效函数。
当执行优化时，ZEMAX对任何使用者建构的系统或表面参数，决定最理想的值。
几乎任何参数，包括曲率、厚度、玻璃特性、非球面系数和视场或波长资料，皆可设为变数。
可以对可接受的参数值范围内下限制，以确保可以轻易的建构一个合理的系统。
公差分析在完成光学系统的设计之后，执行公差分析是重要的。
公差分析为一种统计的过程，用来有系统地引入缺陷到光学设计中，以决定任何系统参数的误差对整体而言，如何影响系统性能。
公差分析是必须的，因为没光学组件是光滑的，或者当设计好时，可以精确地组装系统。
公差分析可用来决定每个系统参数的可接受值范围。
这个信息之后可以用来决定任何系统的可能性、以公差范围内来制造、在指定的性能水平之上工作。
ZEMAX包括一个广泛的、完整的公差分析算法，允许设计者自由完成任何光学设计的公差。
可以决定出相对于任何性能尺寸的公差，且可以包括任何补偿因子的影响，甚至机构的部分或光学的部分将被用来组装，或系统的使用。
波前传播几何光线追迹为一般用来描述光的传播通过一个光学系统的方法。
如同先前所描述的，光线追迹对于分析许多光学系统来说，为一种非常精确的方法，然而这个模型的实用性有一些限制。
光线模型的限制是因为光线追迹而产生，每条光线是独立的，即：一条光线传播的路径是可以完全决定的，而不受其它光线的影响。
光线之间不会发生干涉（interference）。
若光线与一个限制孔径或遮挡物的表面相交，光线不是被挡住就是通过，但在其它方面，光线路径是不受影响的，光线不会发生绕射现象。
ZEMAX包含了数个光线为基础的绕射计算，包括PSF和MTF，为包括单阶的夫琅和费（Fraunhofer）计算，波前从近场(出瞳) 传播到远场(成像面)。
这些计算只可以在成像系统中执行，且在非常接近成像的表面。
当以光线为基础的方法不适用时，ZEMAX中的物理光学传播(Physical Optics Propagation，POP) 工具可用来分析系统，包括表面非常接近焦点、表面远离焦点但接近绕射孔径（diffracting apertures）和平行光的传播，或行经长距离后的近似平面波前。
使用POP，任何波前，包括高斯和混合的高阶模态光束、帽盖形(top hat) 分布或任意的使用者自定波前，皆可以传播通过任何ZEMAX的设计档案。
几乎支持所有表面型态。
从任何场点来的波前可插入光学系统中的任何位臵（不会仅能在已定义的物面位臵）。
波前传播通过每个表面，且相位强度的信息可以在每个表面被计算。
POP功能非常有用地被用于空间滤波(spatial filters)、分析光束成形的光学系统或任何其它与干涉和绕射有关的光学系统，如绕射菲涅耳区域平板(Fresnel Zone Plates)。
极化光线追迹光可以用光线来模拟，并以位臵、方向、相位和振幅来表示之。
然而，光也与电场有关。
电场的方向与传播方向互相垂直，且随着时间的改变，其方向和大小亦会有所变化。
当光线传播通过一个光学系统时，其极化状态一般并无需有守恒的关系存在。
当极化光线传播通过一个光学系统时，极化光线追迹可追踪光线极化的状态。
介质间的界面，包括空气、玻璃和金属，会导致衰减(attenuation) 和延缓（retardance）的变化产生，和改变极化椭圆(polarization ellipse) 的形状。
而入射角和波长的关系则会减少表面的传输。
这些在传输相位上的变化，称为极化像差(polarization aberrations)。
这些像差会导致MTF和斯奈尔比（Strehl ratio）值变小，此外亦会使得系统性能降低。
实际上，这些像差并没有不同于任何其它成像的像差。
ZEMAX可以在任何类型的光学表面上，完整建构出任何薄膜干涉的镀膜层。
极化光线追迹的计算，包括薄膜镀膜层、体积吸收(volumetric absorption) 和波长与入射角的影响，能更精确地预测真实系统的性能。
非序列性分析使用非序列性分析，光学组件必须以真实对象来表示，而不是以表面来表示。
并允许以光线追迹的方法来决定对象被光线打到的顺序。
这不仅包括对象的顺序，也包括对象上的特殊表面或小刻面(facet) 的顺序。
控制杂散光、分析成像系统中的鬼影、设计照明和其它非成像光学系统时，这样的功能是重要的。
非序列性分析不会被已定义的系统孔径所限制。
任何光分布种类的光源可以放臵在光学空间中的任何位臵。
从任何光源发射出的光线可以朝任何有实际意义的方向传播。
打到光学或机构组件上的一条特定光线的顺序，可藉由光线的位臵、目前传播的方向和其它组件的位臵来决定。
被光打到的对象将是沿光线传播方向上最接近光源的对象。
此外，在非序列性空间中，在每个光线表面交点上，任何光线可以分裂(split) 成任何数目的子光线。
每条子光线将与父段中的一些能量有关。
这样一来，便允许追迹所有的折射、反射、散射和绕射能量路径。
建构诸如菲涅耳反射的影响来分析成像系统的鬼影，和在粗糙的或光滑的机构或光学组件上建构散射面来研究杂散光影响皆是必须的。
每一条子光线的能量可以藉由极化光线追迹来决定，这对研究鬼影的相对强度和建构诸如干涉仪(interferometers) 的系统，包括整形平板(shearing plates) ，是很重要的。
对于散射特性，使用者可自由的指定任何表面粗糙的种类，然后分裂子光线的散射分布模型。
检测面装臵是用在非序列性分析中。
检测面为奇特的表面，不是平的就是弯曲的，是用来量测入射在检测面位臵上的能量。