ZEMAX实验
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
谷值。 4、 点扩散函数(PSF)和包围圆能量(Encircled Energy)
（1）Huygens PSF 表示了像面上点扩散函数的二维分布情况，并说明了点像的分布范围， 图中左下方给出了斯特列尔比（STREHL RATIO）S.D.。
（2）Diffraction Encircled Energy 为包围圆能量图，横坐标为圆半径，纵坐标为在对应圆范围内光能量占总光能
左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线 纵坐标为视场 横坐标左图是场曲，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)（快捷钮 Ray） 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)
一般小视场光学系统（2ω<80°） 0、0.707、1.0 中等视场光学系统（80°<2ω<140°） 0、0.5、0.707、0.866、1.0 大视场光学系统（2ω>140°） 0、0.3、0.5、0.7、0.85、1.0
视场权重：默认为 1，最后根据需要不断修改。
（4）Wav(Wavelength Data 波长) 波长对话框用于设置波长、权重和主波长。ZEMAX 也提供已经选择好的波长，可以通过
下拉菜单选择。（select 一般选 Fdc 的 visible）
例： 牛顿望远镜
牛顿式由一个抛物面主镜和一块与光轴成 45°的平面反射镜构成，如图所示。抛物面能 使无限远的轴上点在它的焦点Ｆ′成一个理想的像点。第二个平面反射镜同样能理想成像。
焦距 f=1000mm D/f=1/5（即 D=200） R 拦=40mm
一、实验目的 了解 zemax 评价函数的功能，掌握常用的评价函数
二、zemax 评价函数简介 zemax 提供了近 300 种优化设计操作符（operator），分别代表光学系统设计中所要
求光学特性、象差以及一些约束和目标。
图 3-1 Merit Function Editor 窗口界面 MFE 表头式样如图 3-1 所示。表中 Oper#表示由 zemax 自动产生的操作符所处的位序；
与单个面有关的数据。常用的选项有以下几个： 1)Aperture(孔径) 系统孔径表示在光轴上通过系统的光束大小。要设置系统孔径，需要定义系统孔径类
型和系统孔径值。 Aperture Type： Entrance Pupil Diameter(入瞳直径) Image Space F/#(像空间 F/#) Object Space Numerical Aperture(物空间数值孔径) Float By Stop Size(随光阑浮动) Paraxial Working F/#(近轴工作 F/#) Object Cone Angle(物方锥角)
输入反射式物镜时，需注意以下几点： （1）反射镜的半径和其焦距有以下关系：
f =r/2（即 r=2000） （2）如果反射面为非球面需对 Conic 数值进行修改。（本题-1）
Conic 是非球面二次曲面系数 Conic = 0 ——球面 -1<Conic<0——主轴在光轴上的椭球面 Conic = -1 —— 抛物面 Conic < -1 ——双曲面
2、初始性能评价 结构调整完成后，看 spt 点列图和 mtf 曲线。由于要求考察 67.5 线处的 mtf 值，将
MTF 最大频率设为 68 线对。从图中可看出，系统成像质量较差，需要进行优化。
3.、优化 优化前需要设置评价函数。选择“Merit function Editor”中的“Default Merit
zemax 基本操作要点
（1）镜头参数输入：在 zemax 中，对镜头参数输入有如下约定： 1）透镜表面个数（面数） 2）符号规则： 曲率半径 r：如曲率中心位于镜片表面右侧，则曲率半径为正；反之为负 厚度 d：如下一表面位于当前表面的右侧，则两表面之间的厚度为正；否则为负
(2)Gen(General Lens Data 通用) 这个按钮用于调用系统数据对话框，它用来定义作为整个系统的公共数据，而不是仅仅
（3）反射镜材料为 MIRROR。 （4）反射和没反射时的光程不变。（即加一个面，厚度分为 800,200） （5）使用 Add Fold Mirror，增加反射面。（45°）
（ 之后加拦光 Stop 前加一个面，厚度大于 800 的正整数 此面的 standard 双击打开，找到 Aperture 下 修改孔类型 Aperture Type 为环形拦光 Circle Obscuration ）
