实验二ZEMAX中的像质评价方法
Zemax中的像质评价方法课件
Wavefront (波像差)
可用于小像差光学系统和大像差光学系统， 同时因有瑞利标准（波像差小于λ/4波长，镜 头系统成像质量接近理想），使波像差评价 像质易被量化，只是对大像差系统时，可将 波像差容限取成2－4倍的瑞利标准; 波像差跟视场有关，由一个视场物点发出充 满入瞳面的光线，相当于一个球面波入射， 经过镜头系统后，出射波面因像差的存在发 生变形，表示存在波像差.
球差 场曲 彗差 像散 畸变 色差 垂轴色差
Fans (光扇图) Spot Diagram （几何点列图） MTF (调制传递函数) PSF (点扩散函数) Wavefront （波像差） Miscellaneous (其他或杂项)
Fans(光扇图)
由任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Fans. 共有Ray Aberration、Optical path和Pupil Aberration三种.
Field Curv/Distortion (细光束场曲与畸变)
畸变属于主光线像差，反映物象的相似程度， 如小于1％，则认为物象几乎完全相似; 畸变的基本定义，是某一视场主波长时的主 光线与像面交点离开理想像点的垂轴距离. 实际使用时，据镜头的功用还会衍生出其他 计算形式，主要有：（1）标准畸变，（2） F-Theta畸变，（3）校准(calibrated)畸变.
MTF(调制传递函数)
据计算模型的不同，可分为三类： 1) FFT MTF，基于快速傅立叶变换，先计算PSF（点 扩散函数），再由PSF→MTF； 2) Huygens MTF，基于惠更斯波面包络原理，先计算 出瞳面上的光瞳函数，然后把出瞳面细分，看成次 级光源，再向像面传递；因此计算惠更斯传函时， 要将出瞳面细分网格、也将像面细分网格采样； 3) Geometric MTF，基于几何点列图，转化成子午面 或弧矢面上的线扩散函数，再经傅立叶变换，得到 调制传递函数PX，PY）为横 轴的光程差曲线，相当于一维波像差曲线; 纵轴为光程差，以主光线所走过的光程为 基准.
Zemax课堂2 (solves求解和分析 )
Semi-Diameter solves
Semi-Diameter solves
• Automatic：根据入瞳自动调整孔径大小 • Fixed：输入为固定的值 • Pick up • Maximum：在multiple configuration中，计算所有结构中的半径值， 然后使用最大的一个值。
• Chief ray normal: 迫使光学面与近轴主光线垂直，也叫pupilcentered surface。产生没有彗差、像散或畸变的光学面； • Alplanatic(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。
பைடு நூலகம்
Curvature solves
Glass solves
Glass solves
Model: 用于玻璃的优化。用三个参数：d光的折射率、Abbe数和部分色
散项。只能用于可见光，可能得到不存在的玻璃；(不常用)
• Pick up：随某个指定的面一起变化； • Substitute：用于glass optimization，它更容易且可靠。在优化时， 用hummer优化算法查到合适的玻璃。 • Offset：允许在折射率或者Abbe数上增加一个小的偏移量。用于公差 计算。
• Solve的计算是从第1个面到像面顺序进行的，对参数计算的顺序是： curvature, thickness, glass, semi-diameter, conic, parameter； • 因为curvature和thickness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栏的前面（如marginal ray height）；
Thickness solves
像质评价
ray fanray fan表示是光学系统的综合误差。
它的横坐标是光学系统的入瞳标量，因此总是从-1到+1之间。
显然0的位置对应就是光轴在入瞳中心的焦点。
纵坐标则是针对主光线（发光点直穿光阑中心点的那条光线）在像面上的位置的相对数值。
由于我们在计算光路的时候，通常仅仅考虑两类光线，子午面和弧矢面。
这样对于不同的面，就有两种不同rayfan显示要概念上理解ray fan图，我们假设有一个薄透镜的光学系统。
光阑就在这个薄透镜上。
