ZEMAX单透镜设计例子详细(多图)
Zemax光学设计
应用光学谭峭峰tanqf@清华大学精密仪器系光电工程研究所Zemax光学设计商用光学软件：Zemax, Oslo, Code V (成像)TracePro, ASAP, LightTools(照明)FRED, Virtual Lab等Zemax是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。
Zemax不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。
可仿真Sequential 和Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。
Zemax的界面设计得比较容易被使用，稍加练习就能很快地进行交互设计。
大部分Zemax的功能都用选择弹出或下拉式菜单来实现。
抛物面镜1抛物面镜2棱镜中阶梯光栅二维色散像面入射孔高分辨率中阶梯交叉色散光路Zemax不能教你如何去进行镜头或光学系统的设计。
Zemax程序在进行光学系统的设计和分析的时候，可以做许多事情，但是设计者仍然是你。
Zemax不能完全代替工程实践。
在一个设计完成之前，必须对软件所得的计算结果进行检查，以判断结果是否合理。
设计实例一：单透镜设计参数要求：F/#＝4，f′=100mm，可见光，材料：BK7确定单位确定口径确定波长确定视场镜头数据编辑初始界面初步设计，注意符号规则全面反映细光束和宽光束的成像质量。
以光线在理想像面的交点和主光线在理想像面上交点间的距离，可以看出理想像面上像的最大弥散范围。
像面到光线与光轴交点之间的距离，仅用于旋转对称系统。
由于像差很大，传函计算结果不可信。
优化设置变量设置评价函数设计实例二：双胶合透镜设计参数要求：F/#＝4，f′=100mm，可见光，材料：BK7和SF1优化策略建议在设计的初期，优化时不需要追迹所有的视场和波长以节省计算时间。
使用视场点平衡（选择合适的视场点数目，划分为等面积的圆环，小视场：0和1；中视场：0、0.7和1；大视场：0，0.577，0.816和1）。
Zemax光学设计实例汇总
函数结果，v: 变量； 为了使残余结果的平方和最小，对每个变量联立方程求解； 重复上述过程直至实现最优化。
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求 2. 选择具有代表性的切入点
RMS RMS
Ray aberration Optical Path
RMS vs Field
Analysis
畸变和像散cellaneous
或
Fcd
Seidel 像差系数
Analysis
Calculations
或
Sei
MTF
Analysis
MTF
或
Mtf
PSF
Analysis
误，使光路与预期完全不符，等。
2D Lay out
Analysis
Lay out
Lay
或即按Button L3d
or 3D Lay out Element drawing
（零件图）
几何像差与波像差：
Analysis
Ele Fan
或即按Button
各个视场的波像差均方值 Analysis 或
Ray Opd
• 修改Radius，由fix改为Variable(优化过程中作为变量)，或由Solve给出；
• 修改最后一面到像面的Thickness由fix改为Marginal Ray Height, Pupil zone 0.7 为0。
所选玻璃表是在 Gen
Glass catalogs
内选定，可同时
挑多个表
PSF
或
Psf
设计大孔径小视场非球面单透镜
设计大孔径小视场非球面通过工程光学的学习，我们知道大孔径小视场的球面单透镜，其像差大得难以忍受，对于球面单透镜而言这是难以解决的问题。
不过随着非球面的出现，这已经不再是难题。
下面我们使用ZEMAX 软件设计一个非球面单透镜。
1.计算并输入初始透镜数据假设用BK7玻璃（n d =1.516800，v d =64.167336）来设计一个焦距f ′=50mm ，相对孔径D/f ′=1/1，视场2w =2o 的单透镜，首先使用薄透镜光焦度公式Ф=(n -1)(ρ1-ρ2)估算出透镜的曲率半径（双面等凸）约为50mm 和-50mm [5]。
然后运行ZEMAX 。
主屏幕会显示镜片数据编辑表（LDE ）。
首先我们需要为镜片定义一个孔径。
由于焦距f ′=50mm ，相对孔径D/f ′=1/1，所以孔径取50mm 。
点击快捷键“Gen ”，出现“通常数据（General Data ）”对话框，单击“孔径值（Aper Value ）”一格，出现“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter ）” 对话框，输入值：50。
下来注意到在LDE 中显示的有三个面：物平面（OBJ ）、光阑面（STO ）、像平面（IMA ）。
对于透镜来说，我们共需要五个面：物平面、光阑面、前镜面、后镜面和像平面。
移动光标到像平面的“无穷（Infinity ）”之上，按INSERT 键两次，插入2和3面。
输入透镜半径和使用的玻璃，注意缺省的单位是毫米。
透镜厚度先填入0，即薄透镜状态，可以看到ZEMAX 底框中EFFL 约为50mm ，说明薄透镜曲率半径的计算结果正确，但透镜厚度为零的镜片在现实中是找不到的，所以输入厚度25mm 来进行设计。
接着我们为系统输入波长。
点击主窗口上方的快捷键“Wav ”，屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data ）”对话框，填入0.5875618（缺省的单位是微米），权重为1，然后按“OK ”键退出。
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应用举例1-单透镜
8）单透镜还能更好吗？ 单透镜还能更好吗？
方法二
优化结果
慧差几乎为零 系统成像质量几乎没有改变
8）单透镜还能更好吗？ 单透镜还能更好吗？
方法三
优化结果
慧差几乎为0 慧差几乎为0，像散也非常小 点列图尺寸变大 此系统中主要存在球差和场曲两种像差
8）单透镜还能更好吗？ 方法四 单透镜还能更好吗？
优化后单透镜结构参数
点列图 横向像差（光线扇形图） 横向像差（光线扇形图）
优化结果：MF=0.0659 优化结果： 存在问题：厚度太厚，不实用 存在问题：厚度太厚， ---增加厚度限制条件 ---增加厚度限制条件 单透镜中的可变参数：两个曲率半径， 单透镜中的可变参数：两个曲率半径， 两个厚度， 两个厚度，光阑位置 现在的可变参数：前曲率半径及透镜厚度， 现在的可变参数：前曲率半径及透镜厚度， 且厚度作用不大 如何改善？ 如何改善？ ---离焦 ---离焦 ---光阑位置可变 ---光阑位置可变
6）进一步优化
优化结果
Rear landscape
成像质量大大改善！ 成像质量大大改善！
7）另外一种可替代的结构
Front landscape
8）单透镜还能更好吗？ 单透镜还能更好吗？
方法一
优化结果
SPHA
1.079 33 72 RMS spot size 48 98
2.799
结论： 结论： 1、单透镜不能校正球差 2、优化特定的像差结果往往不理想
例子1 例子1
单透镜
1）设计要求： 设计要求： 入瞳直径： 入瞳直径：40mm F/# : F/10 材料：BK7 材料： 物距： 物距：无穷远 2w=100 波长： 波长：0.587um 光阑在系统第一面 要求在近轴焦点处系统有最好的RMS 要求在近轴焦点处系统有最好的RMS spot size
ZEMAX葵花宝典1(入门篇)
ZEMAX葵花宝典1(入门篇)目录例子1 单透镜(Singlet) .............................................................. .............................................. 5 1.1 单透镜 ..................................................................... ....................................................... 5 1.2 设罝系统孔径 ..................................................................... ............................................ 5 1.3 设罝视场角 ..................................................................... ................................................ 7 1.4 设罝波长...................................................................... ................................................... 7 1.5 键入透镜资料 ..................................................................... ............................................ 8 1.6 设罝透镜参数 ..................................................................... ............................................ 