Zemax入门例子一套
《Zemax教程》课件
二次开发与定制功能
二次开发接口
Zemax提供二次开发接口，允许用户开发定制功能和插件，扩展 软件的功能范围。
定制界面和工具栏
用户可以根据自己的需求，定制界面的布局和工具栏，以及添加自 定义的工具和按钮。
集成第三方软件
通过二次开发接口，用户可以将Zemax与其他软件集成，实现数 据共享和协同工作。
《Zemax教程》 PPT课件
目录
CONTENTS
• Zemax软件简介 • Zemax基础操作教程 • Zemax光学设计实例教程 • Zemax光学仿真与性能评估 • Zemax高级功能教程 • Zemax常见问题与解决方案
01 Zemax软件简介
软件背景与发展历程
创立背景
为了解决光学设计中的复杂问题 ，Zemax软件于1997年诞生。
移动对象
使用鼠标拖动对象。
旋转对象
使用鼠标中键拖动对象。
缩放对象
使用滚轮或“+”和“-”按钮进行缩放。
文件类型与管理
.zmx
Zemax设计文件，包含光学系统的 所有信息。
.zdl
Zemax数据文件，包含光学系统的一 部分信息。
文件类型与管理
• .zpl：Zemax脚本文件，用于自动化任务。
文件类型与管理
发展历程
经过多年的研发和改进，Zemax 已经成为业界广泛认可的光学设 计软件。
软件特点与优势
01
02
03
高效性能
Zemax提供了强大的计算 引擎，能够快速进行光学 性能分析和优化。
用户友好
软件界面直观，易于学习 和操作，降低了使用门槛 。
全面功能
Zemax提供了从光学系统 设计到分析评估的完整解 决方案。
zemax实验学习教程
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第十九页，编辑于星期日：八点 四十分。
第三章 ZEMAX设计实例
例9 扫面镜（Scanning Mirror） 再看其3D Layout图，如图所示，此时扫描镜关于后表面倾斜。
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第二十页，编辑于星期日：八点 四十分。
第三章 ZEMAX设计实例
例10 离轴抛物镜（Off-Axis Parabolas）
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第三章 ZEMAX设计实例
例9 扫面镜（Scanning Mirror）
扫描镜分为两类：
Galvanometer反射镜和Polygon反射镜。 Galvanometer反射镜：镜面在顶点的倾斜； Polygon反射镜：在镜面顶点后面的一个偏置点处扫描。
现在移到第2面，在“tilt about x”列里输入45。 从主菜单选System，Update All，你将看到如图 所示的图形。
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第三页，编辑于星期日：八点 四十分。
第三章 ZEMAX设计实例
例8 折叠反射镜面和坐标断点
注意近轴镜片的厚度为30，位于第一个坐标断点的旋转顶点。 坐标断点的厚度是0，表示反射镜面是在同一点上。但是， 坐标断点已将坐标系统旋转了45度。镜面本身是不旋转 的，只有它所在的坐标系统，才被旋转。镜面的厚度为0， 因为我们在移到下一个面前，要旋转另一个45度。第二 个坐标断点先旋转另一个45度，然后向焦点移动-70个单位。 注意所有的倾斜和偏心处理应在厚度改变之前。
第三章 ZEMAX设计实例
例10 离轴抛物镜（Off-Axis Parabolas）
在反射镜面2的前面增加一个CB面，并设置该CB在Y方向有+80mm的平移量。
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
ZEMAX的7个小例子
现在从主菜单条中选择“工具”菜单下的“最佳化（Optimization）”，会显示最佳化工具对话框。注意“自动更新（Auto Update）”复选框。如果这个选项被选中，屏幕上当前所显示的窗口（如光学特性曲线图）会按最佳化过程中镜头的改变而被自动更新。在该复选框中单击选择自动更新，然后单击“自动（Automatic）”，ZEMAX会很快地减少评价函数。单击“退出（Exit）”关闭最佳化对话框。
课程2：双透镜（a doublet）
知识点：产生结构视图和视场曲率图，定义边缘厚度解，定义视场角
一个双透镜包括两片玻璃，通常（但不一定）是胶合的，因此它们有一个共同的曲率。通过使用两片具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被矫正。也就是说，我们需要得到抛物线形的多色光焦点漂移图（Chromatic Focal Shift），而不是直线的。这反过来会产生较好的像质。现在，我们保持先前100mm焦距和在轴上的设计要求，我们下面将会加入视场角。
