ZEMAX光学设计讲义

实验一：单镜头设计(Singlet)

实验目的：

1、学习如何启用Zemax

2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data）

3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams），

MTF等。

4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables）

5、学习如何进行优化设计（optimization）

实验仪器：微机、zemax光学设计软件

实验步骤：

1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波长为可见光，

用BK7玻璃为材料。

2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它

是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。

3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，

键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第

二、三行键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587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。

4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形

成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture 就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue上键入25，然后点击ok。

5、回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，

STO即孔径光阑aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是点击IMA栏，选取insert，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。

6、输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接键入BK7即可。

7、孔径的大小为25mm，则第一镜面合理的thickness为4，在STO列中的thickness栏上直接键入4。

Zemax的默认单位是mm

8、确定第1及第2镜面的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为

负值。再令第2面镜的thickness为100。

9、现在数据已大致输入完毕。如何检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，然后选择其

中的Ray Aberration，将会出现如图1-1所示的TRANSVERSE RAY FAN PLOT。

图1-1

其中ray aberration是以chief ray为参考点计算的。纵轴为EY的，即是在Y方向的aberration，称为tangential或者YZ plane。同理X方向的aberration称为XZ plane或sagittal。ray fan在原点处的倾斜说明存在离焦defocus

10、Zemax主要的目的，就是帮我们矫正defocus，用solves就可以解决这些问题。solves是一些函数，

它的输入变量为curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相关的parameters 等。parameters是用来描述或补足输入变量solves的型式。如curvature的型式有chief ray angle，pick up，Marginal ray normal，chief ray normal，Aplanatic，Element power，concentric with surface 等。而描述chief ray angle solves的parameter即为angle，而补足pick up solves的parameters为surface，scale factor两项，所以parameters本身不是solves，要调整的变量才是solves的对象。

在surface 2栏中的thickness项上点两下，出现solve对话框，把solve type从fixed变成Marginal Ray height，然后OK。这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0，即paraxial focus。

此时surface 2的厚度自动调整为96mm。再次update ray fan，将出现图1-2，defocus不见了。

11、但这是最佳化设计吗？再次调整surface 1的radius项从fixed变成variable，依次把surface 2的

radius从fixed变成variable，及surface 2中thickness的Marginal Ray height也变成variable。12、我们再来定义一个Merit function，什么是Merit function呢？Merit function就是把你理想的光学

要求规格定为一个标准(如此例中focal length为100mm)，然后Zemax会连续调整你输入solves 中的各种variable, 把计算得的值与你订的标准相减就是Merit function值，所以Merit function值愈小愈好，挑出最小值时即完成variable设定，理想的Merit function值为0。

如何设Merit function，Zemax 已经default 一个内建的merit function，它的功能是把RMS wavefront error 减至最低，所以先在editors中选Merit function，进入其中的Tools，再按Default Merit Function 键，再按ok，即我们选用default Merit function ，这还不够，我们还要规定给merit