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.
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。
_光设ZEMAX_实验讲义
录前言.......................................................................................................................... 错误！未定义书签。
第一章ZEMAX软件简介 . (1)1.1 简介 (1)1.2 用户界面 (1)1.3 主视窗的操作（Main Windows Operations） (2)1.4 光学系统的建立 (3)1.4.1 设计要求 (3)1.4.2 初始结构 (3)1.4.3 其他光学特性参数输入方法 (4)1.4.4 ZEMAX中像质评价方法 (9)第二章ZEMAX优化与操作符 (21)2.1 Merit Function（评价函数）的构成要素 (21)2.2 评价函数的“默认”（缺省）构成方法 (21)2.3 修改成自定义评价函数法 (24)第三章像差设计在ZEMAX中的实现 (31)3.1 Default Merit Function和现有像差控制符的局限性 (32)3.1.1 轴上点的像差操作符的局限性 (32)3.1.2 轴外物点的像差操作符的局限性 (32)3.2 常见像差控制在评价函数中的实现 (33)3.2.1 轴上球差、色差的控制操作符 (33)3.2.2 轴外初级像差的控制操作符 (34)3.2.3 轴外物点视场孔径高级像差的定义及其控制操作符 (38)3.3 像差设计举例 (39)第四章像差设计实例 (49)4.1 望远镜物镜或准直物镜的设计 (49)i1第一章 ZEMAX 软件简介1.1 简介ZEMAX Optical Design Program （ZEMAX ）是由美国ZeMaX Development Corporation 公司开发的专用光学设计软件包，软件逐步升级，我们使用的版本是2007。
ZEMAX 是Windows 平台上的视窗式的用户界面，操作习惯和快捷键风格如同Windows 。
ZEMAX建模及像差分析
ya ' yb ' yp ' 2
孔径和视 场的函数
25
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 ...
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。
ZEMAX光学设计软件操作说明详解
ZEMAX光学设计软件操作说明详解】介绍这一章对本手册的习惯用法和术语进行说明。
ZEMAX使用的大部分习惯用法和术语与光学行业都是一致的，但是还是有一些重要的不同点。
活动结构活动结构是指当前在镜头数据编辑器中显示的结构。
详见“多重结构”这一章。
角放大率像空间近轴主光线与物空间近轴主光线角度之比，角度的测量是以近轴入瞳和出瞳的位置为基准。
切迹切迹指系统入瞳处照明的均匀性。
默认情况下，入瞳处是照明均匀的。
然而，有时入瞳需要不均匀的照明。
为此，ZEMAX支持入瞳切迹，也就是入瞳振幅的变化。
有三种类型的切迹：均匀分布，高斯型分布和切线分布。
对每一种分布（均匀分布除外），切迹因素取决于入瞳处的振幅变化率。
在“系统菜单”这一章中有关于切迹类型和因子的讨论。
ZEMAX也支持用户定义切迹类型。
这可以用于任意表面。
表面的切迹不同于入瞳切迹，因为表面不需要放置在入瞳处。
对于表面切迹的更多信息，请参看“表面类型”这一章的“用户定义表面”这节。
后焦距ZEMAX对后焦距的定义是沿着Z轴的方向从最后一个玻璃面计算到与无限远物体共轭的近轴像面的距离。
如果没有玻璃面，后焦距就是从第一面到无限远物体共轭的近轴像面的距离。
基面基面（又称叫基点）指一些特殊的共轭位置，这些位置对应的物像平面具有特定的放大率。
基面包括主面，对应的物像面垂轴放大率为＋1；负主面，垂轴放大率为－1；节平面，对应于角放大率为+1；负节平面，角放大率为－1；焦平面，象空间焦平面放大率为0，物空间焦平面放大率为无穷大。
除焦平面外，所有的基面都对应一对共轭面。
比如，像空间主面与物空间主面相共轭，等等。
如果透镜系统物空间和像空间介质的折射率相同，那么节面与主面重合。
ZEMAX列出了从象平面到不同象方位置的距离，同时也列出了从第一面到不同物方平面的距离。
主光线如果没有渐晕，也没有像差，主光线指以一定视场角入射的一束光线中，通过入瞳中央射到象平面的那一条。
注意，没有渐晕和像差时，任何穿过入瞳中央的光线也一定会通过光阑和出瞳的中心。
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。
2.几何光学像质评价