如果你在先前的例子中，仍然保留了评价函数，那么，你就不需要重新创建评价函数。否则，请重新创建一个评价函数，包括EFFL操作数，如前一个例子所描述的设置方法。
开始数据输入如上图所示。
现在，从主菜单下选择“工具”-“最佳化”，单击“自动”。评价函数会开始减小，等它停止后单击“退出”。显示多色光焦点漂移图，看看我们是否已有了一些提高（如果你的屏幕上还没有准备好，选择“Analysis”，“Miscellaneous（各种的）”，“Chromatic Focal”）。它应该与图E2-2类似。
当波像差约等于或小于四分之一波长时，镜片要考虑“衍射极限。显然，我们的单透镜并没有达到衍射极限。为了提高此光学系统（或任何光学系统）的性能，设计者必须判断哪一种像差限制了其性能，以及什么操作可以用来改正。从光线图（图E1-3）中，可较明显地看出，色差（Chromatic aberration）是其主要像差。（另一方面，它可能不明显，可再看其他的一些能够提供有关光线图的建议的好书。）
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。
ZEMAX光学设计第02讲ZEMAX实例：单透镜设计
球差
最小模糊圈 近轴焦点
横向像差 纵向像差 球差存在时最清楚面不在近轴焦点处！
光学像差 分类
•几何像差（单色像差）
–起源于非近轴光线的聚焦
• 球差 (spherical aberration) • 彗差 (coma) • 像散 (astigmatism) • 场曲 (field curvature) • 畸变 (distortion)
•色像差 Chromatic aberration
–起源于透镜折射率随波长改变，因此不同颜色聚焦 在不同位置
像差的起源
• 球差 (spherical aberration) • 彗差 (coma) • 像散 (astigmatism) • 场曲 (field curvature) • 畸变 (distortion)
ZEMAX光学设计 (第2讲)
Optical Design & ZEMAX
ZEMAX实例：单透镜设计
1.设计流程
系统参数输入 初始结构创建 优化变量设置 评价目标函数设置
像质分析 系统改进提高
再优化
2.单透镜设计实例
（1）LDE 透镜数据编辑
（2）孔径、视场、波长参数输入
3.球差
longitudinal aberrations
像差的起源
其他五种像差
• 统称为几何像差 • 在后面一一描述
球差
慧差
像散
场曲
畸变
H. Gross ed., Handbook of Optical Systems, Ch29.4, Wiley-VCH (2007)
像差的起源
• 另一种常见的像差表示法Zernike多项式
垂直倾斜
45°像散
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案例
zemax案例
以下是一些关于Zemax仿真软件的案例：
1. 光学系统设计
Zemax可以用于光学系统设计和优化。
例如，可以使用Zemax来设计望远镜、显微镜、放大镜和其他光学仪器。
2. 焦散问题分析
Zemax可以用于分析和优化光学系统的焦散问题。
通过模拟光线的轨迹和相位变化，可以确定焦点的位置和形状，并确定任何可能的相位偏差。
3. 光学组件模型建立
Zemax可以用于建立光学组件的三维模型，包括透镜、棱镜和反射器等，以更准确地模拟光学系统的性能。
4. 光学系统图像模拟
Zemax可以用于模拟光学系统中的图像。
可以通过更改光线的特定属性，如入射角度和波长，以模拟不同的光学系统图像。
5. 激光光束分析
Zemax可以用于分析激光光束的特性，包括光斑大小、波前畸变、相位传输和偏振特性等。
6. 照明系统设计
Zemax可以用于设计照明系统，以确定最佳的光源和透镜组合来实现所需的照明效果。
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-负透镜-初始结构.zmx
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=-100 mm 负透镜设计
评价函数： 1.控制系统焦距EFFL=-100 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
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
• • • 单独设计正透镜1和正透镜2时均为正向设计，即平行光入射经 正透镜后会聚； 在缩束系统中，正透镜1为正向使用，正透镜2为反向使用； 将透镜1与透镜2组合为缩束系统，透镜1与透镜2之间的间距为 单独正向设计时透镜1与透镜2的顶焦距之和
