Zemax软件设计教程
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光线扇面图的坐标轴是如何定义的？有什么意义呢？
归一化的物、入瞳坐标。通过入瞳某一坐标【PX，PY】的光线在像面上有 唯一的位置【EX、EY】，以PX、PY为横坐标，EX、EY为纵坐标，分别建 立坐标系，把通过入瞳的光线都在坐标系里描点就得到了光线扇面图
Working F/#=1/[2sin(5.76436)]=4.97822391 Paraxial Working F/#=1/[2tan(arccos(0.9950372))]=5.00000496
Fie
ZEMAX支持4种不同视场形式： Field angle: XZ和YZ平面上主光线与Z轴的夹角。常用于无限共轭系统。 Object height: 物面上X，Y高度。常用于有限共轭系统。 Paraxial Image height: 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） Real image height: 像面上实际像高。用于需要固定像幅的设计中（如camera lenses）。
对于后者，除了图形窗口，如果你要查看文本窗口的内容，点击 菜单栏中的“Text”
Dialog boxes
用来编辑其他窗口或系统的数据，比如General，Field Data， Wavelength Data，Glass Catalog，Lens Catalogs……
序列模式
这种模式下的光学设计和仿真可按照下列步骤进行：
第一种是根据你限定的评价标准所允许的最大值来计算每个参数的公差范围比如你的评价标准是优化函数它现在的值是05你允许考虑公差时它的最差结果是07那么反灵敏分析会计算每个参数的公差范围保证优化函数不会大于07第一种是根据你限定的评价标准所允许的最大增量来计算每个参数的公差范围比如你的评价标准是优化函数它现在的值是05你允许考虑公差时它的最大增量02那么反灵敏分析会计算每个参数的公差范围保证优化函数不会大于0769montecarlo分析蒙特卡罗分析是考虑所有公差同时存在时评估系统性能的一种方法
文件菜单（File）
Editors
ZEMAX中的editors本质上是为满足透镜设计程序而专门设计的电子数据表： • Lens Data Editor
输入基本的镜头数据，包括表面编号、注释、表面类型、表面曲率半径、 厚度、玻璃、口径半径、二次常数、热膨胀系数和膜层数据 • Merit Function Editor
Editors
9. 选择面型（Selecting Surface Type） 10. 各面通光口径的确定（Specifying Surface Aperture） 11. 设置和撤销求解（Setting and Removing Solves） 12. LDE窗口的菜单选项（Menu Options）
Surface Type
1.提供了近60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、轮胎面、折射率 渐变面、二元光学面、光栅(固 定周期和变周期)、全息衍射元 件、Fresnel透镜、波带片等。 2.还提供了User Defined Surface。 用户只需要按照它的语法规定， 用C++语言编写DLL文件与 ZEMAX相连接就可以建立自己 需要的面形。
Graphic and Text windows
ZEMAX的图形和文本窗口都为评价和分析光学系统的性能提供 了有力的帮助。
ZEMAX的有些功能只支持图形窗口（比如layout，3D layout） ， 有些功能只支持文本窗口（如System Data，Prescription Data，Ray Trace，Seidel Coefficients），有些功能既有图形窗口也有文本窗 口（如Ray Fan，OPD Fan，Spot Diagram）
作者
书名
袁旭沧/张以谟
光学设计/应用光学
Joseph M. Geary Introduction to lens design: with practical ZEMAX example
Gregory Hallock
Practical Computer-Aided Lens Design
R. E. Fischer
VDX,VDY,VC X,VCY,VAN 是用来设置渐 晕因子的
Wav
ZEMAX最多允许定义12个波长，必须指定参考波长，可以根据不同波 长的重要性，设定不同的权重。 波长的单位为微米。 Select-〉功能可以选择多种默认的波长
Lens Data Editor
一定存在的3个表面：OBJ、STO和IMA 可以随意插入更多的表面 每个表面都包括的数据有：表面类型、注释、曲率半径、厚度、玻璃 牌号、表面的半口径、二次常数、保留的参数0-12、热膨胀系数和膜 层参数
视场0,7，10度 波长：可见光 玻璃材料：BK7
练习：在ZEMAX中输入一个入瞳直径33.33mm的双高斯镜头。视场角设定0度、 10度、14度，采用波长0.486，0.587，0.656，参考光为0.587，Layout如下：