9 1.7 评估系统性能 ..................................................................... ............................................ 9 1.8 使用解 ..................................................................... ..................................................... 10 1.9 设罝优化...................................................................... ................................................. 11 1.10 建立绩效函数 ..................................................................... ........................................ 12 1.11 增加限制条件 ..................................................................... ........................................ 13 1.12 运行优化 ..................................................................... ................................................ 13 1.13 光线扇形图 ..................................................................... ............................................ 14 1.14 二维设计图 ..................................................................... ............................................ 14 1.15 弥散斑 ..................................................................... ................................................... 15 1.16 光程差扇形图 ..................................................................... ........................................ 16 1.17 进一步分析 ..................................................................... ............................................ 17 例子2 座标变换(CoordinateBreaks) ................................................................ .................... 18 2.1 座标变换...................................................................... ................................................. 18 2.2 顺序旗标...................................................................... ................................................. 18 2.3 座标变换的应用 ........................................................................................................... 19 2.4 工具,转折面镜sahaja ................................................................. ............................... 19 2.5 例子,转折面镜 ..................................................................... ...................................... 20 2.6 新增转折面镜 ..................................................................... .......................................... 20 2.7 修正透镜资料编辑器...................................................................... .............................. 21 2.8 删除转折面镜 ..................................................................... .......................................... 22 2.9 倾斜与离轴 ..................................................................... .............................................. 23 2.10 工具,倾斜与离轴 ..................................................................... ................................ 23 2.11 例子,倾斜与离轴 ..................................................................... ................................ 24 2.12 处理倾斜与离轴 ..................................................................... .................................... 24 2.13 设罝倾斜与离轴 ..................................................................... .................................... 25 例子3 牛顿式望远镜 (Newtonian Telescope) ............................................................. .. (26)1 / 873.1 牛顿式望远镜 ..................................................................... .......................................... 26 3.2 孔径、单位、视场角及波长 ..................................................................... ................. 26 3.3 键入透镜资料 ..................................................................... .......................................... 27 3.4 评估系统性能 ..................................................................... .......................................... 28 3.5 定义抛物面 ..................................................................... .............................................. 29 3.6 抛物型反射罩 ..................................................................... .......................................... 29 3.7 点扩散函数 ..................................................................... .............................................. 30 3.8 挡板 ..................................................................... ......................................................... 