打开：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx 然后另存为：开普勒式缩束系统-初始结透镜-优化结果.zmx
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=-100 mm 负透镜设计
优化结果，EFFL=-100.093 mm; 3D Layout中表示的是负透镜虚焦点
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
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设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
与开普勒式缩束系统组合方式类似，正透镜与负透镜组合 • • • 单独设计正透镜1和负透镜时均为正向设计，即平行光入射经 正透镜后会聚，平行光入射经负透镜后发散； 在缩束系统中，正透镜1为正向使用，负透镜为反向使用； 将正透镜1与负透镜组合为缩束系统，正透镜1与负透镜之间的 间距为单独正向设计时正透镜1与负透镜的顶焦距之和（正透 镜的定焦距为正值，负透镜的定焦距为负值）
以D1=80 mm，f1=400 mm；D2=20 mm， f2=100 mm；工作波长λ=800 nm为例。 缩束比 4:1 ，相对孔径 1:5 南京理工大学 袁群 光学 CAD 课件
Zemax 初学实例解析
ZEMAX 初学实例解析内容纲目:前言实例一：单镜片(Singlet)实例二：双镜片实例三：牛顿望远镜实例四：Schmidt-Cassegrain 和aspheric corrector实例五：multi-configuration laser beam expander实例六：fold mirrors 和coordinate breaks实例七：使用Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces实例一：单镜片(Singlet)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。
ZEMAX(上学时的课件)
ZEMAX用户界面
快捷按钮栏 主菜单栏
编 辑 窗 口
主菜单栏-文件
• 新建（New） • 目的：清除当前的镜头数据。 • 说明：此选项使ZEMAX恢复到起始状态。 当前打开的窗口仍然打开，如果当前的镜 头未保存，在退出前ZEMAX将警告你要保 存镜头数据。
主菜单栏-文件
• 打开（Open） • 目的：打开一个已存在的镜头文件。 • 说明：此选项打开一个新的镜头文件。当 前打开的窗口仍然打开，如果当前的镜头 未保存，在退出前ZEMAX将警告你要保存 镜头。
实验六 折叠反射镜和坐标断点
• • • • • 分析： 1.若此例中的两次转向都用实验三中的直接添加折叠反射镜的方式来实 现，如何做到？（需列出具体步骤图） 添加第*块反射镜前的LDE: 设置欲添加第*块反射镜面的位置： 添加第*块折叠反射镜的具体实现： 添加第*面反射镜后的LDE： 2.比较两种方式得到的最后结果是否一致？
主菜单栏-分析
主菜单栏-分析
• 点列图(Spot Diagram)
主菜单栏-分析
• 调制传递函数MTF
主菜单栏-工具
• 最常用到的，就是优化工具。 • 优化的目的是提高或改进设计使它满足设 计要求。
主菜单栏-报告
• ZEMAX支持对于设ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ结果的多种形式数据 的报告方式，包括整个系统的报告或者细 节到每一个面的报告。主要包括曲面数据 报告、系统数据报告、规则数据报告，图 解报告等。
实验七复杂光学系统优化设计 设计要求：
实验七 设计过程举例
• 1.仅针对主波长设计Schmidt-Cassegrain系统， 进行优化； • 2.改波长为某一次要波长，优化； • 3.插入关于新波长的2重结构，优化； • 4.关于另一次要波长及3重结构，重复第2、3步； • 5.加通光孔和遮挡板，优化； • 6.实现出射光线的转向，优化。
ZEMAX(上学时的课件)
• • • • • 分析： 1.若此例中的两次转向都用实验三中的直接添加折叠反射镜的方式来实 现，如何做到？（需列出具体步骤图） 添加第*块反射镜前的LDE: 设置欲添加第*块反射镜面的位置： 添加第*块折叠反射镜的具体实现： 添加第*面反射镜后的LDE： 2.比较两种方式得到的最后结果是否一致？
主菜单栏-分析
这一菜单下详细列出ZEMAX种的所有 分析功能。分析镜头数据的曲线和文本通 常包括像差、MTF、点列图、以及其他的 计算结果。