表面的曲率半径依次为54.15，152.52，35.95，infinity，22.27，infinity，-25.68， infinity，-36.98，196.42，-67.148；玻璃和空气间隙的厚度依次为：8.75，0.5，14， 3.78，14.25，12.42，3.78，10.83，0.5，6.85，57
ZEMAX的主窗口
（1）文件菜单（File）：用于文件的打开、关闭、保存、重命名。 （2）编辑菜单（Editors）：用于打开或关闭编辑器。 （3）系统菜单（System）：用于确定整个光学系统的属性。 （4）分析菜单（Analysis）：不能改变镜头数据，只是从给定的镜头数据中计算出 结果，用数字或图形表示。这些结果包括轮廓图、像差曲线图、点列图、衍射计算 等等。 （5）工具菜单（Tools）：可以改变镜头数据或对整个系统进行复杂的计算。这些 包括优化计算、公差、套样板、执行宏语言程序等。 （6）报告菜单（Reports）：用文本方式记录镜头设计结果。 （7）宏指令菜单（Macros）：用于编辑和运行目录文件。 （8）扩展命令菜单（Extensions）：用于扩展命令功能，这是ZEMAX的编辑特性。 （9）帮助菜单（Help）：提供在线帮助。
容易混淆的概念：Image Space F/#；Paraxial Working F/#; Working F/# Paraxial Working F/#： Working F/#：
Paraxial Working F/#计算公式中的θ是近轴边缘光线与光轴的夹角； Working F/# 计算公式中的θ是实际边缘光线与光轴的夹角
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Gen
Aperture决定了系统的入光量的多少。 EPD--入瞳直径；Image space F/#--无限物距时，象空间的近轴F数；Object space NA--有限物距时，物空间数值孔径；Float By Stop Size--根据孔径光阑的大小变化； Paraxial Working F/#--无限远或有限远物距时，象空间的近轴工作F数；Object Cone Angle—有限物距时，物空间边缘光线与光轴的夹角
Optical system design
Smith，Warren
Modern Lens Design
Laikin
Lens Design
使用ZEMAX的三种方式
Completely sequential： *应用于传统的镜头设计和大多数的成像系统 *应用这种模式时不能进行散射和鬼象分析
Hybrid sequential/non-sequential *应用于有很多序列元件，又有一些非序列元件（比如棱镜或光管）的系统 *必须使用“ports”作为光线进出非序列元件组的端口 Completely non-sequential *应用于照明、散射和杂光分析。光线沿任何物理上有效的路径传输 *这种模式下非序列元件不使用“ports”
在这里定义光源、光学对象、探测器
Editors
1. 镜头数据编辑器（Lens Data Editor）
1. 插入/删除面数据（Insert/Delete Surface0), 2. 输入面注释（Entering Surface Comments), 3. 输入半径数据（Entering Radius Data） 4. 输入厚度数据（Entering Thickness Data） 5. 输入玻璃数据（Entering Glass Data） 6. 输入半径数据（Entering Semi-Diameter) 7. 输入二次曲面数据（Entering Conic Data） 8. 确定光阑面（Defining the Stop Surface）、
ZEMAX的用户界面
ZEMAX的用户界面有四种允许输入和分析系统数据的窗口： • Editors
定义和编辑光学表面和其他数据 • 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，或者用来报告错误信息和其他的一些 目的。
ZEMAX有三种版本：ZEMAX-SE（标准版）、ZEMAX-XE（扩 展版）、ZEMAX-EE（工程版）。只有ZEMAX-EE的功能最为全 面。
ZEMAX应用
ZEMAX可以用于相机镜头、望远镜、显微镜、 照明系统、显示系统、干涉仪、光通讯器件等 各光学系统的设计和仿真
ZEMAX不能做什么？
ZEMAX软件和使用手册都不会教您如何设计镜头和光学系统。 ZEMAX功能是很强大，但是把握和引导光学系统的设计、优化方向， 判断系统性能的只能是你。如果你对光学设计感兴趣，推荐书单：
常用的分析诊断工具
1. 二维外形图（2D Layout）
外形图
外形图
2. 三维外形图（3D Layout）
3. 阴影图（Shaded Model）
外形图
外形图
4. 元件图（ZEMAX Element Drawing）
Ray fan plot
光线扇面图是分析几何像差的有力工具，值得好好学习和分析。
ZEMAX光学软件课程
ZEMAX简介
ZEMAX是一个使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏 振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。