30 3.9 增加转折面镜 ..................................................................... .......................................... 31 3.10 座标变换 ..................................................................... ................................................ 33 3.11 设罝挡板 ..................................................................... ................................................ 33 3.12 挡板效果 ..................................................................... ................................................ 34 例子4 消色差单透镜(AchromaticSinglet) ............................................................... ............. 36 4.1 消色差单透镜 ..................................................................... .......................................... 36 4.2 标准单透镜 ..................................................................... .............................................. 37 4.3 新增衍射表面 ..................................................................... .......................................... 38 4.4 设罝衍射参数 ..................................................................... .......................................... 39 4.5 评估系统性能 ..................................................................... .......................................... 40 4.6 相位属性分析 ..................................................................... .......................................... 41 例子5 变焦透镜 (Zoom Lens) .................................................................. .............................. 42 5.1 变焦透镜...................................................................... ................................................. 42 5.2 设罝系统参数 ..................................................................... .......................................... 42 5.3 初始透镜参数 ............................................................................................................... 43 5.4 设罝视场角 ..................................................................... .............................................. 44 5.5 设罝波长...................................................................... ................................................. 44 5.6 定义多组态透镜 ..................................................................... ...................................... 45 5.7 键入多组态参数 ..................................................................... ...................................... 46 5.8 设罝多组态变数 ..................................................................... ...................................... 46 5.9 建立多组态绩效函数...................................................................... .............................. 47 5.10 增加限制条件 ..................................................................... ........................................ 48 5.11 设罝透镜尺寸 ..................................................................... ........................................ 48 5.12 运行优化 ..................................................................... ................................................ 49 5.13 评估系统性能 ..................................................................... ........................................ 50 例子6 公差(Tolerancing) .......................................................... ............................................. 51 6.1 概论 .............................................................................................................................. 51 6.2 公差 ..................................................................... (52)2 / 876.3 误差来源...................................................................... ................................................. 52 6.4 设罝公差...................................................................... ................................................. 53 6.5 公差操作数 ..................................................................... .............................................. 53 6.6 双透镜的公差分析 ..................................................................... .................................. 54 6.7 制造与组装公差 ..................................................................... ...................................... 55 6.8 误差描述...................................................................... ................................................. 