Seidel Coefficients：显示每个面的Seidel系数，包括总的, 横向的，纵向的和波像差的系数；只能适用于所有面都是 standard surface的系统； Zernike Fringe Coefficients：用条纹多项式表示的 Zernike系数，共37项； Zernike Standard Coefficients：正交的Zernike coefficients，共28项； Zernike Annular Coefficients：正交的Zernike coefficients， 共22项；
• FFT MTF:用FFT算法计算所有视场的衍射 MTF(OPD<10wave)。假定在出瞳上的光线分 布是均匀的。截止频率为1/(λF/#)=1/2λnsinθ； 物的类型有：正弦波(real, imaginary, phase)和 方波(square)响应。 •FFT Through Focus MTF:在指定空间频率下， FFT MTF vs. focus shift； •
•Ray Trace:单根近轴和真实光线追迹时，光线在各个面上的交点
坐标（光线的方向余弦、角的正切、近轴边缘光线和主光线的 夹角）； •Fiber Coupling Efficiency:计算单模光纤耦合系统的耦合效率。 •YNI Contributions:列出每个面的近轴YNI（Y：近轴像高；N： 折射率，I：入射角）贡献值；拉赫不变量。 • Sag Table：列出所选面上，距顶点不同距离处的surface sag(z坐标)。给出最佳拟合球面的数据及偏差，在镜头制造时 有用。只考虑y坐标，所以对非旋转对称系统会无意义。 • Cardinal Points：基点。给出所选择的面范围内的子系统对所 选波长的焦面、主（反主）平面、节（反节）平面。
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。
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。
zemax像差知识总结
zemax像差知识总结第一篇：zemax像差知识总结一、zemax的spot diagram的看图方式说明光学设计程序zemax中有个很常用的评测光学系统质量的分析工具－spot diagram，中文翻译就是点图，借助它可以形象的对光学系统成像进行很好的描述。
这里写下本人对spot diagram的体会和认识。
可以通过多种方式在zemax中显示点图，方式一：直接点击在屏幕菜单工具栏中的“Spt”按钮；方式二：选择菜单Analysis-Spot Diagrams-Standard。
点图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。
换句话说，它就是通过计算，把一系列物方的点通过光学系统以后，成像在IMA面上的情况给实际绘制出来。
为了表现方便，它可以选择一系列预定的模板形式，具体来说，比如一个在轴上的点，从无限远成像到IMA面上，zemax就模拟在无限远有若干个发光点，这些点平行射入入瞳，然后经过光学系统，最后成像在IMA面上。
显然如果光学系统是完美的光学系统，那么这些点成像点为一个理想的点。
但对于实际的光学系统，就会成像为一个弥散斑。
那么这个弥散斑在IMA面上的像，就是Spot Diagram。
同理，在非轴上点，也可以参照主光线的角度和位置，形成一系列的发光点，经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。
如何通过spot diagram看光学设计的质量，简单说，这个弥散斑越小越好。
如果你发现弥散斑足够小，满足你对光学系统最小弥散斑的要求（spot diagram的单位是微米）那么你的光学系统就完全可以进行实际的加工了。
换句话说，就是你的光学系统已经可以设计完成了。
如何才知道你的光学系统足够的好？这里有个参考，就是airy斑的参考。
airy斑是物理光学的一个概念。
它指出在形成的弥散斑直径在2.44*F*(主波长)以内的时候，该光学系统可以认为是理想（完美）光学系统。
这样当你在spot diagram图中，在setting菜单中，设置显示airy斑。
zemax像差知识总结
一、zemax的spot diagram的看图方式说明光学设计程序zemax中有个很常用的评测光学系统质量的分析工具－spot diagram，中文翻译就是点图，借助它可以形象的对光学系统成像进行很好的描述。
这里写下本人对spot diagram的体会和认识。
可以通过多种方式在zemax中显示点图，方式一：直接点击在屏幕菜单工具栏中的“Spt”按钮；方式二：选择菜单Analysis-Spot Diagrams-Standard。
点图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。
换句话说，它就是通过计算，把一系列物方的点通过光学系统以后，成像在IMA 面上的情况给实际绘制出来。
为了表现方便，它可以选择一系列预定的模板形式，具体来说，比如一个在轴上的点，从无限远成像到IMA面上，zemax就模拟在无限远有若干个发光点，这些点平行射入入瞳，然后经过光学系统，最后成像在IMA面上。