有一个在子午面上的轴外点，发出一束光线射向这个透镜，那么它在子午面的ray fan图将是这样绘制的：首先，这一束光线会射向光学系统的入瞳（同时也是光阑）上，会在子午面上有一个光束的分布。
因此他们每个对应点都将在未来的rayfan图上显示－1到＋1的横坐标。
显然主光线的位置是光阑的中点，就是0的位置。
然后这一束光线继续穿过光学系统，最后折射到像面上。
由于由像差的存在；在像面的子午面上将形成由无数光点形成的光线。
（对于理想的光学系统，还是应该形成一个点），这个线上一定会有一个点，是由主光线形成的。
这个点就作为整个像差的参考原点。
其他的各个点到这个点的位置差值就是在ray fan中对应于各个横坐标入瞳位置的纵坐标值！这样，一系列的点就可以在这个下xy的坐标系统中表示出来。
只要有足够的点，就能连接绘制一个完整的ray fan图。
这就是ray fan图的含义，它表示的是这个光学系统参照入瞳位置的像差综合值。
需要指出的是：由于有子午和弧矢两个面，因此对于每个视场的ray fan都有两个。
一个子午T（对应于PY和EY），和一个弧矢S（对应于PX和EX）。
又由于系统选择的光线不同，在每个视场的ray fan中可能会显示多个光线的不同ray fan。
zemax将会给每个视场都绘制一个ray fan图。
ray fan缺省的位置是IMA面位置，缺省的采样点是20个点等等都可以在setting 中进行重新设置。
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。
(完整版)像质评价方法
一、几何像差曲线
1、球差曲线：
球差曲线纵坐标是孔 径，横坐标是球差 （色 球差），使用这个曲 线图，一要注意球差 的大小，二要注意曲 线的形状特别是代表 几种色光的几条曲线 之间的分开程度，如 果单根曲线还可以， 但是曲线间距离很 大，说明系统的位置 色差很严重。
2、轴外细光束像 差曲线
此图表明对设定 空间频率不同视 场的子午、弧矢 MTF与离焦量的关 系，图中横坐标是 离焦量， 纵坐标是 对比度， 通过此图 可以看出各视场 的最佳焦面是否 比较一致， MTF是 否对离焦比较敏 感。此图在光学设 计后期， 精细校正 时很有用。
四、波像差
1、光程差曲线
图中几个曲线图分 别是不同视场子午 和弧矢方向上的光 程差，不同颜色表 示不同色光。下方 表格的数据为纵坐 标（光程差）的最 大值，单位一般用 波长。
1、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱTF曲线图
图中不同色的曲 线表示不同视场 的复色光（白光） MTF曲线， T 和 S 分别表示子午和 弧矢方向， 最上方 黑色的曲线是衍 射极限。 横坐标是 空间频率 lp/mm （每毫米线对）， 纵坐标是对比度， 最大是 1。曲线越 高，表明成像质量 越好。
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2、传函与离焦关 系曲线图
由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集 中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。， 点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。
图中的几个图分 别表示给定的几 个视场上不同光 线与像面交点的 分布情况。使用点 列图，一要注意下 方表格中的数值， 值越小成像质量 越好。二根据分布 图形的形状也可 了解系统的几何 像差的影响，如， 是否有明显像散 特征，或彗差特 征，几种色斑的分 开程度如何，有经 验的设计者可以 根据不同的情况 采取相应的措 施。
ZEMAX光学设计超级学习手册第2章
第2章像质评价ZEMAX提供了丰富的像质评价指标，如评价小像差系统的波像差、包围圆能量集中度；评价大像差系统的点列图、弥散圆、MTF、PSF、几何像差评价方法等。
像质评价结果也是表现形式多种多样，既有各种直观的图形表示方法，也有详细的数据报表。
我们将在本章中详细介绍。
学习目标：（1）了解分析界面中像质主窗口菜单的各项功能。
（2）熟练运用像质评价快捷工具栏。
（3）熟练掌握像质评价方法，如波前、点列图等。
（4）熟练掌握各对话框的操作，如镜头数据、波长数据等。
2.1 外形图外形图（Layout）是指通过镜头截面的外形曲线图。
主要有二维外形图、三维外形图、阴影图、原件图。
二维外形图是通过镜头YZ截面的外形曲线图；三维外形图则显示镜头系统的三维空间外形；阴影图则表示阴影的立体模型；原件图能建立光学加工图。