主菜单栏-分析
• 草图 • 主要是分析镜头数据的各种曲线图，常用 的包括2D、3D、实体模型、渲染模型等等， 通常都是实际要设计的镜头的外形和成像 光线的模拟图形。
实验一报告要求
• 打开安装目录下的samples\tutorial\tutorial zoom2.zmx文件，生成其3D（转角）、实 体（转角）、渲染（转角）、像差特征曲 线、OPD曲线、曲面数据报告（第7面）、 规则报告（第一屏）和图解报告4。截屏后 打印出来。
实验二报告要求
• 单透镜：生成OPD图，图解报告4，点列图， 焦点色位移图 • 双透镜：图解报告4，场曲图，焦点色位移 图
主菜单栏-系统
• 更新… 这个选项只更新镜头数据编辑器和附加 数据编辑器中的数据。更新功能用来重新 计算一阶特性，如光瞳位置，半口径，折 射率和求解值。只影响镜头数据编辑器和 附加数据编辑器中的当前数据。
主菜单栏-系统
• 全部更新 … 这个选项更新全部窗口以反映最新镜头数据。 ZEMAX不能在图形和文件窗口自动改变最后形成 的镜头数据。这是由于新数据在镜头数据编辑器 中被键入时， ZEMAX如果不断地计算MTF，光 线特性曲线，点列图和其它数据，那么程序反应 会变得很慢。对镜头做所有需要的改变，然后选 择“Update All”来更新和重新计算所有的数据窗 口。 单个曲线和文本窗口（非编辑器）也可以双 击窗口内的任意位置更新。
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
（具体的应用实例——视情况而定）
ZEMAX简介
美国ZEMAX Development Corporation研发
ZEMAX 是一套综合性的光学设计软件，集成了光 学系统所有的概念、设计、优化、分析、公差分析 和文件管理功能。ZEMAX所有的这些功能都有一个 直观的接口，它们具有功能强大、灵活、快速、容 易使用等优点。
或
Spt
Diffraction Standard
Analysis
此程序所选用积分程序不好，使要求取样网格点（Sampling）较多，计算时 间很长，使大像差系统的衍射积分不易算好。
所以这里没有算能量集中度 Enc 及Huygens Point Spread function, 为能 容易完成这类计算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一个波长，否则必须加大 Sampling 点数，增长时间。
• 对于Surface type 和Glass Catalogs，在User’s Guide 内都有一章叙述。
光学性能分析(Analysis)
பைடு நூலகம்
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，这基本 上是 Analysis 项目下的各种功能。
＊系统结构和光路图：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内是否存在显著错
rd 14 35.7 1.5 Bk7 21.5 100
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如何在Zemax下模拟单模光纤的光束耦合本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSS MicroOptics FC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。
如下图所示：供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e数值孔径0.14纤芯直径8.3μm模场直径@1.31μm 9.2±0.4μm微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920基片材料熔融石英基片厚度0.9mm内部透过率>0.99透镜直径240μm透镜节距250μm曲率半径330μm圆锥常数（Conic constant）0数值孔径0.17附件中的文件single mode coupler.zmx 是整个系统的Zemax文件。
请注意一下几点：物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。
后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化；透镜到像面的距离使用了Pick-up solve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。