显然如果光学系统是完美的光学系统，那么这些点成像点为一个理想的点。
但对于实际的光学系统，就会成像为一个弥散斑。
那么这个弥散斑在IMA面上的像，就是Spot Diagram。
同理，在非轴上点，也可以参照主光线的角度和位置，形成一系列的发光点，经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。
如何通过spot diagram看光学设计的质量，简单说，这个弥散斑越小越好。
如果你发现弥散斑足够小，满足你对光学系统最小弥散斑的要求（spot diagram的单位是微米）那么你的光学系统就完全可以进行实际的加工了。
换句话说，就是你的光学系统已经可以设计完成了。
如何才知道你的光学系统足够的好？这里有个参考，就是airy 斑的参考。
airy斑是物理光学的一个概念。
它指出在形成的弥散斑直径在 2.44*F*(主波长)以内的时候，该光学系统可以认为是理想（完美）光学系统。
这样当你在spot diagram图中，在setting菜单中，设置显示airy斑。
图像质量的评价方法
图像质量的评价方法
图像质量的评价方法包括以下几种常见方法：
1. 主观评价法：让观察者对图像质量进行主观评价，例如通过打分或者描述来评价图像的清晰度、色彩还原程度、细节损失等。
这种方法的缺点是评价结果受到个体主观感受的影响，不具有客观性。
2. 客观评价法：通过利用计算机算法对图像进行自动评估，以量化的方式来评价图像质量。
常见的客观评价方法包括结构相似性指标（SSIM）、峰值信噪比（PSNR）、均方根误差（RMSE）等。
这种方法的优点是具有客观性，但是可能无法完全捕捉到人眼对图像质量的感受。
3. 双刺激子带宽（DSB）评价法：该方法通过将原始图像与失真（比如压缩）后的图像进行对比，观察两者之间的差异来评估图像质量。
这种方法能够更准确地模拟人眼对图像质量的感知。
4. 基于机器学习的评价方法：通过训练模型，利用大量的图像数据和其对应的评分数据来建立图像质量评价模型。
这种方法能够更好地模拟人眼对图像质量的主观感受。
综合使用多种评价方法可以得到更全面、准确的图像质量评价结果。
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。
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：=12， 1 J， 2 岂（15.22）V1-V2y -V2式中:> 1，和2分别双胶合物镜、正透镜和负透镜的光焦度（焦距值的倒数），V1和V2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n1d=1.. 51637, V1=64. 07 , n2d== 1.64767 ,v 2=33. 87。
由式（15. 22）得1=0. 00849 , 2 =-0.00449,对应的竹=117. 84mm, f =-222. 91 mm 。
2024年度ZEMAX中文使用说明书pdf
设计流程与关键步骤
明确设计目标
确定光学系统的性能指标，如焦距、视场角 、分辨率等。
选择合适的光学元件
根据设计目标，选择适当的透镜、反射镜等光 学元件。
建立光学模型
利用ZEMAX等光学设计软件，建立光学系统的数 学模型。
2024/3/23
优化设计
通过调整光学元件的参数，优化光学系统的性能， 使其达到设计目标。
29
06 ZEMAX高级功能 与应用拓展
2024/3/23
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非序列模式设计技巧
1 2 3
灵活设置光源和探测器
在非序列模式中，用户可以自由定义光源和探测 器的位置、方向和属性，以模拟实际光学系统中 的复杂光线传播。
使用非序列元件
ZEMAX提供了丰富的非序列元件库，如反射镜 、透镜、棱镜等，用户可以根据需要选择合适的 元件进行建模。
3
软件背景及发展历程
创立初期
ZEMAX软件最初是由美国Focus Software Inc.公司开发，专注于 光学设计领域。
发展壮大
随着光学行业的快速发展， ZEMAX软件不断更新迭代，逐渐 成为光学设计领域的标准工具。
收购与整合
2018年，ZEMAX被美国Radiant Vision Systems公司收购，进一 步整合资源，拓展应用领域。
偏振光优化
ZEMAX的优化算法同样适用于偏振光系统 ，可以对系统进行优化以提高偏振性能。
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激光束传播模拟技术
激光束建模
ZEMAX支持激光束的建模和分析，用户可以定义激光束 的波长、功率、光束质量等参数。
01
激光束追迹
通过激光束追迹功能，可以模拟激光束 在光学系统中的传播过程，并分析光束 形状、功率分布等特性。
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)
2024版zemax中文教程全