2.1.1 二维外形图二维外形图（2D Layout）：通过镜头YZ截面的外形曲线。
打开二维外形图对话框“2D Layout → Settings”，如图2-1所示。
图2-1 二维外形图对话框（1）First Surface：绘图的第一个面。
（2）Last Surface：绘图的最后一个面。
（3）Number of Rays：光线数目确定了每一个被定义的视场中画出的子午光线数目。
除非变迹已被确定，否则光线沿着光瞳均匀分布。
这个参数可以设置为0。
（4）Delete Vignetted：若选取，被任意面拦住的光线不画出。
（5）Suppress Frame：隐藏屏幕下端的绘画框，这可以为外形图留出更多的空间。
比例尺、地址或者其他数据都不显示。
（6）Fletch Rays：显示光线箭头。
（7）Marginal and Chief Only：只画出边缘光线和主光线。
（8）Wavelength：显示的任意或所有波长。
（9）Field：显示的任意或所有视场。
（10）Scale Factor：若比例因子设置为0，则“Fill Frame”将被选取，“Fill Frame”将缩放各面来充满画页。
光学设计ZEMAX_实验讲义
定义式为：
（1.5）
式中 为系统像方折射率，θ为高斯边缘像方光线孔径角。在计算θ过程中，认为系统无像差，按照理想系统的边缘光线追迹方法。在Aper Value中输入F数，注意前面的Image Space F/#区别。
（6）Object Cone Angle（物方锥角）
ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（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）。
相对孔径的定义在Aperture中设置。最常用的选项解释如下：
A.Aperture
Aperture Type用于定义相对孔径，即轴上物点的光束大小。定义的种类有：
（1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）
当物体位于无限远时，可以用它来定义相对孔径，此时的Aper Value中输入具体的入瞳直径数值，选择Lens Units为Millimeter（毫米）。
表1.1例题的初始结构参数
1.4.3
1．General输入相对孔径
General功能可以由“System”→“General…”选择，还可以通过桌面上“Gen”快捷键来打开，General对话框如图1.2所示。
图1.2 General对话框
由图1.2可以看出，General对话框中具有Environment，Polarization，Misc.，Non-Sequential，Aperture，Title/Notes，Glass Catalogs，Ray Aiming等项。
ZEMAX建模及像差分析
ya ' yb ' yp ' 2
孔径和视 场的函数
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彗差所造成的光斑
彗星状 点列图
弧矢彗差和子午彗差的关系：
初级的子子午彗差是弧矢彗差的3倍
26
不同大小彗差的照片 加光阑；
彗差的校正：
复合透镜；
非球面透镜；
不晕点---同时消除了球差和彗差的一对共轭点
慧差的校正方法
1.移动光阑的位置控制慧差（使通过镜头的束相对于光阑 具有较大的对称性，来减少慧差） 2.弯曲透镜 （可以用P、W方法来分析） 3.采用非球面。
瑞利（Reyleigh）判断和中 心点亮度
把实际波面 和理想波面之间 的光程差，作为 衡量该像点质量 优劣的指标，称 为波像差，如图 所示。
瑞利（Reyleigh）判断和中 心点亮度
4.1、瑞利判断
• 瑞利判断是根据成像波面相对理想球面波的变形程度来判断光学系统 的成像质量的。瑞利认为“实际波面与参考球面波之间的最大波像差 不超过λ/4时，此波面可看作是无缺陷的”，此判断称之为端利判断。 该判断提出了光学系统成像时所允许存在的最大波像差公差，即认为 波像差 W<λ/4时，光学系统的成像质量是良好的。 • 瑞利判断的优点是便于实际应用，因为波像差与几何像差之间的计算 关系比较简单，只要利用几何光学中的光路计算得出几何像差曲线， 由曲线图形积分便可方便地得到波像差，由所得到的波像差即可判断 光学系统的成像质量优劣。
轴向球差
L' A1h12 A2 h14 A3h16 ... L' a1U12 a2U14 a3U16 ...
垂轴球差
T ' A1h13 A2 h15 A3h17 ... T ' a1U13 a2U15 a3U17 ...