既然两组透镜和光纤之间是完全一致的（在制造公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（either way round）；两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。
同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（float by stop size），而光阑设定在第一个透镜的后表面。
这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。
因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。
在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。
当心“数值孔径”的多种不同定义。
它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能是光强降低到1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光束倾角的正弦值，康宁便使用这种定义。
这些非常重要！孔径上定义了高斯切趾（Gaussian apodization），用来产生光束的高斯分布。
当前这只是一种近似，后面将会做进一步的精确的计算。
透镜孔径的大部分区域是衍射受限的光学质量的，并且被光纤模式照射到的区域是衍射受限的。
使用旁轴高斯光束计算GBPS旁轴高斯光束算法是最简单可以用来分析光纤耦合的分析方法。
不过，这种方法只能获得对系统性能初步的了解。
根据康宁的产品参数表，光纤在1.31μm波长下的模场直径为9.2±0.4μm。
因此，我们按照下图所示的情形设置旁轴高斯光束计算（Analysis>Physical Optics>Paraxial Gaussian Beam）：图中光束的束腰直径Waist总是相对于表面1来计算的，在本例中它和物面出于同一个位置。
因此，高斯光束的束腰直径4.6μm就位于源光纤的位置。
光束然后传输经过光学系统。
从上图我们可以看出表面3上的1/e2光束直径是65μm，而表面4是70μm。
这些表面的实际的物理半口径为120μm。
也就是说大约两个光束直径以外的光将会被阻隔掉。
另外需要注意的是像面并非位于光束最佳聚焦聚焦点处：像面处光斑的大小为5.3μm，而其实根据系统的对称性的假定，高斯束腰直径应该是4.6μm。
我们将会优化表面1的厚度（同时也会通过Pick-up solve来控制表面5的厚度）来改进这些。
请注意表面5的厚度是通过Pick-up solve来控制的，因为我们希望系统倒过来使用时也能得到同样的耦合效果：我们使用了完全相同的两组光纤和透镜（在制造公差范围内），因而我们期望最好的系统是输入输出互易的。
Zemax中有一项优化操作数（operand）GBPS，指的是旁轴高斯光束尺寸，可以用来优化光纤和耦合镜头之间的距离。
根据系统的上述对称性，我们知道，高斯光束束腰的最佳尺寸是4.6μm，因此，优化函数就只有简单的一行，如下图：优化后给出的光纤到透镜之间的距离为0.117mm，下面是相应的旁轴高斯光束的数据：上述便是旁轴高斯光束计算所能给我们提供的信息。
相关的Zemax文件为after Gaussian optimization.zmx。
返回目录使用单模光纤耦合计算单模光纤耦合计算方法（位于Analysis>Calculations>Fiber Coupling Efficiency）提供了更加有力的用来分析具有高斯分布的光纤模式的能力。
它会执行两种计算：能量传输计算（energy transport calculation）和模式匹配计算（mode matching calculation）。
系统效率（system efficiency：S）是用通过入瞳（entrance pupil）的所有光能量，并且考虑了渐晕（vignetting）和偏振光传输情况下，经过系统之后的能量的总和除以从光纤辐射的所有能量得到的：这里Fs(x,y)指的是源光纤的振幅函数，分子是仅在光学系统的入瞳处的积分，而t(x,y)是光学系统的振幅传输函数。
传输过程受到体吸收和光学镀膜（打开偏振传输的情况下）的影响。
光学系统中的像差所引起的位相差也会影响光纤的耦合效率。
当向接收光纤传输的汇聚波前的各个点上的模式完全和光纤的模式（包括振幅和位相）想匹配的时候，耦合效率达到最大。
它的数学描述是通过光纤和波前振幅之间的重叠积分（overlap integral）来定义的：这里Fr(x,y)用来描述接收光纤复振幅函数，W(x,y)是光学系统出瞳处的波前的复振幅函数，而符号' 代表了复数共轭操作。
注意这些函数都是复数形式的，因而这个表达式是相干重叠积分。