分析、优化等工具栏，方便用户进行快速操作。
快捷键
02
zemax软件支持多种快捷键操作，如Ctrl+N、Ctrl+O、Ctrl+S
等，用户可以通过快捷键快速完成常用操作，提高工作效率。
自定义快捷键
03
用户可以在菜单栏中选择“工具”->“自定义”->“键盘”，
在弹出的对话框中自定义快捷键，以满足个人操作习惯。
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高级分析功能
光线追迹 通过模拟光线的传播路径，分析光学系
统的成像质量和性能。
偏振分析
考虑光的偏振状态对光学系统性能的 影响，进行偏振光线的追迹和分析。
2024/1/29
像质评价 采用多种像质评价方法，如点列图、 调制传递函数（MTF）等，对光学系 统进行全面的性能评估。
非序列模式分析
支持非序列光学系统的建模和分析， 如照明系统、激光系统等。
下载Zemax软件安装包
从Zemax官方网站或授权渠道下载最新版本 的Zemax软件安装包。
2024/1/29
安装软件
双击安装包，按照提示完成软件的安装过程。在安装 过程中，可以选择安装路径、语言等选项。
激活软件
安装完成后，需要激活软件才能使用。根据提 示输入激活码或者使用在线激活方式完成激活。
8
软件启动方法
优化模型设置和参数以减 少计算量、升级计算机硬 件以提高性能、关闭不必 要的软件以释放系统资源、 联系技术支持获取帮助。
2024/1/29
29
问题预防与注意事项
及时更新软件
定期更新软件版本以获取最新的功能 和修复已知的问题。
02
备份重要数据
定期备份重要的模型和数据文件，以 防意外丢失或损坏。
Zemax中的像质评价方法
Spot Diagram(点列图 点列图) 点列图
计算点列图时入瞳上光线的选取有几种， 计算点列图时入瞳上光线的选取有几种，即 有极径、极角划分的极坐标形式， 有极径、极角划分的极坐标形式，在Zemax 中称为hexapolar（六极向）；有直角坐标网 ）；有直角坐标网 中称为 （六极向）； 格划分的方形网格式（ 格划分的方形网格式（Square）形式； ）形式； Zemax中还提供了基于伪随机方法的颤抖式 中还提供了基于伪随机方法的颤抖式 （dithered）光瞳划分方法 ）光瞳划分方法.
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 光扇图) 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， 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， 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. 跟像差有关的像质指标，可统称为 共有Ray Aberration、Optical path和Pupil 共有 、 和 Aberration三种. 三种. 三种
Zemax中的像质评价方法 Zemax中的像质评价方法
像差(像质评价) 像差(像质评价)
球差δL’ 球差 色差 △l’FC ，△L’FC 细光束子午场曲x’ 细光束子午场曲 t 子午球差δL’ 子午球差 T 子午彗差 K’T 细光束弧矢场曲 x’s 弧矢球差δL’ 弧矢球差 S 弧矢彗差 K’S 像散 x’ts 波像差 畸变δy’ 畸变 z 垂轴色差 △y’FC 球差 场曲 彗差 像散 畸变 色差 垂轴色差
MTF(调制传递函数 调制传递函数) 调制传递函数
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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; 球差一般用于评价轴上物点的成像质量，如 果镜头系统具有大相对孔径，那么球差是影 响成像质量的主要像差，且球差与光束孔径 高之间的关系已不仅仅是二次函数关系（即 初级球差），还会存在高次方关系（指高级 球差）.
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.
Optical path
显示的光瞳归一化坐标（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.
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.
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.
Miscellaneous(杂项)
几何像差的分析功能 有Field Curvature/Distortion（细光束场 曲与畸变）、 Longitudinal Aberration （轴向球差）、 Lateral Color（垂轴色 差）
Field Curv/Distortion (细光束场曲与畸变)
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.