2018-2019-zemax实验报告-实用word文档 (12页)
本文部分内容来自网络整理，本司不为其真实性负责，如有异议或侵权请及时联系，本司将立即删除！== 本文为word格式，下载后可方便编辑和修改！ ==zemax实验报告篇一：ZEMAX 实验报告基于基本透镜组的照相物镜设计Zemax设计报告徐昕 10272055设计目的通过对设计一个以基本透镜组为基础的照相物镜，学会Zemax软件的基本应用及操作。
设计要求设计一个照相物镜，系统焦距f’=9mm，相对孔径1:4设计过程1.系统建模1.1选取初始结构从《光学设计手册》（李士贤，郑乐年编，北京理工大学出版社，1990）中选取了一个1.2系统特性参数输入在General系统通用数据对话框中设置孔径和玻璃库，如图1-1，图1-2。
打开视场设定对话框设置5个视场，如图1-3。
打开波长设定对话框点击“Select>>F,d,C(visible)”自动加入三个波长，如图1-4。
表1-1图 1- 1图 1- 2图1- 3图1- 41.3初始结构输入对照表1-1，在Lens Data Editor中输入初始结构，如图1-5。
利用Zemax中的“solve”功能，求解透镜组最后一面的厚度。
选取需要设计的单元格，在“Solve”中选取“Thickness”，弹出“Thickness Solve on surface 7”求解对话框。
在对话框“Solve type”中选择“Marginal ray height”，将“Height”值输入为“0”，表示将像面设置在边缘光线聚焦的像方焦平面上，如图1-6，图1-7。
图 1-5图1-6图 1-71.4调整系统焦距打开“System Data”系统数据报告窗口，查看系统现有焦距，为65.65414mm，如图1-8，与设计要求不符，需要通过缩放功能进行调整。
选择“Tools>>Scale Lens”,缩放因子为9/65.65414=0.137082，在Scale By Factor缩放因子后填入0.137082，如图1-9。
Zemax和Tracepro光学仿真软件的教学实践与探索
Zemax和Tracepro光学仿真软件的教学实践与探索摘要：以三片式照相物镜的设计为例，简单介绍了Zemax和Tracepro两种光学仿真软件，对这两种仿真软件的输出结果进行了详细的比较分析，给出了这两种光学仿真软件的优缺点，提出了对于一个复杂的光学系统的仿真设计，可以结合这两个软件进行综合设计，比如，对于一个光学系统，可以先使用Zemax软件进行优化，完成后再使用TracePro软件进行光线追踪，最后在成像面进行成像质量分析，光照度/辐照度分析及人眼视觉成像分析等。
对相关的专业教学人员和软件使用人员有一定的参考价值。
关键词：Zemax; Tracepro;光学仿真软件;教学探索基金项目：华南农业大学校级教改项目（JG21137）0 引言光学仿真软件的教学是光学、光电、光机电等专业课教学工作的重要组成部分。
常见的光学仿真软件有CODE-V、LightTools、Zemax、Tracepro等[1-5]。
这些光学仿真软件都有自己的优势和不足之处。
ZEMAX目前是光电子领域熟知的光学设计的首选软件。
该软件拥有两大特点，可以实现序列和非序列分析。
在全球范围内，这款软件已经被广范的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。
ZEMAX 有三种不同的版本：ZEMAX-SE （标准版）；ZEMAX-XE（扩展版）；ZEMAX-EE（工程版）。
ZEMAX应用领域有Projector，Camera，Scanner，Telescope，光纤耦合，照明系统、夜视系统等。
Tracepro 也是一款功能强大、准确性高、介面友善、易学易用的光线追迹光学仿真软件，TracePro拥有完整成熟的视窗介面，其直觉友善的设计架构，可以非常快速地让使用者熟悉软体的操作。
TracePro使用ASIC实体绘图引擎作为其CAD的运算核心，能轻易地新建或汇入光学模拟所需的固体模型。
目前主流的CAD软体均有支援ACIS规格(SAT档)，故其几何转档上的相容性极高。
像质评价
第七章像质评价7.1 引言在前面中，我们讲述了光线计算和光学系统中的像差。
根据前面所学到的知识，基本上就可以进行光学仪器中的光路设计了，但设计的结果怎么样?质量如何?是否满足使用要求就不得而知了。
这就需要有一套评价光学系统质量优劣的方法和手段。
由光线追迹知道，由点目标发出的一束光线经过光学系统后，这些光线并不都相交于像面上一点。
如果我们选定某一点作为参考点，那么这些光线的交点与参考点的偏差就是像差。
我们还可以这样说，从几何光学观点看，如果一个光学系统是理想的，那么光学系统对点目标所成的像也是一个点。
也就是说，目标点和所成的像点是一一对应的。
但是，由于绝大多数光学系统均有像差存在，这种一一对应的关系就被破坏了，点目标所成的像不再是一个点，而是有一定几何尺寸的弥散斑。
实际上，点目标的像是成像光线在像面上交点的集合。
从物理光学观点看，即使光学系统是没有任何像差的理想光学系统，那么一个点目标通过该系统所成的像也不是一个点像，而是和光学系统口径有直接关系的、具有一定尺寸的衍射图样。
如果光学系统的通光孔径是圆形的，那么点目标的衍射图样便是以中心亮盘为中心，周围环绕以亮度逐渐减弱的、明暗交替的环，其形状便是著名“爱里斑”。
由上面的分析知道，光学系统对点目标所成的像并非一个“点”，而是具有一定几何尺寸的弥散斑。
弥散斑的尺寸取决丁光学系统的通光口径、波长和光学系统的像差。
我们可以把目标看做是由大量的点元组成的集合体。
目标中的每一个点通过光学系统成像后均为一个弥散斑，这些弥散斑的集合就构成了目标的图像。
因此，详细讨论点目标(包括轴上点和轴外点)的成像特件，并对其成像质量进行评价是十分有意义的。
我们现在面对的事实是：一个光学系统对点目标所成的像，即弥散斑的尺寸有多大，它是衍射效应占主导，还是几何像差占主导，多大尺寸的弥散斑是可以接受的，弥散斑内的能量是如何分布的，图像的对比度降低了多少，该系统的整体质量如何，这些问题集中起来就是像质评价要解决的主要内容。
Zemax中的像质评价方法 ppt课件
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6
Pupil Aberration
反映光瞳像差 表示实际主光线与光瞳面交点，离开高斯
主光线与光瞳面交点的距离，一般用占光 瞳半径的百分数表示.