56 6.9 灵敏度分析 ..................................................................... .............................................. 57 6.10 初步公差分析 ..................................................................... ........................................ 57 6.11 公差分析结果 ..................................................................... ........................................ 58 6.12 统计分析 ..................................................................................................................... 58 6.13 反灵敏度分析 ..................................................................... ........................................ 59 6.14 个别分析视场角/组态 ..................................................................... ........................... 60 6.15 限制公差范围 ..................................................................... ........................................ 60 6.16 设罝限制条件 ..................................................................... ........................................ 61 6.17 修正公差范围 ..................................................................... ........................................ 61 6.18 蒙地卡罗分析 ..................................................................... ........................................ 62 6.19 蒙地卡罗统计 ..................................................................... ........................................ 62 6.20 进一步分析 ..................................................................... ............................................ 63 例子7 混合式非序列 (NSC withPorts) ................................................................. ................. 63 7.1 混合式非序列 ..................................................................... .......................................... 63 7.2 例子,混合式非序列...................................................................... .............................. 64 7.3 出口埠 ..................................................................... ..................................................... 67 7.4非序列组件 ..................................................................... ............................................... 68 7.5 对象属性...................................................................... ................................................. 68 7.6 非序列性透镜对象 ..................................................................... .................................. 69 7.7 复制对象...................................................................... ................................................. 70 7.8 定义多焦透镜 ..................................................................... .......................................... 70 7.9 表面折射...................................................................... ................................................. 70 7.10 空气透镜 ..................................................................... ................................................ 71 7.11 调整焦距参数 ..................................................................... ........................................ 72 7.12 多焦透镜 ..................................................................... ................................................ 72 7.13 运行优化 ..................................................................... ................................................ 73 7.14 带状优化 ..................................................................... ................................................ 74 7.15 目标局部 ..................................................................... ................................................ 76 7.16 光线目标 ..................................................................... ................................................ 77 7.17 系统性能 ..................................................................... ................................................ 78 7.18 运行影像分析性能之优化 ..................................................................... ..................... 78 7.19 设罝变数 ..................................................................... (79)3 / 877.20 最终设计 ..................................................................... ................................................ 80 例子8 物理光学传播(Physical OpticsPropagation) ........................................................... ... 