的百分比，根据占总光能 30%所对应的圆半径，即可分析得到系统的分辨率极限。 5、传递函数 MTF（快捷钮 MTF）
定义调制传递函数 MTF 为： 一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。 横坐标是空间频率 lp/mm（每毫米线对），纵坐标是对比度，最大为 1。 曲线曲线越高，表明成像质量越好。
zemax 评价函数
Type 表示操作符的名称，由 4 个大写字母组成；Target 用于定义操作符的目标值；Weight 用于定义操作符的权因子；Value 由 zemax 自动计算出的该操作符实际值；%Contrib 由 zemax 自动根据该操作符的目标值与实际值偏差极小值为 0，贡献量大小决定了该操作符控制的象 差被优化设计优先满足的程度。
zemax 设计应用实例--三片式照相物镜设计 一、实验目的：利用 zemax 软件具体设计一个照相物镜。 二、实验要求：系统焦距 f'=9mm，F#=4，2w=40°。要求所有视场在 67.51p/mm 处的 MTF>0.3。 三、设计步骤： 1.系统建模 从光学设计手册中选取了一个三片式照相物镜作为初始结构，见下表
2)Ray Aiming(光线校准) 如果光线校准关闭，ZEMAX 将会以光线充满入瞳为来确定进入系统的光线方向以
及能量大小。 当 Ray Aiming 分别为 Paraxial 和 Real 时，光线分别按照近轴和实际光线追迹方
式。光线充满光阑 Stop 面。 *Ray aiming 使用前应通过 Analysis——Fans——Pupils Aberration 先查看一
下入瞳象差 *当系统的 F/#较小时，使用 Paraxial Ray Aiming 会引起较大的误差，应使用 Real
Ray Aiming。 （3）Fie(Field Data 视场)
视场对话框可以确定视场点。视场可以用 Angle(角度)、Object Height(物高)、Paraxial Height(近轴像高)、Real Image Height(实际像高)这几种方式描述，具体情况根据系统特点 选择。 设计视场的选择
差特征，几种色斑的分开程度如何等。 3、 波像差
（1）光程差曲线(OPD Fan)（快捷钮 Opt） 表示每个视场的子午和弧矢方向上的光程差。 横坐标表示光束孔径大小，纵坐标表示光程差。
（2）波面三维图(Wavefront Map) 此图是设定视场和色光的波像差三维分布图，下方表格中的数字给出了波差的峰
三、zemax 评价函数中的操作符 为选用的操作符构件评价函数元素方便，下面按分类介绍 zemax 提供的操作符中部分
常用的符号和所代表的意义。
1、基本光学特性参数控制操作符 EFFl：Effective focal length 缩写，表示指定波长（Wave）的有效焦距值，以 透镜长度单位（lens unit，毫米或英寸）为单位。Wave 为指定波长编号。 2、象差控制操作符 LONA：轴上点指定 Wave、孔径带（Zone）光线与光轴交点、沿 Z 方向与实际像面 之间轴向距离，即轴向象差，以 lens unit 为单位。 SPHA：指定 Wave、指定 surf 产生的初级球差贡献值，以主波长为单位。如果 Surf=0， 则为整个系统球差值。 AXCL：轴上点指定 Zone、指定波长（Minw，Maxw）间像点的间隔，即轴向色差，以 lens unit 为单位。对非近轴系统无效。 COMA：指定 Wave、指定 Surf 产生的初级彗差贡献值。对非近轴系统无效。 ASTI：指定 Wave、指定 Surf 产生的初级象散贡献值，以 lens unit 为单位。如果 Surf=0，则为整个系统象散值。对非近轴系统无效。 FCUR：指定 Wave、指定 Surf 产生的初级场曲贡献值，以 lens unit 为单位。如果 Surf=0，则为整个系统场曲值。对非近轴系统无效。 FOGS：指定 Wave、（Hx，Hy）的细光束弧失场曲以 lens unit 为单位。对于非旋转 对称系统也适用。 FCGT：指定 Wave，（Hx，Hy）的细光束子午场曲，以 lens unit 为单位。对于非旋 转对称系统也适用。 DIST：指定 Wave、指定 Surf 产生的初级畸变贡献值，以 lens unit 为单位。如果 Surf=0，则为整个系统畸变值。 DIMX：指定 Wave、指定 Field 产生的相对畸变的绝对值的上限，即最大相对畸变值， 以百分数为单位。