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7
Spot Diagram(点列图)
反映任一物点发出充满入瞳的光锥，在像面 上的交点弥散形式，主要有：（1）标准畸变，（2） F-Theta畸变，（3）校准(calibrated)畸变.
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19
Longitudinal Aberration(轴向球差)
所有工作波长的轴向球差曲线，以Primary波 长的像面为计算基准，即通常所说的球差曲 线;
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14
Wavefront (波像差)
可用于小像差光学系统和大像差光学系统， 同时因有瑞利标准（波像差小于λ/4波长，镜 头系统成像质量接近理想），使波像差评价 像质易被量化，只是对大像差系统时，可将 波像差容限取成2－4倍的瑞利标准;
波像差跟视场有关，由一个视场物点发出充 满入瞳面的光线，相当于一个球面波入射， 经过镜头系统后，出射波面因像差的存在发 生变形，表示存在波像差.
共有Ray Aberration、Optical path和Pupil Aberration三种.
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Ray Aberration
几何像差的垂轴表示法曲线
只考虑由一个物点发出的子午面或弧矢面内 不同孔径光线，在像面上交点离开主光线交
点的变化情况，相当于弥散大小；不去考虑 到底是沿轴分量的像差，还是垂轴分量的像 差，让我们产生综合的印象.
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MTF(调制传递函数)
光学设计软件ZEMAX简明教程(2024)
29
拓展模块介绍及选购建议
• 高级光学设计模块：提供更高级的光学设计功能，如非球面优化、多波长分析等，适用于对光学性能有更高要 求的设计任务。
• 照明设计模块：专门针对照明系统设计的功能模块，包括光源建模、光斑分析、照度计算等，适用于照明领域 的设计师和工程师。
• 激光系统设计模块：针对激光系统的特殊需求提供的设计工具，包括激光束传播模拟、热效应分析等，适用于 激光技术研究和应用领域的专业人员。
分析光学系统成像质量的 重要工具，包括球差、彗 差、像散、场曲等。
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波动光学原理简介
光的波动性
光是一种电磁波，具有振幅、频率、相位等波动 特性。
干涉现象
两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，产生 加强或减弱的现象。
衍射现象
光波遇到障碍物或小孔时，偏离直线传播路径的 现象。
2024/1/29
9
典型光学系统分析
2024/1/29
选择合适的曲面形状
根据实际需求，选择合适的曲面反射镜形状，如球面、非球面等， 以实现特定的光学性能。
优化反射面精度
通过提高反射面加工精度、采用先进的抛光技术等手段，降低反射 面的粗糙度，提高反射镜的反射效率。
考虑热稳定性和机械稳定性
针对特定应用场景，选择具有优良热稳定性和机械稳定性的材料和 结构，以确保反射镜在复杂环境中的性能稳定性。
复杂光学系统设计
讨论复杂光学系统的设计方法，如多波长、 大视场等。
2024/1/29
梯度折射率透镜设计
研究梯度折射率透镜的设计原理和实现方法 。
新型光学材料应用
探讨新型光学材料在特殊透镜设计中的应用 。
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05 反射镜设计实例分析
2024/1/29
ZEMAX光学设计超级学习手册第2章
第2章像质评价ZEMAX提供了丰富的像质评价指标，如评价小像差系统的波像差、包围圆能量集中度；评价大像差系统的点列图、弥散圆、MTF、PSF、几何像差评价方法等。
像质评价结果也是表现形式多种多样，既有各种直观的图形表示方法，也有详细的数据报表。
我们将在本章中详细介绍。
学习目标：（1）了解分析界面中像质主窗口菜单的各项功能。
（2）熟练运用像质评价快捷工具栏。
（3）熟练掌握像质评价方法，如波前、点列图等。
（4）熟练掌握各对话框的操作，如镜头数据、波长数据等。
2.1 外形图外形图（Layout）是指通过镜头截面的外形曲线图。
主要有二维外形图、三维外形图、阴影图、原件图。
二维外形图是通过镜头YZ截面的外形曲线图；三维外形图则显示镜头系统的三维空间外形；阴影图则表示阴影的立体模型；原件图能建立光学加工图。
2.1.1 二维外形图二维外形图（2D Layout）：通过镜头YZ截面的外形曲线。
打开二维外形图对话框“2D Layout → Settings”，如图2-1所示。
图2-1 二维外形图对话框（1）First Surface：绘图的第一个面。
（2）Last Surface：绘图的最后一个面。