81 8.1 物理光学传播 ..................................................................... .......................................... 81 8.2 定义光线...................................................................... ................................................. 83 8.3 设罝显示参数 ..................................................................... .......................................... 85 8.4 一阶局部...................................................................... ................................................. 85 8.5 其它局部...................................................................... ................................................. 86 8.6 辐射照度分布 ..................................................................... (86)4 / 87例子1 单透镜 (Singlet)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。
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。
光学设计实验一单透镜系统设计
实验一：单透镜系统一.实验目的熟悉 ZEMAX软件，学习单透镜的设计方法及原理过程，及透镜的优化方法；二.单透镜结构性能要求1）相对孔径为1/4（F/#为4），焦距为100mm；2）视场角为0︒；3）厚度为3mm；4）相对波长为可见光波长；5）玻璃材料为BK7 ；三.实验步骤1.打开ZEMAX软件，在 LDE 中显示的有三个面：物平面以 OBJ 表示,光阑面以STO 表示,像平面以 IMA 表示；2.对于我们的单透镜来说，我们共需要四个面：物平面（OBJ），前镜面（同时也是光阑面）（STO），后镜面（2），和像平面（IMA）；3.系统参数设置：相对孔径：F/#是相对孔径的倒数，即为4（system一general）；视场角为0︒（system一field）；相对波长为可见光波长（system一wavelength）；4.结构参数设置：曲率半径为100mm；材料为 BK7；厚度为3mm；如下图所示：单透镜系统如下图所示：如下图所示点列图：四．透镜优化过程1.将曲率半径设为变量，权重为1，厚度设为Marginal Ray Heigh，在评价函数在“TYPE”列下，输入“EFFL”然后Tools一最佳化Optimization。
如下图所示：2.单击菜单栏Tools一最佳化Optimization，如下图所示：五．优化后的光学系统分析1.观察光线特性曲线图。
从光线特性曲线窗口菜单，单击“更新（Update）”（窗口任何地方双击也可更新），其光线特性曲线图。
现在，离焦已消失，主要的像差是球差，单透镜校正不了色差，如下图所示：2.对于点列图，优化后的系统弥散斑越来越小，如图所示：3.对于wavefront Map图，像差从42.2减小到3.5，如下图所示：4.对于多色光焦点漂移图，纵坐标表示波长范围，覆盖了所定义的波长段，焦距的最大变化范围约为1522微米。
对于单透镜镜片来说，其曲线的单调变化类型是很典型的，如下图所示：。
光学设计Zemax实例教程2016-下
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
新建：缩束系统-正透镜1-初始结构.zmx
4
设计案例4-缩束/扩束系统
f=400 mm 正透镜1设计
评价函数： 1.控制系统焦距EFFL=400 mm，权重为1 2.控制系统波像差RMS值，权重为1 变量： 透镜前后表面曲率半径R1 和R2
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
选中伽利略式缩束系统-初始结构.zmx中的像面, Ctrl+V，将负透镜数据放 置在正透镜1数据之后
31
设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
此时缩束系统中正透镜和负透镜均为正向光路，应将 负透镜转化为反向光路
选中透镜2数据（Surface3和Surface4），Tools>>Modify 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 >>Reverse Elements
另存为：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx
5
设计案例4-缩束/扩束系统
f=400 mm 正透镜1设计 f=400 mm 正透镜1设计结果: • 焦距设计值400.36 mm • 波像差
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
6
设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计 以f=400 mm 正透镜1的优化结果构建正透镜2的初始初 始结构 Tools>>Modify >>Make focal
15
设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
• 在正透镜1前方插入一个面，Surface 1厚度为100 mm，用作观察平行光入射用； • 将正透镜1与正透镜2之间的间隔作为变量；
光学设计实例-单透镜
＊系统结构和光路图（Layout）：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内是否
存在显著错误、光路与预期相符，等。
2D Lay out
Analysis
Lay out
Lay
或即按Button L3d
or 3D Lay out Element drawing
（零件图）
几何像差与波像差：
Analysis
Ele Fan
所选玻璃表是在 Gen
Glass catalogs 内选定，可同时
挑多个表；也可打入玻璃牌号，程序自动找玻璃库
• 对于Surface type 和Glass Catalogs，在User’s Guide 内都有一章叙述。
7
光学性能分析(Analysis)
当已输入足够的结构数据后，程序就可以计算出像差并分析成像质量，这主要 是Analysis菜单中的各种功能。
或即按Button 各个视场的波像差均方值
Ray Opd Analysis
Ray aberration Optical Path
RMSቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
RMS vs Field
或 RMS
8
光学性能分析(Analysis)
畸变和像散、像面弯曲
Analysis
Miscellaneous
或
Fcd
Seidel 像差系数
Analysis
14
主要内容
• 光学设计软件ZEMAX简介 • 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非球面单透镜 4-激光扩束镜 5-显微镜物镜 6-双高斯照相物镜
• 公差计算
15
优化实例
• 目的
1）如果初始结构选不好，则再简单的 系统也难得到好的结果；
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第四章例子
习作一：单镜片(Singlet)添加日期：12/17/2002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。
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，在aper value上键入25，而aperture type被default为Entrance Pupil diameter。
也就是说，entrance pupil的大小就是aperture的大小。
光学设计zemax经典例题
光学设计zemax经典例题
1.单镜片
设计要求：设计一个F/4单镜片，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特(Schott) BK7或国产K9玻璃来作。
像差要求：波像差小于100中心波长。
2.双胶合透镜
设计要求：设计一个F/4双胶合透镜，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特BK7/ F2或国产K9/F4玻璃组合来实现。
像差要求：对C\D\F三种色光波像差均小于5个波长，焦点弥散斑小于10微米。
3.5X激光扩束镜
设计要求：分别设计两个用于He-Ne(632.8nm)和固体激光器（532nm）的激光扩束镜，扩束倍率5X，入瞳直径3mm，出瞳直径15mm，用同一牌号玻璃完成，镜片尽可能的少，系统总长度小于100mm，入射和出射均为准直平行光。
4.50mm标准镜头
可参照Cooke的三片结构，设计一个F/5焦距50mm的标准镜头，应用于可见光波段。
成像要求：在视场30°内的3种色光的波像差均小于2个波长，MFT大于0.3/30lp,畸变小于1%.