Longitudinal Aberration(轴向球差)
由球差曲线，可以看出单色球差值，高 级球差数值，0.707孔径轴向色差和色球 差数值; Primary波长球差曲线在0孔径时的球差 值，表示镜头系统的像面与高斯像面之 间有无离焦量.
垂轴色差(Lateral Color)
又称倍率色差，是主光线的像差 物方的一根复色主光线，因折射系统存在色 散，在像方出射时将变成多根光线，F光和C 光在像面上的交点位置之差，称为垂轴色差; 纵轴是归一化视场，横轴为垂轴色差数值， 单位为Microns，垂轴色差是一种只跟视场有 关的像差，如果视场不大则呈现与视场的线 性关系，如视场较大，但还会出现与视场的 三次方关系。也可以对每一种波长绘出它跟 Primary PSF——Point Spread Function，反映点物经 过镜头系统后，因像差或衍射在像面上造成 的扩散情况，横轴为像面上的线性尺度，纵 轴为归一化能量（强度）分布； PSF的计算模型也有FFT和Huygens两种。 PSF一般使用在精细成像质量或小像差系统 场合.
以上四种是Zemax提供的主要几何像差， Zemax没有提供跟彗差有关的像差曲线。 如果要看彗差，可用Zemax Program Language 编写程序，计算出彗差与视场、 光束孔径之间的数值关系。
之所以称之为细光束场曲，是因为场曲曲线 没有跟光束孔径有关 细光束场曲反映了不同视场点的细光束像点 离开像面的位置变化，初级细光束场曲跟视 场的平方成正比，其对成像的影响，是使一 平面物体成一弯曲像面; 细光束像散反映了子午和弧矢细光束像点 （或子午与弧矢弯曲像面）的不重合而分开 的轴向距离.
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.
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.
由于计算模型不同，计算结果会出现较小差别，但 变化趋势及量值不会差别很大，要注意区别： 1）从计算速度上看，FFT MTF最快，Huygens MTF 与Geometric MTF速度较慢，但在初始结构像质太 差（如波差PV>6λ）时，FFT MTF计算会显示出错， 这是正常现象，此时几何传函仍可进行正常计算， 只是传函值太低； 2）从网格采样来看，FFT MTF与Geometric MTF只 需对像面（或物面）空间坐标进行2n×2n网格采样， 但Huygens MTF因计算模型差别，还要增加对出瞳 面网格采样，这是导致Huygens MTF计算速度变慢 的主要原因； 3）FFT MTF与Huygens MTF都能计算出Surface MTF（即3D-MTF），但Geometric MTF一般只计 算子午与弧矢面上MTF，不提供Surface MTF.
Wavefront (波像差)
对于一个视场，某一波长下，计算波像差时，要对 入瞳面进行网格点采样，一般采样密度为2n×2n ， 由光线追迹，计算每一个光线到达像面时所走过的 光程差。波像差是一种相对光程差，一般取主波长 的 主光线所走过光程作为参考光程，相当于取主光 线跟像面的交点，作为参考球面的球心，并使参考 球面经过出瞳中心. Zemax对波像差还提供了Interferogram和Foucault Analysis的菜单选项，前者可以为两束光相干以干 涉图表示，尤其适用于分析干涉系统，后者用于产 生傅科刀口阴影图.
Spot Diagram(点列图)
反映任一物点发出充满入瞳的光锥，在像面 上的交点弥散情况; 通常以主光线与像面交点为原点，进行量化 计算点列图的弥散情况，Zemax在此基础上， 还给出以虚拟的“质心”、“平均”为原点 的量化点列图.
Spot Diagram(点列图)
表现形式有五种，即标准点列图(standard)、 离焦点列图（Through Focus）、反映视场象 高的点列图（Full Field Spot Diagrams）、 随视场与波长变化的点列图阵列(Matrix Spot Diagrams)、随视场与多重结构变化的点列图 阵列（Configuration Matrix Spot Diagram）; 常用的是标准点列图
Spot Diagram(点列图)
计算点列图时入瞳上光线的选取有几种，即 有极径、极角划分的极坐标形式，在Zemax 中称为hexapolar（六极向）；有直角坐标网 格划分的方形网格式（Square）形式； Zemax中还提供了基于伪随机方法的颤抖式 （dithered）光瞳划分方法.
MTF(调制传递函数)
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.