与 DIST 相似。如 Field=0，指最大的视场。注意，最大的畸变不一定总是 在最大视场出产生。该操作符对于非旋转对称系统可能无效。 LACL：指定（Minw，Maxw）主光线在像面上近轴交点沿 Y 方向的距离，即垂轴色差， 以 lens unit 为单位。对非近轴系统无效。 3、光学传递函数操作符 MTFA：指定采样密度（Samp），Wave，Field 和频率（Freq，以周期每毫米（lp/mm） 表示）的弧失和子午衍射调制传递函数的平均值。Samp=1 设置的采样密度，Samp=2 设置的采 样密度，等等。Wave=0 时代表复色光的 MTF 值。如果采样密度相对于 MTF 的计算精度过低， 则所有的操作符 MTF 都将得到零值。 MTFT：子午衍射调制传递函数值，参见 MTFA。 MTFS：弧失衍射调制传递函数值，参见 MTFA。 如果子午和弧失 MTF 都需要计算，则将他们操作符 MTFT 和 MTFS 放在相邻的行中， 他们将同时被计算。
ZEMAX 中的像质评价方法
1、 几何像差曲线（均在 Analysis-Miscellaneous-...） (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）(快捷钮 Fcd)
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)（快捷钮 Spt） 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
表面序号 1
半径 r（mm） 厚度 d（mm）
28.25
3.7 ZK5
玻璃 GLASS
2
-781.44 6.62
3
-42.885 1.48
F6
4
28.5
4.0
5
光阑
4.17
6
160.972 4.38
ZK11
7
-32.795
f'=74.98mm,F#=3.5,2w=56° 系统初始结构图
由于焦距与设计要求不符，所以进行焦距缩放。并把 F#改为 4，改视场。 第一个透镜口径不合理，出现前后两表面相交的情况。利用第一面的“Solves”求 解 功 能 ， 在 Thickness solve on surface 1 对 话 框 中 将 “ Solve type” 选 择 为 “ Edge Thickness”，并在“Thickness”输入 0.1。修改后结构如下。初始结构变为如下表。
（1）Huygens PSF 表示了像面上点扩散函数的二维分布情况，并说明了点像的分布范围， 图中左下方给出了斯特列尔比（STREHL RATIO）S.D.。
（2）Diffraction Encircled Energy 为包围圆能量图，横坐标为圆半径，纵坐标为在对应圆范围内光能量占总光能
左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线 纵坐标为视场 横坐标左图是场曲，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)（快捷钮 Ray） 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)
一般小视场光学系统（2ω<80°） 0、0.707、1.0 中等视场光学系统（80°<2ω<140°） 0、0.5、0.707、0.866、1.0 大视场光学系统（2ω>140°） 0、0.3、0.5、0.7、0.85、1.0
视场权重：默认为 1，最后根据需要不断修改。
（4）Wav(Wavelength Data 波长) 波长对话框用于设置波长、权重和主波长。ZEMAX 也提供已经选择好的波长，可以通过
下拉菜单选择。（select 一般选 Fdc 的 visible）
例： 牛顿望远镜
牛顿式由一个抛物面主镜和一块与光轴成 45°的平面反射镜构成，如图所示。抛物面能 使无限远的轴上点在它的焦点Ｆ′成一个理想的像点。第二个平面反射镜同样能理想成像。
焦距 f=1000mm D/f=1/5（即 D=200） R 拦=40mm
一、实验目的 了解 zemax 评价函数的功能，掌握常用的评价函数
二、zemax 评价函数简介 zemax 提供了近 300 种优化设计操作符（operator），分别代表光学系统设计中所要
求光学特性、象差以及一些约束和目标。
图 3-1 Merit Function Editor 窗口界面 MFE 表头式样如图 3-1 所示。表中 Oper#表示由 zemax 自动产生的操作符所处的位序；