5.放大镜头
可参考双高斯结构（也可选用其他结构），设计一个用于光电检测的放大镜头，物像共扼距140mm，像面CCD尺寸（1024x1024，单个像素为12 m×12 m）,被检测物面为平面矩形（3mm×3mm），使用波长532nm。
成像要求：全视场内MFT大于0.5/40lp, 波像差小于2个波长，畸变小于0.5%.。
Zemax光学设计：一个柱透镜的设计实例
Zemax光学设计：一个柱透镜的设计实例
引言：
在序列模式下，可以使用两个Toroidal面来模拟柱（状）透镜。
使用Toroidal面可以使平行光束在子午光线（沿Y轴方向）聚焦成一条直线，而弧矢光线（沿X轴方向）保持不变。
但平行光束，尤其还是高斯光束时，通过普通的柱透镜时，会产生不均匀分布的直线。
（该设计来自Edmund Rod Lens zmax_47627）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 PupilDiameter”，并根据设计要求输入
“0.8”；
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，设定F,d,C，如下图：
查看LDE：
3D Layout：
查看此时的点列图：
将像面距离改为100：再次查看点列图：
如果改为高斯光束，如下设置：
再查看此时的点列图：
可以看出，已经是一条不太均匀的直线。
zemax7个样例(有插图汉化版)
第四章设计教程简介这一章将要教你如何使用ZEMAX，这一章的每一节将会让你接触一个不同的设计问题。
第一个设计例子是非常简单的，如果你是一个有经验的镜片设计师，你也许觉得它并不值得你去费心，但是，如果你花费一点点时间去接触它，你可以学到如何运行ZEMAX，然后你可以继续你自己特别感兴趣的设计。
前几个例子中，提供了一些关于镜片设计理论的教程内容，用来帮助那些对专用术语不是很了解的人。
但在总体上来说，这本手册，以及其中的这些特例，目的都不是要将一个新手培养成为一个专家。
如果你跟不上这些例子，或者你不能理解程序演示时与计算有关的数学知识，可以参考任何一本“简介”这一章中所列出的好书。
在开始课程之前，你必须先通过正当手段安装ZEMAX。
课程1：单透镜（a singlet）你将要学到的：开始ZEMAX，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（ray fan），光程差曲线（OPD），和点列图（Spotdiagram），确定厚度求解方法和变量，进行简单的优化。
假设你需要设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃，你该怎样开始呢？首先，运行ZEMAX。
ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）。
你可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸，以适合你自己的喜好。
LDE由多行和多列组成，类似于电子表格。
半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。
L DE中的一小格会以“反白”方式高亮显示，即它会以与其他格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。
如果没有一个格子是高亮的，则在任何一格上用鼠标点击，使之高亮。
这个反白条在本教程中指的就是光标。
你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE，使光标移动到你想要停留的地方，或者你也可以只使用光标键。
LDE的操作是简单的，只要稍加练习，你就可以掌握。
开始，我们先为我们的系统输入波长。
这不一定要先完成，我们只不过现在选中了这一步。
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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 Diameter•Aperture Value：25 mm点击单位标签(Units Tab)，并确认透镜单位为Millimeters。