（3）Number of Rays：光线数目确定了每一个被定义的视场中画出的子午光线数目。
除非变迹已被确定，否则光线沿着光瞳均匀分布。
这个参数可以设置为0。
（4）Delete Vignetted：若选取，被任意面拦住的光线不画出。
（5）Suppress Frame：隐藏屏幕下端的绘画框，这可以为外形图留出更多的空间。
比例尺、地址或者其他数据都不显示。
（6）Fletch Rays：显示光线箭头。
（7）Marginal and Chief Only：只画出边缘光线和主光线。
（8）Wavelength：显示的任意或所有波长。
（9）Field：显示的任意或所有视场。
（10）Scale Factor：若比例因子设置为0，则“Fill Frame”将被选取，“Fill Frame”将缩放各面来充满画页。
【精品】ZEMAX评价函数1
【精品】ZEMAX评价函数1ZEMAX评价函数是指在ZEMAX光学设计软件中，用于计算光学系统性能参数的函数集合。
通过调用不同的函数，可以分析光学系统的成像、光损耗、像差以及色差等性能参数，从而优化设计。
1. 高效快速的性能参数计算在ZEMAX评价函数中，已经预先设置好了各种光学性能参数的计算公式，用户只需调用相应的函数，输入数据即可得到计算结果，无需自行编写性能参数计算公式，省去了大量时间和精力。
2. 可靠的结果验证ZEMAX评价函数的公式来源于国际通用的光学计算方法和经典的光学理论，因此计算结果具有高度准确性和可靠性。
3. 灵活的功能扩展ZEMAX评价函数可以根据用户需要进行功能扩展。
在ZEMAX软件中，用户可以自定义函数或修改已有函数的内容，实现更灵活的分析需求。
1. RMS (root mean square)RMS函数用于计算光学系统的像差根均方误差，是评价光学系统成像质量的重要指标。
它可以分别计算X、Y方向上的像差根均方值，也可以计算总像差根均方值。
计算结果越小，光学系统成像质量越好。
2. MTF (modulation transfer function)MTF函数用于计算光学系统的成像能力，它表示物体细节的成像程度。
MTF曲线的两个参数—— MTF50和MTF10 ——是表征光学系统成像能力的重要指标。
MTF50表示当空间频率为50lp/mm时MTF值下降到0.5时，对应的空间频率值为系统的分辨率。
MTF10表示当空间频率为10lp/mm时MTF值下降到0.1时，对应的空间频率值为系统的能够解析的小细节尺寸。
3. ENC (encircled energy)ENC函数用于计算光学系统的能量传输效率，它表示光束在光路中传输过程中，光强度随着传输距离而发生的变化。
ENC计算结果为一个函数，表示光束在不同位置上的能量分布情况。
4. Spot DiagramSpot Diagram函数用于生成光学系统的光斑图，它可以直观地反映光学系统的成像质量。
第四讲 Zemax软件学习
2014.04
光学课程设计
法2：截屏，Prtsc键，然后直接粘贴到 word 或ppt 或画图
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1.6 出数据到文件
点text，跳出如下窗口：
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2、Ray Fan
直译：光线扇面---“物点”发出的光线均匀分布在 主光线两边，形成的扇形面 概念理解：
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1.1.1 Aperture
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Aperture Type：定义相对孔径，即轴上物点光 束的大小
• Entrance Pupil Diameter（入瞳直径），当物体位 于无限远时，用它来定义相对孔径 • Image Space F/#（像方F数），物体无论出于无限 远还是有限远，都可用像方F数定义相对孔径，定 义为：近轴有效焦距EFFL/入瞳直径 • Object Space Numerical Aperture（物方数值孔 径），当物体位于有限远时用，定义为NA=n*sin() （n物方折射率、 边缘光线孔径角）
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Aim to aberrated （real）stop height
• 瞄准有像差时的孔径光阑高度 • 对于大视场光学系统，通常选该项，用于消除 光阑像差 • 使用该选项后，Zemax计算像差，孔径光阑大 小由来自物面中心的主波长边缘光线在光阑面 上的交点决定
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1.2 Wavelength波长输入
通过System→Wavelengths或快捷键Wav 打开波长输入窗口 权重，默认值1
实验二ZEMAX中的像质评价方法
实验二ZEMAX中的像质评价方法一、实验目的了解ZEMAX的各种像质评价方法。