ZEMAX的光学设计功能体现在使用序列模式设计传统的光学成像 系统，平衡优化成像系统的像差，分析评价成像质量，给光学系 统分配合适的公差等方面。
ZEMAX的仿真功能体现在使用非序列模式、物理光学传播、热分 析等功能模拟和仿真实际的光学系统方面。
Completely sequential
•以光学面（surface）为对象来构建光学系统模型； •光线从物面开始（常为surface 0） •按光学面的顺序计算（surface 0,1,2…），对每个光学面只计算一次； •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； •可进行analysis,Optimization及Tolerancing
数据编辑器
系统数据
需要设置三个Dialog boxes： General (Gen) -通常需要设置孔径类型、孔径大小、透镜长度单位、玻璃库等 Field Data (Fie) -选定视场角的类型，设置视场角大小 Wavelength Data (Wav) -入射需要用到的波长，以及权重，设定哪个波长是参考波长
表面数据的符号规则
表面数据的符号规则：曲面左凸为正，右凸为负；高度向上为正，向 下为负；角度从光线向光轴，顺时针锐角为正，逆时针为负；厚度向 右为正，向左为负
+y
+z
单个透镜的例子
目的：练习如何建立初始结构、设定视场和工作波长。 题目：
建立一个单透镜，入瞳直径为40mm，二个面的曲率半径分别为50mm,60mm，中心厚度为4mm
1.输入系统数据
2.输入透镜数据/修改透镜数据
3.检查、分析模型，考虑是否修改透镜数据或者考虑优化方向
4.优化、评价模型性能
5.公差分析
6.出报告、画工程图
设计过程中，第3步的结果不好的话，你可能需要返回到第2步重复设 计；第4步完成后达不到期望的性能，也需要返回到第2步重复设计， 直到设计结果能满足需求；但是即便如此，你也只得到了一个停留在 纸上的设计方案，只有在进行了公差分析，证实这个设计是可以加工 和装配的，设计才算基本完成，否则还是要回到第2步重复整个过程。
在这里定义和编辑优化函数 • Multi-Configuration Editor
给变焦距透镜和其它的多结构系统定义参数变化表 • Tolerance Data Editor
定义和编辑公差 • Extra Data Editor
一个扩展的透镜数据编辑器，为那些需要很多参数才能定义的表面准备的， 比如表面类型Binary 2 •Non-Sequential Components Editor
归一化的物、入瞳坐标。通过入瞳某一坐标【PX，PY】的光线在像面上有 唯一的位置【EX、EY】，以PX、PY为横坐标，EX、EY为纵坐标，分别建 立坐标系，把通过入瞳的光线都在坐标系里描点就得到了光线扇面图
Working F/#=1/[2sin(5.76436)]=4.97822391 Paraxial Working F/#=1/[2tan(arccos(0.9950372))]=5.00000496
Fie
ZEMAX支持4种不同视场形式： Field angle: XZ和YZ平面上主光线与Z轴的夹角。常用于无限共轭系统。 Object height: 物面上X，Y高度。常用于有限共轭系统。 Paraxial Image height: 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） Real image height: 像面上实际像高。用于需要固定像幅的设计中（如camera lenses）。
对于后者，除了图形窗口，如果你要查看文本窗口的内容，点击 菜单栏中的“Text”
Dialog boxes
用来编辑其他窗口或系统的数据，比如General，Field Data， Wavelength Data，Glass Catalog，Lens Catalogs……
序列模式
这种模式下的光学设计和仿真可按照下列步骤进行：
第一种是根据你限定的评价标准所允许的最大值来计算每个参数的公差范围比如你的评价标准是优化函数它现在的值是05你允许考虑公差时它的最差结果是07那么反灵敏分析会计算每个参数的公差范围保证优化函数不会大于07第一种是根据你限定的评价标准所允许的最大增量来计算每个参数的公差范围比如你的评价标准是优化函数它现在的值是05你允许考虑公差时它的最大增量02那么反灵敏分析会计算每个参数的公差范围保证优化函数不会大于0769montecarlo分析蒙特卡罗分析是考虑所有公差同时存在时评估系统性能的一种方法
文件菜单（File）
Editors
ZEMAX中的editors本质上是为满足透镜设计程序而专门设计的电子数据表： • Lens Data Editor
输入基本的镜头数据，包括表面编号、注释、表面类型、表面曲率半径、 厚度、玻璃、口径半径、二次常数、热膨胀系数和膜层数据 • Merit Function Editor
Editors