单击「确认」来离开对话框。
1-3设罝视场角点击按钮列中的「Fie」或透过菜单的System->Filed来开启场对话框，如下图所示。
ZEMAX默认的视场角是即为近轴视场角，其中「Weight」这个选项可以用来设罝各视场角之权值，并可运用于优化。
1-4 设罝波长可点击按钮列中的「Wav」来设罝波长，如下图所示：在波长编辑视窗里我们可以设罝不同的波长与其Weight，ZEMAX也有内建一些常使用波长，可透过「Select->」这个选项来选择。
在此例子可以透过挑选「F, d, C (Visible)」这个选项来设罝波长0.486、0.587、0.656(Microns)，单击「OK」即可。
1-5 键入透镜资料现在我们要键入Lens的参数。
在ZEMAX是透过设罝依序排列的表面来建立出光学系统。
在此建立单透镜这个例子需要建立4个表面。
•The object surface（OBJ）：设罝光线的起始点•The front surface of the lens(STO)：光线进入Lens的位置。
在这例子里，这表面的位置也决定了光阑(Stop)的位置•The back surface of the lens(2)：光线从Lens出来并进入空气中的位置。
•The image surface(IMA)：光线追迹最后停止的位置，不可以在IMA这个之后设罝任何的表面。
这个位置上并非存真实的表面，而是一个哑的表面。
默认的LDE视窗中只有3表面（3列），为了符合此例子需要增加一个表面。
将游标移到「IMA」并按下按键盘上的Insert键，即可产生「2」这个面。
「OBJ」是第0面，「STO」是第1面，「2」是第2面、「IMA」是第3面。
1-6 设罝透镜参数首先设罝Lens的材料为「BK7」，将游标移到第1面的Glass栏，键入BK7并按Enter。
而此时ZEMAX便会去查寻数据库里BK7的光学属性，来决定其各个波长下之折射率。
Lens的厚度由第1面的Thickness栏来设罝，这个栏是指表面的中心点沿着光轴到下一个表面的距离。
孔径25mm厚度4mm的Lens是合理的，直接在「Thickness」栏内键入数值即可。
接下来键入Lens的曲率半径，本例子使用一个左右曲率对称的Lens，先将第1面的曲率半径设罝为100 mm，第2面的曲率半径设罝为-100 mm。
在第1面及第2面的「Radius」栏键入数据，正值表示曲率中心点在表面的右边，负值表示曲率中心点在表面的左边。
「IMA」的位置就是设在Lens的焦距上，所以距离Lens大约100 mm左右，直接在第2面「2」的「Thickness」栏键入100，即表示在Lens后面100 mm的位置就是下一表面的位置，也就是「IMA」面的位置。
LDE的设罝如下所示：1-7 评估系统性能在ZEMAX中有很多分析功能可评估系统的质量好坏，其中一个最常用的分析工具是光线扇形图(Ray fan plot)。
可以点击「Ray」这个按钮或透过菜单Analysis->Fans->Ray Aberration来开启这个功能。
在点击之后会出现一个视窗，显示各光线与主光线(Chief Ray)的光线象差(Ray aberrations)，左边的图是显示Y或正切方向的光线象差，右边的图是显示X或弧矢方向的光线象差。
这个分析图表是以0.588 microns为主波长，其线型在原点附近斜率不为零，表示产生离焦现象(Defocus)。
1-8 使用解为了定标离焦(Defocus)，透过调整第2面「2」到IMA面的距离（焦距＝100mm）来解决这个问题。
Solves是一个特别的功能，主要是针对特定ZEMAX的参数进行动态调整，以符合某些特别的情况先要点击第2面的Thickness后，单击鼠标右键，将会出Solve的设罝视窗。
在「Solve Type」里选择Marginal Ray Height，然后敲点「OK」即可发现LDE视窗第2面的「Thickness」由100改变为96，并且会出现「M」的记号。
在次点击「Ray」这个选钮显示光线扇形图(Ray fans plot)，可发现像差线条已由原本的斜线变为S的形状，而这表示此Lens有球差(Spherical aberration)。