二、ZEMAX的像质评价方法ZEMAX提供丰富的像质评价指标，现结合D=0.5，相对孔径1/4、视场94°的1/6英寸CCD 广角物镜色合计参数，将主要评价结果介绍如下。
表3-1广角物镜结构参数序号半径R间隔d玻璃外径D1∞0.6K9 1.62 1.1090.60.93 3.448 1.0LAK3 1.14-18.7050.5 1.15光阑0.10.356-2.89 1.0LAK30.417-1.70.1 1.18 2.291.0K9 1.19-1.73780.6ZF71.110-14.791 1.11、几何像差曲线(1)球差曲线（Longitudinal Aberration）纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差）。
(2)焦点色位移（Focal Shift）表示的是系统工作波长范围内不同波长的色光近焦距位移。
横坐标表示焦点位移，纵坐标为不同色光的波长，整个图形以主波长的近轴焦点为参考基准。
（3）轴外细光束像差曲线（Field Curv/Dist）左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线，纵坐标为视场，左图横坐标是场曲，右图是畸变的百分比值。
（4）子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线(Ray Fan)横坐标表示光束孔径高度，纵坐标表示垂轴像差，EY表示δy′(子午)，EX表示δz′(弧矢)。
（5）垂轴色差（倍率色差）(Lateral Color)横坐标表示不同色光与参考色光像高的像差，纵坐标表示视场。
图中两条AIRY表示的曲线为艾里斑范围。
2、点列图(Spot Diagram)点列图下方给的数可以看出每个视场的RMS RADIUS（均方根半径值）、AIRY光斑半径、GEO RADIUS为几何半径（最大半径），值越小成像质量越好。
另外根据分布图形的形状也可了解系统的各种几何像差的影响，如是否有明显像散或彗差特征，几种色斑的分开程度如何等。
(完整版)像质评价方法
像质评价方法一、几何像差曲线1、球差曲线：球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差），使用这个曲线图，一要注意球差的大小，二要注意曲线的形状特别是代表几种色光的几条曲线之间的分开程度，如果单根曲线还可以，但是曲线间距离很大，说明系统的位置色差很严重。
2、轴外细光束像差曲线这一般是由两个曲线图构成图中左边的是像散场曲曲线，右边的是畸变，不同颜色表示不同色光，T和S分别表示子午和弧矢量，同色的T和S间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，右图横坐标是场曲，左图是畸变的百分比值，左图中几种不同色曲线间距是放大色差值。
二、点列图——光束的光亮度由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。
，点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。
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点的分布情况。
使用点列图，一要注意下方表格中的数值，值越小成像质量越好。
二根据分布图形的形状也可了解系统的几何像差的影响，如，是否有明显像散特征，或彗差特征，几种色斑的分开程度如何，有经验的设计者可以根据不同的情况采取相应的措施。
RMS RADIUS：均方根半径值；GEO RADIUS：几何半径（最大半径）三、传递函数调制传递函数MTF：一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。
能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。
一般而言，高频传递函数反映了物体细节传递能力，低频传递函数反映物体轮廓传递能力，中频传递函数反映对物体层次的传递能力。
1、MTF曲线图图中不同色的曲线表示不同视场的复色光（白光）MTF曲线，T和S分别表示子午和弧矢方向，最上方黑色的曲线是衍射极限。
横坐标是空间频率lp/mm（每毫米线对），纵坐标是对比度，最大是1。
曲线越高，表明成像质量越好。
[返回本章要点]2、传函与离焦关系曲线图此图表明对设定空间频率不同视场的子午、弧矢MTF与离焦量的关系，图中横坐标是离焦量，纵坐标是对比度，通过此图可以看出各视场的最佳焦面是否比较一致，MTF是否对离焦比较敏感。
Zemax中的像质评价方法解读
Ray Aberration
几何像差的垂轴表示法曲线 只考虑由一个物点发出的子午面或弧矢面内 不同孔径光线，在像面上交点离开主光线交 点的变化情况，相当于弥散大小；不去考虑 到底是沿轴分量的像差，还是垂轴分量的像 差，让我们产生综合的印象. 像面(XOY平面)上X分量像差(X aberration) 和Y分量像差(Y aberration)随光线孔径高的 变化曲线. X-aberration用EX表示，Y-aberration用EY 表示，光线孔径高用PX、PY表示.