T的最大值为1.0，并且随着光纤的振幅和位相和波前振幅位相之间的失配的增加而降低。
Zemax会计算上述的S和T的值。
总的功率耦合效率也是从这些数据得来的。
Zemax也会计算理论上的最大耦合效率，这个计算是在忽略了像差但是考虑模式的渐晕、传输和其他振幅失配因素之后得来的。
在计算中，源光纤模式和接收光纤模式是通过高斯光束的数值孔径NA（定义为物方或者像方的介质折射率和光束上功率降到1/e2处的半张角的正弦的乘积）这个角度可以通过下面两种方法计算获得：通过高斯光束计算得来的发散角，使用模场直径来定义光束束腰直径（参见本文前面的计算）；根据康宁产品参数表中提供的1%功率处的NA计算得到1/e2处的数值孔径。
通常，NA大约为0.09，因此耦合效率的计算设置如下图所示：得到的计算结果如下：我们也可以一行优化函数来优化系统的耦合效率，该操作数为FICL：经过几个优化循环之后，光纤到透镜的距离变成了0.11mm（而在旁轴高斯光束计算中为0.117），详细的结果如下：注意一下几点：系统耦合效率（system efficiency）并未显著改变，因为这主要是由表面的孔径和模式尺寸决定的，而轻微的离焦对其的影响并不大；接收端耦合效率（Receiver efficiency）得到了提升，因为重新聚焦使得源光纤模式在经过系统传输之后更好地和接收光纤的模式匹配；最大耦合效率（maximum efficiency）可以通过述方法得到下提升：增加非球面，增加额外的表面等等。
本例中，这个耦合效率基本达到了极限。
本节使用的zemax源文件为after FICL optimization.zmx返回目录使用物理光学计算（Using the phsical optics calculation）运用物理光学传输算法可以极大的扩展单模光纤耦合计算。
类似地，耦合效率依然使用重叠积分进行计算，但采用POP有以下几点好处：可以定义任何复杂模式，而不仅限于高斯模式；当已知接收光纤的模式时，光纤耦合重叠积分可以在任何一个表面上计算，这包括当不仅限于代表光纤的表面；外部程序，比如光束传输（Beam Propagation和时域有限差分方法（Finite-Difference-Time Domain）代码，通过.zbf 文件格式或者DLL接口，可用来计算光纤（或者任何集成光学元件）的模式结构，并且可以将其表达成合适的复杂振幅分布函数的形式。
关于这一点，可以参看这篇文章；由于光束通过孔径传输的衍射效应或者远距离传输产生的衍射效应也可以得到准确的模拟。
POP计算可以通过以下窗口设置，点击Analysis>PhysicalOptics>PhysicalOptics Propagation打开设置窗口：以上设置了表面1上的束腰半口径为4.6μm的高斯模式，并且经过系统传输至像面，在像面上我们使用完全相同的模式来计算重叠积分。
在光束的参数设置表中，我们采用了256×256的采样率，然后需要点击Auto按钮来设定合适的起始矩阵；物理光学窗口中关于光纤耦合的报告，可以参看下图中红色框选区域。
优化函数编辑器中的POPD 操作数可以给出所有的物理光学数据，这通常是更有用一些。
具体的关于POPD操作数的叙述可以参考用户手册中的优化那一章。
POPD操作数直接调用先前保存的POP Analysis窗口中的设置，因此，在优化之前先要去设置一下这些参数。
POPD数据（通过优化函数得到）描述Description 数值0 Total Fiber Coupling 0.9941 System Efficiency 0.9982 Receiver Efficiency 0.99610 Pilot Beam Waist 4.57μm23 Effective Beam Width 4.84μm26 M2 1.082位相是你需要关注的最有用的信息，因为Irradiance Profile几乎是理想的高斯形（M2为1.082）。
接收端的模式实际上在每个地方都几乎为零，因此位相也直接告诉我们模式失配的程度。
要显示位相信息，打开POP设置窗口的显示（Display）那一栏，按照下图所示的方式设置：注意位相图的抛物线和四次曲线的形状，这等价于聚焦和球差。
另外也要注意透镜边缘对位相曲线产生的影响。
根据系统的效率（System efficiency），我们知道由于透镜外相尺寸的限制，系统约有小于1%的能量损耗。
如果我们进一步对光纤耦合效率进行优化（记住光纤和透镜的距离是唯一的变量），我们可以得到少量的提升：光纤耦合效率并未得到显著提升，这是因为位相差产生的位置对应的能量非常低：{上图可以通过下述方法得到：从POP窗口中输出cross-section形式的irradiance图，然后克隆它（windows>clone），然后将克隆后的窗口设置成显示位相，而非光强，介质在windows菜单中选择overlay...将这两个曲线重叠成上图的样子。