9. 选择面型（Selecting Surface Type） 10. 各面通光口径的确定（Specifying Surface Aperture） 11. 设置和撤销求解（Setting and Removing Solves） 12. LDE窗口的菜单选项（Menu Options）
Surface Type
1.提供了近60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、轮胎面、折射率 渐变面、二元光学面、光栅(固 定周期和变周期)、全息衍射元 件、Fresnel透镜、波带片等。 2.还提供了User Defined Surface。 用户只需要按照它的语法规定， 用C++语言编写DLL文件与 ZEMAX相连接就可以建立自己 需要的面形。
Graphic and Text windows
ZEMAX的图形和文本窗口都为评价和分析光学系统的性能提供 了有力的帮助。
ZEMAX的有些功能只支持图形窗口（比如layout，3D layout） ， 有些功能只支持文本窗口（如System Data，Prescription Data，Ray Trace，Seidel Coefficients），有些功能既有图形窗口也有文本窗 口（如Ray Fan，OPD Fan，Spot Diagram）
作者
书名
袁旭沧/张以谟
光学设计/应用光学
Joseph M. Geary Introduction to lens design: with practical ZEMAX example
Gregory Hallock
Practical Computer-Aided Lens Design
R. E. Fischer
VDX,VDY,VC X,VCY,VAN 是用来设置渐 晕因子的
Wav
ZEMAX最多允许定义12个波长，必须指定参考波长，可以根据不同波 长的重要性，设定不同的权重。 波长的单位为微米。 Select-〉功能可以选择多种默认的波长
Lens Data Editor
一定存在的3个表面：OBJ、STO和IMA 可以随意插入更多的表面 每个表面都包括的数据有：表面类型、注释、曲率半径、厚度、玻璃 牌号、表面的半口径、二次常数、保留的参数0-12、热膨胀系数和膜 层参数
视场0,7，10度 波长：可见光 玻璃材料：BK7
练习：在ZEMAX中输入一个入瞳直径33.33mm的双高斯镜头。视场角设定0度、 10度、14度，采用波长0.486，0.587，0.656，参考光为0.587，Layout如下：
表面的曲率半径依次为54.15，152.52，35.95，infinity，22.27，infinity，-25.68， infinity，-36.98，196.42，-67.148；玻璃和空气间隙的厚度依次为：8.75，0.5，14， 3.78，14.25，12.42，3.78，10.83，0.5，6.85，57
ZEMAX的主窗口
（1）文件菜单（File）：用于文件的打开、关闭、保存、重命名。 （2）编辑菜单（Editors）：用于打开或关闭编辑器。 （3）系统菜单（System）：用于确定整个光学系统的属性。 （4）分析菜单（Analysis）：不能改变镜头数据，只是从给定的镜头数据中计算出 结果，用数字或图形表示。这些结果包括轮廓图、像差曲线图、点列图、衍射计算 等等。 （5）工具菜单（Tools）：可以改变镜头数据或对整个系统进行复杂的计算。这些 包括优化计算、公差、套样板、执行宏语言程序等。 （6）报告菜单（Reports）：用文本方式记录镜头设计结果。 （7）宏指令菜单（Macros）：用于编辑和运行目录文件。 （8）扩展命令菜单（Extensions）：用于扩展命令功能，这是ZEMAX的编辑特性。 （9）帮助菜单（Help）：提供在线帮助。
容易混淆的概念：Image Space F/#；Paraxial Working F/#; Working F/# Paraxial Working F/#： Working F/#：
Paraxial Working F/#计算公式中的θ是近轴边缘光线与光轴的夹角； Working F/# 计算公式中的θ是实际边缘光线与光轴的夹角
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Gen
Aperture决定了系统的入光量的多少。 EPD--入瞳直径；Image space F/#--无限物距时，象空间的近轴F数；Object space NA--有限物距时，物空间数值孔径；Float By Stop Size--根据孔径光阑的大小变化； Paraxial Working F/#--无限远或有限远物距时，象空间的近轴工作F数；Object Cone Angle—有限物距时，物空间边缘光线与光轴的夹角
Optical system design
Smith，Warren
Modern Lens Design
Laikin
Lens Design
使用ZEMAX的三种方式
Completely sequential： *应用于传统的镜头设计和大多数的成像系统 *应用这种模式时不能进行散射和鬼象分析
