光学设计ZEMAX - 实验讲义 - 图文

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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

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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。

1.2 用户界面

ZEMAX的视窗类型，和Windows的基本一致，打开不同的视窗可以执行操作不同的任务，

可分为：

? 主视窗 （Main Window）

ZEMAX启动以后，进入主视窗（图1.1）。主视窗顶端有标题栏（title bar）、菜单栏（menu bar）和工具栏（tools bar）。

? 编辑视窗（Editor Window）

ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor），评价函数编辑器（Merit Function Editor）、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor）、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor）。

图1.1 ZEMAX主视窗界面

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? 图形视窗（Graphic Window）

最常用的有草图（Layout）、扇形图（Ray fans）、调制传递函数（MTF Plots）图等。 ? 文本视窗（Text Windows）

设计的文字资料，如详细数据（Prescription Data）、像差数据等显示在文本视窗中。 ? 对话框（Dialogs）

固定大小，在过程中跳出来的视窗（鼠标拖曳不能改变大小）。用于定义或更新视场（Fields）、波长（Wavelengths）、孔径（Apertures）、面型（Surface types）等。

1.3 主视窗的操作（Main Windows Operations）

主视窗在执行ZEMAX后显示出来，可以用鼠标拖动改变大小，如图1.1所示。上部有标题栏、菜单栏、快捷按钮。底部状态栏中显示当前镜头系统的焦距（EFFL）、F数（WFNO）、入瞳直径（ENPD）、系统总长（TOTR）。

主视窗中的快捷按钮和状态栏中内容可以自定义，菜单栏中有： ? 文件（File）

展开后有文件的打开（Open），新建（New），存储（Save），另存为（Save as）等，偏好（Preference）可以修改文字大小，快捷按钮和状态栏中的内容。

? 编辑器（Editors）

栏中包括ZEMAX中所有编辑器命令，展开后可打开Lens data editor，Merit function editor。 ? 系统（System）

定义或更新光学系统的光学特性数据，例如相对孔径、视场和选取的工作波长等。 ? 分析（Analysis）

它是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，是用来进行像质评价和分析的主要工具，对于其中的每一项的数据的含义，单位要很好地理解。主要有：Fans中的球差（Ray aberration），点列图（Spot diagrams）、调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）、波像差（Wavefront）、圆内能量集中度（Encircled Energy）；杂项（Miscellaneous）中的场曲与畸变（Field Curv/Dist）、轴向球差（Longitudinal aberration）和垂轴色差（Lateral Color）。

? 工具（Tools）

也是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，分成七块：第一块用来进行光学镜头的局部优化（Optimization）、全局优化（Global / Search /Hammer Optimization）等；第二块分析镜头的公差，计算传递函数的点列图，波差等变化量表。第三块是材料选择，有察勘玻璃库或向库中新增添或删除玻璃条目，寻找简单的透镜数据并插入到透镜数据编辑器中。第四块是镀膜模型。

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第五块是系统中镜头的孔径的定义，可以与渐晕系数配合共同使用。第六块主要用来整体设计(1)按焦距或放大率缩放当前系统；(2)在当前系统中加入或删除折转发射镜。第七块以后讨论。

? 报告（Report）

形成镜头设计结果的报告，可以作为每一个光学面的形成报告（Surface data）；也能为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告（System data）；还可以给出设计结果的详细数据报告（Prescription data）。

? 宏编程（Macros）

执行已经编译好的宏程序。宏程序的编程过程：（1）使用一般的文本编辑器或使用ZEMAX自身的编辑功能创建扩展名为“*.ZPL”文件，该文件置于ZEMAX目录下的Macros目录中；（2）使用ZEMAX提供的命名或函数库进行程序编写；（3）用Macros菜单下的“Run/Edit Zpl Macros…”执行宏程序。宏程序可以提取光线追迹数据、像质指标等，可以定义新的优化设计用的操作符。执行时，宏程序作用的对象是当前显示的镜头系统。

? 外部程序接口（Extensions）

ZEMAX环境中，使用该接口可以执行外部扩展名为“*.EXE”的执行程序，用来与ZEMAX交换数据，或ZPL宏不能完成的功能。外部程序可以用C语言等编程工具完成。

? 视窗（Windows）与帮助（Help）菜单

1.4 光学系统的建立

1.4.1 设计要求

如要设计的系统要求：f’ = 200 mm，视场角 2ω = 30o，D/f’＝1/10。物距为：（1）物距位于有限远，近轴放大率为1；（2）物距位于无限远。 1.4.2 初始结构 1. 选取方法

初始结构选取方法有二，一是从国内外的光学设计手册，专利，镜头数据库中选取；如果手中没有以上资源，则需进行计算，找出满足光焦度，视场等光学特性要求得雏形，来作为初始结构。下面以第二种方法为例，建立起满足特性的初始结构。 2. 计算建立初始结构

由总光焦度和视场要求：至少要有两个组份构成，有总光焦度

?＝?F＋?B－d?F?B （1.1）

设两组分光焦度相等，即?F＝?B，则（1.1）式变为

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