在ZEMAX的Online Help中有一个章有列出有关Solve的解释及讨论。
1-9 设罝优化我们希望使用优化来修正这个例子的质量。
除基本设计的形式之外，优化需要两个附加项：•设罝允许变动的参数，让ZEMAX可自由地在允许的范围内调整这个参数，以设计出更好系统。
•在数学上的观点上，需要设罝优化函数(Merit function)的描述，意即评估系统优劣的指标。
这个例子内有3个参数适合被改变而来进行优化，包括两个表面的曲率半径以及透镜到「IMA」面的距离。
只要将游标移至第1面「STO」及第2面「２」的「Radius」栏及第2面的「Thickness」栏点击并按Ctrl+Z或按鼠标右键选，在「Solve Type」选Variable这个选项。
如此各个选项之后将出现「V」的字样。
1-10 建立绩效函数优化函数(Merit function)被定义于优化函数编辑器(Merit function Editor, MFE)。
单击键盘的F6或点击菜单的Editors->Merit Function即可开启编辑视窗(MFE)。
从MFE 点击Tools->Default Merit Function会出现一个Default Merit Function的视窗，点击「Reset」后再点击「OK」。
后面我们还会说明这个视窗的相关设罝，现在先以默认条件进行优化。
1-11 增加限制条件接着修正绩效函数(Merit function)，包括系统焦距的需求。
将游标移在MFE的第一列并单击按键盘的Insert来产生新的一列，在此列的Type栏上键入EFFL后按Enter。
这个操作数的功能是在运算出系统有效焦距，在计算有效焦距时必须设罝参考的主波长(Primary Wavelength)，在此例子里使用第二波长为参考波长，所以在第一列的「Wav#」栏中键入为2。
接着在「Target」栏里键入100并按Enter，「Weight」设为1再按Enter，最后将此视窗关闭，虽然关闭编辑视窗但设罝已储存，并不会遗失。
1-12 运行优化点击「Opt」或Tools->Optimization，便会出现Optimization的视窗。
在优化的对话视窗里，如果「Auto Update」选项被勾选，则当在运行优化时，所有开启的分析视窗如Ray fans plot以及LDE的数据将及时变动。
在此请点击「Automatic」这个按钮来进行优化。
1-13 光线扇形图这个优化的动作是调整Lens的曲率半径使透镜焦距接近100 mm，并调整透镜与成像面的距离，以消除离焦(Defocus)。
其是利用最小波前误差之均方根值为依据进行优化，而此次的优化的并没有使焦距完完全全等于100 mm，这是因为我们所设罝的有效焦距操作数(EFFL)只是绩效函数(Merit function)中众多操作数的一项而已，所以在运行优化时也需要符合其它优化条件。
其实在许多的设计之中，可以透过LDE里Solve功能来使调整焦距以符合设计需求，而不需使用MFE的操作数。
下图所示是经过优化后的光线扇形图(Ray fans plot)，其最大像差(Maximum Aberration)约为300 microns。
1-14 二维设计图点击Analysis->Layout或点「Lay」这个选项便可以显示2D设计图(Layout)。
此2D设计图的视窗上点击Settings->Number of Rays->7->OK 即可显示出如下之图。
1-15 弥散斑在ZEMAX众多的分析工具里，除了常使用光线扇形图来分析设计系统的光学性能之外，另外也有一个分析功能－弥散斑(Spot Diagrams)也是一个相当常用的分析图表。
弥散斑(Spot Diagrams)可以显示出平行光束通过光学系统后聚焦于成像面上的斑点。
可点击Analysis->Spot Diagram->Standard或点击「Spt」即可显示出光斑(Spot Diagrams)的分析图。
如下图所示，可由图表判断其Stop的图表大约有400 microns的半径大小，而Airy Disk有5.7 mircons。
也可以由此图看出整个系统的像差，由于不同的波长其之焦距点也不一样，所以其成像会产生模糊现象。