Hybrid sequential/non-sequential *应用于有很多序列元件，又有一些非序列元件（比如棱镜或光管）的系统 *必须使用“ports”作为光线进出非序列元件组的端口 Completely non-sequential *应用于照明、散射和杂光分析。光线沿任何物理上有效的路径传输 *这种模式下非序列元件不使用“ports”
在这里定义光源、光学对象、探测器
Editors
1. 镜头数据编辑器（Lens Data Editor）
1. 插入/删除面数据（Insert/Delete Surface0), 2. 输入面注释（Entering Surface Comments), 3. 输入半径数据（Entering Radius Data） 4. 输入厚度数据（Entering Thickness Data） 5. 输入玻璃数据（Entering Glass Data） 6. 输入半径数据（Entering Semi-Diameter) 7. 输入二次曲面数据（Entering Conic Data） 8. 确定光阑面（Defining the Stop Surface）、
ZEMAX的用户界面
ZEMAX的用户界面有四种允许输入和分析系统数据的窗口： • Editors
定义和编辑光学表面和其他数据 • 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，或者用来报告错误信息和其他的一些 目的。
ZEMAX有三种版本：ZEMAX-SE（标准版）、ZEMAX-XE（扩 展版）、ZEMAX-EE（工程版）。只有ZEMAX-EE的功能最为全 面。
ZEMAX应用
ZEMAX可以用于相机镜头、望远镜、显微镜、 照明系统、显示系统、干涉仪、光通讯器件等 各光学系统的设计和仿真
ZEMAX不能做什么？
ZEMAX软件和使用手册都不会教您如何设计镜头和光学系统。 ZEMAX功能是很强大，但是把握和引导光学系统的设计、优化方向， 判断系统性能的只能是你。如果你对光学设计感兴趣，推荐书单：
常用的分析诊断工具
1. 二维外形图（2D Layout）
外形图
外形图
2. 三维外形图（3D Layout）
3. 阴影图（Shaded Model）
外形图
外形图
4. 元件图（ZEMAX Element Drawing）
Ray fan plot
光线扇面图是分析几何像差的有力工具，值得好好学习和分析。
ZEMAX光学软件课程
ZEMAX简介
ZEMAX是一个使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏 振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。
ZEMAX的光学设计功能体现在使用序列模式设计传统的光学成像 系统，平衡优化成像系统的像差，分析评价成像质量，给光学系 统分配合适的公差等方面。
ZEMAX的仿真功能体现在使用非序列模式、物理光学传播、热分 析等功能模拟和仿真实际的光学系统方面。
Completely sequential
•以光学面（surface）为对象来构建光学系统模型； •光线从物面开始（常为surface 0） •按光学面的顺序计算（surface 0,1,2…），对每个光学面只计算一次； •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； •可进行analysis,Optimization及Tolerancing
数据编辑器
系统数据
需要设置三个Dialog boxes： General (Gen) -通常需要设置孔径类型、孔径大小、透镜长度单位、玻璃库等 Field Data (Fie) -选定视场角的类型，设置视场角大小 Wavelength Data (Wav) -入射需要用到的波长，以及权重，设定哪个波长是参考波长
表面数据的符号规则
表面数据的符号规则：曲面左凸为正，右凸为负；高度向上为正，向 下为负；角度从光线向光轴，顺时针锐角为正，逆时针为负；厚度向 右为正，向左为负
+y
+z
单个透镜的例子
目的：练习如何建立初始结构、设定视场和工作波长。 题目：
建立一个单透镜，入瞳直径为40mm，二个面的曲率半径分别为50mm,60mm，中心厚度为4mm
1.输入系统数据
2.输入透镜数据/修改透镜数据
3.检查、分析模型，考虑是否修改透镜数据或者考虑优化方向
4.优化、评价模型性能
5.公差分析
6.出报告、画工程图
设计过程中，第3步的结果不好的话，你可能需要返回到第2步重复设 计；第4步完成后达不到期望的性能，也需要返回到第2步重复设计， 直到设计结果能满足需求；但是即便如此，你也只得到了一个停留在 纸上的设计方案，只有在进行了公差分析，证实这个设计是可以加工 和装配的，设计才算基本完成，否则还是要回到第2步重复整个过程。
在这里定义和编辑优化函数 • Multi-Configuration Editor
给变焦距透镜和其它的多结构系统定义参数变化表 • Tolerance Data Editor
定义和编辑公差 • Extra Data Editor
一个扩展的透镜数据编辑器，为那些需要很多参数才能定义的表面准备的， 比如表面类型Binary 2 •Non-Sequential Components Editor