与单个面有关的数据。常用的选项有以下几个： 1)Aperture(孔径) 系统孔径表示在光轴上通过系统的光束大小。要设置系统孔径，需要定义系统孔径类
型和系统孔径值。 Aperture Type： Entrance Pupil Diameter(入瞳直径) Image Space F/#(像空间 F/#) Object Space Numerical Aperture(物空间数值孔径) Float By Stop Size(随光阑浮动) Paraxial Working F/#(近轴工作 F/#) Object Cone Angle(物方锥角)
输入反射式物镜时，需注意以下几点： （1）反射镜的半径和其焦距有以下关系：
f =r/2（即 r=2000） （2）如果反射面为非球面需对 Conic 数值进行修改。（本题-1）
Conic 是非球面二次曲面系数 Conic = 0 ——球面 -1<Conic<0——主轴在光轴上的椭球面 Conic = -1 —— 抛物面 Conic < -1 ——双曲面
2、初始性能评价 结构调整完成后，看 spt 点列图和 mtf 曲线。由于要求考察 67.5 线处的 mtf 值，将
MTF 最大频率设为 68 线对。从图中可看出，系统成像质量较差，需要进行优化。
3.、优化 优化前需要设置评价函数。选择“Merit function Editor”中的“Default Merit
zemax 基本操作要点
（1）镜头参数输入：在 zemax 中，对镜头参数输入有如下约定： 1）透镜表面个数（面数） 2）符号规则： 曲率半径 r：如曲率中心位于镜片表面右侧，则曲率半径为正；反之为负 厚度 d：如下一表面位于当前表面的右侧，则两表面之间的厚度为正；否则为负
(2)Gen(General Lens Data 通用) 这个按钮用于调用系统数据对话框，它用来定义作为整个系统的公共数据，而不是仅仅
（3）反射镜材料为 MIRROR。 （4）反射和没反射时的光程不变。（即加一个面，厚度分为 800,200） （5）使用 Add Fold Mirror，增加反射面。（45°）
（ 之后加拦光 Stop 前加一个面，厚度大于 800 的正整数 此面的 standard 双击打开，找到 Aperture 下 修改孔类型 Aperture Type 为环形拦光 Circle Obscuration ）
的百分比，根据占总光能 30%所对应的圆半径，即可分析得到系统的分辨率极限。 5、传递函数 MTF（快捷钮 MTF）
定义调制传递函数 MTF 为： 一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。 横坐标是空间频率 lp/mm（每毫米线对），纵坐标是对比度，最大为 1。 曲线曲线越高，表明成像质量越好。
zemax 评价函数
Type 表示操作符的名称，由 4 个大写字母组成；Target 用于定义操作符的目标值；Weight 用于定义操作符的权因子；Value 由 zemax 自动计算出的该操作符实际值；%Contrib 由 zemax 自动根据该操作符的目标值与实际值偏差极小值为 0，贡献量大小决定了该操作符控制的象 差被优化设计优先满足的程度。
zemax 设计应用实例--三片式照相物镜设计 一、实验目的：利用 zemax 软件具体设计一个照相物镜。 二、实验要求：系统焦距 f'=9mm，F#=4，2w=40°。要求所有视场在 67.51p/mm 处的 MTF>0.3。 三、设计步骤： 1.系统建模 从光学设计手册中选取了一个三片式照相物镜作为初始结构，见下表
2)Ray Aiming(光线校准) 如果光线校准关闭，ZEMAX 将会以光线充满入瞳为来确定进入系统的光线方向以
及能量大小。 当 Ray Aiming 分别为 Paraxial 和 Real 时，光线分别按照近轴和实际光线追迹方
式。光线充满光阑 Stop 面。 *Ray aiming 使用前应通过 Analysis——Fans——Pupils Aberration 先查看一
下入瞳象差 *当系统的 F/#较小时，使用 Paraxial Ray Aiming 会引起较大的误差，应使用 Real
Ray Aiming。 （3）Fie(Field Data 视场)
视场对话框可以确定视场点。视场可以用 Angle(角度)、Object Height(物高)、Paraxial Height(近轴像高)、Real Image Height(实际像高)这几种方式描述，具体情况根据系统特点 选择。 设计视场的选择
差特征，几种色斑的分开程度如何等。 3、 波像差