Zemax中的像质评价方法
像差(像质评价)
球差δL’ 色差 △l’FC ，△L’FC 细光束子午场曲x’t 子午球差δL’T 子午彗差 K’T 细光束弧矢场曲 x’s 弧矢球差δL’S 弧矢彗差 K’S 像散 x’ts 波像差 畸变δy’z 垂轴色差 △y’FC
既与光学系统的像差有关，又与光学系统的 衍射效果有关，是光学传递函数（OTF）的 模，曲线横轴表示像面上的空间频率，单位 为1/mm，即每毫米多少对线，纵轴表示对这 些黑白细实线物分辨的调制度; 物理含义：应用傅立叶变换原理与光学系统 相干成像理论，计算出镜头对逐渐变细的黑 白线对分辨的调制度.
Wavefront (波像差)
可用于小像差光学系统和大像差光学系统， 同时因有瑞利标准（波像差小于λ/4波长，镜 头系统成像质量接近理想），使波像差评价 像质易被量化，只是对大像差系统时，可将 波像差容限取成2－4倍的瑞利标准; 波像差跟视场有关，由一个视场物点发出充 满入瞳面的光线，相当于一个球面波入射， 经过镜头系统后，出射波面因像差的存在发 生变形，表示存在波像差.
Spot Diagram(点列图)
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实验二ZEMAX 中的像质评价方法
一、实验目的
了解ZEMAX的各种像质评价方法。
二、ZEMAX的像质评价方法
ZEMAX提供丰富的像质评价指标，现结合D=0.5，相对孔径1/4、视场94°的1/6英寸CCD 广角物镜色合计参数，将主要评价结果介绍如下。
表3-1 广角物镜结构参数
序号半径R 间隔d 玻璃外径D
1 ∞0.6 K9 1.6
2 1.109 0.6 0.9
3 3.448 1.0 LAK3 1.1
4 -18.70
5 0.5 1.1
5 光阑0.1 0.35
6 -2.89 1.0 LAK3 0.41
7 -1.7 0.1 1.1
8 2.29 1.0 K9 1.1
9 -1.7378 0.6 ZF7 1.1
10 -14.791 1.1
1、几何像差曲线
(1)球差曲线（Longitudinal Aberration）
纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差）。
(2)焦点色位移（Focal Shift）
表示的是系统工作波长范围内不同波长的色光近焦距位移。
横坐标表示焦点位移，纵坐标为不同色光的波长，
整个图形以主波长的近轴焦点为参考基准。
（3）轴外细光束像差曲线（Field Curv/Dist）
左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线，纵坐标为视场，左图横坐标是场曲，右图是畸变的百分比值。
（4）子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线(Ray Fan)
横坐标表示光束孔径高度，纵坐标表示垂轴像差，EY表示δy′(子午)，EX表示δz′(弧矢)。
（5）垂轴色差（倍率色差）(Lateral Color)
横坐标表示不同色光与参考色光像高的像差，纵坐标表示视场。
图中两条AIRY表示的曲线为艾里斑范围。
2、点列图(Spot Diagram)
点列图下方给的数可以看出每个视场的RMS RADIUS（均方根半径值）、AIRY光斑半径、GEO RADIUS为几何半径（最大半径），值越小成像质量越好。
另外根据分布图形的形状也可了解系统的各种几何像差的影响，如是否有明显像散或彗差特征，几种色斑的分开程度如何等。
3、波像差
（1）光程差曲线(OPD Fan)
表示每个视场的子午和弧矢方向上的光程差。
横坐标表示光束孔径大小，纵坐标表示光程差。
（2）波面三维图(Wavefront Map)
此图是设定视场和色光的波像差三维分布图，下方表格中的数字给出了波差的峰谷值。
4、点扩散函数(PSF)和包围圆能量(Encircled Energy)
Huygens PSF表示了像面上点扩散函数的二维分布情况，并说明了点像的分布范围，
图中左下方给出了斯特列尔比（STREHL RATIO）S.D.。
Diffraction Encircled Energy为包围圆能量图，横坐标为圆半径，纵坐标为在对应圆范围内光能量占总光能的百分比，
根据占总光能30%所对应的圆半径，即可分析得到系统的分辨率极限。
5、传递函数MTF
定义调制传递函数MTF为：一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。
横坐标是空间频率lp/mm（每毫米线对），纵坐标是对比度，最大为1。
.曲线曲线越高，表明成像质量越好。