（1）光程差曲线(OPD Fan)（快捷钮 Opt） 表示每个视场的子午和弧矢方向上的光程差。 横坐标表示光束孔径大小，纵坐标表示光程差。
（2）波面三维图(Wavefront Map) 此图是设定视场和色光的波像差三维分布图，下方表格中的数字给出了波差的峰
三、zemax 评价函数中的操作符 为选用的操作符构件评价函数元素方便，下面按分类介绍 zemax 提供的操作符中部分
常用的符号和所代表的意义。
1、基本光学特性参数控制操作符 EFFl：Effective focal length 缩写，表示指定波长（Wave）的有效焦距值，以 透镜长度单位（lens unit，毫米或英寸）为单位。Wave 为指定波长编号。 2、象差控制操作符 LONA：轴上点指定 Wave、孔径带（Zone）光线与光轴交点、沿 Z 方向与实际像面 之间轴向距离，即轴向象差，以 lens unit 为单位。 SPHA：指定 Wave、指定 surf 产生的初级球差贡献值，以主波长为单位。如果 Surf=0， 则为整个系统球差值。 AXCL：轴上点指定 Zone、指定波长（Minw，Maxw）间像点的间隔，即轴向色差，以 lens unit 为单位。对非近轴系统无效。 COMA：指定 Wave、指定 Surf 产生的初级彗差贡献值。对非近轴系统无效。 ASTI：指定 Wave、指定 Surf 产生的初级象散贡献值，以 lens unit 为单位。如果 Surf=0，则为整个系统象散值。对非近轴系统无效。 FCUR：指定 Wave、指定 Surf 产生的初级场曲贡献值，以 lens unit 为单位。如果 Surf=0，则为整个系统场曲值。对非近轴系统无效。 FOGS：指定 Wave、（Hx，Hy）的细光束弧失场曲以 lens unit 为单位。对于非旋转 对称系统也适用。 FCGT：指定 Wave，（Hx，Hy）的细光束子午场曲，以 lens unit 为单位。对于非旋 转对称系统也适用。 DIST：指定 Wave、指定 Surf 产生的初级畸变贡献值，以 lens unit 为单位。如果 Surf=0，则为整个系统畸变值。 DIMX：指定 Wave、指定 Field 产生的相对畸变的绝对值的上限，即最大相对畸变值， 以百分数为单位。与 DIST 相似。如 Field=0，指最大的视场。注意，最大的畸变不一定总是 在最大视场出产生。该操作符对于非旋转对称系统可能无效。 LACL：指定（Minw，Maxw）主光线在像面上近轴交点沿 Y 方向的距离，即垂轴色差， 以 lens unit 为单位。对非近轴系统无效。 3、光学传递函数操作符 MTFA：指定采样密度（Samp），Wave，Field 和频率（Freq，以周期每毫米（lp/mm） 表示）的弧失和子午衍射调制传递函数的平均值。Samp=1 设置的采样密度，Samp=2 设置的采 样密度，等等。Wave=0 时代表复色光的 MTF 值。如果采样密度相对于 MTF 的计算精度过低， 则所有的操作符 MTF 都将得到零值。 MTFT：子午衍射调制传递函数值，参见 MTFA。 MTFS：弧失衍射调制传递函数值，参见 MTFA。 如果子午和弧失 MTF 都需要计算，则将他们操作符 MTFT 和 MTFS 放在相邻的行中， 他们将同时被计算。
ZEMAX 中的像质评价方法
1、 几何像差曲线（均在 Analysis-Miscellaneous-...） (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）(快捷钮 Fcd)
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)（快捷钮 Spt） 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
表面序号 1
半径 r（mm） 厚度 d（mm）
28.25
3.7 ZK5
玻璃 GLASS
2
-781.44 6.62
3
-42.885 1.48
F6
4
28.5
4.0
5
光阑
4.17
6
160.972 4.38
ZK11
7
-32.795
f'=74.98mm,F#=3.5,2w=56° 系统初始结构图
由于焦距与设计要求不符，所以进行焦距缩放。并把 F#改为 4，改视场。 第一个透镜口径不合理，出现前后两表面相交的情况。利用第一面的“Solves”求 解 功 能 ， 在 Thickness solve on surface 1 对 话 框 中 将 “ Solve type” 选 择 为 “ Edge Thickness”，并在“Thickness”输入 0.1。修改后结构如下。初始结构变为如下表。