学习：ZEMAX序列工作模式

ZEMAX的序列工作模式简介

本资料的主要内容包括： ? Layouts (外形图) ? Spot Diagrams (点列图)

? Ray and Optical Path Difference (OPD) Fans (光线及光程差曲线) ? MTF (调制传递函数)的计算 ? 扩展光源的仿真 ? 离轴系统

? 系统孔径，视场，及波长数据 一、什么是序列光线追迹

在用光学软件模拟光通过光学系统的传播时，做光线追迹是一种常用的方法。通过光线追迹来模拟光的传播通常称为几何光学。

所谓的序列光线追迹，就是对光学面事先定义一个顺序，光线的传播按照从物面到像面的顺序进行，如按图1中的箭头方向。按照已定义好的顺序，光线与每个面只相交一次。这些按顺序排好的光学面可以充分反映成像系统的性质。序列光线追迹方法的数值运算速度非常块，特别适用于对系统的设计、优化和容差分析。这种方法还可以给出系统的ray fan plots(光线扇曲线)，做衍射计算，以及计算波前像差。

图1 序列模式下光线的有序传播

很多传统的光学系统都属于成像系统，包括摄影物镜、摄远镜头、显微镜、

望远镜、中继透镜和光谱仪。

二、ZEMAX的图形用户界面

第一次打开ZEMAX(无论是演示版还是完整的注册版)，用户看到的是main menu bar(主菜单栏)，button bar (按钮栏)，和Lens Data Editor (LDE，透镜数据编辑器)。

ZEMAX的所有功能都可以通过main menu bar上的各个菜单访问。其中的大部分功能可通过main menu bar下面的按钮栏访问，所指定的按钮可通过\Preferences\操作来改变。

按钮栏的下面是Lens Data Editor，其窗口可以移动，窗口大小也可变化。Lens Data Editor有Comments(注释), Radius(半径), Thickness(厚度), Glass(玻璃)， and Semi-Diameter(半口径，即径向无遮挡部分的口径)，和Conic constant(二次曲面系数)，其中后5项用于描述光学元件的主要特征。

Lens Data Editor的每一行对应一个光学面。各面有自己的局部坐标系统。各面沿光轴方向的位置是相对于前一面的。换句话讲，Lens Data Editor中的厚度是从前一面，而不是从全局参考点开始计算的。

按缺省设置，Lens Data Editor有3个面：物面，光阑，和像面。在Lens Data Editor最左侧的窄栏内，它们分别标志为OBJ, STO, 和 IMA。与该栏相邻的下一栏，描述的是面的类型，缺省类型为\面。ZEMAX中还有很多其它的类型。Conic constant栏以右的其他栏目用于设置高级表面类型的附加参数。

三、Layout(外形图)窗口

将文件菜单中的\项选中。这一选项的作用可以这样描述：在打开某个ZEMAX文件时，如果预先选择了\选项，并且在前一次保存这个文件前，打开了几个分析窗口，那么这次ZEMAX会自动打开这几个分析窗口。如果不选\选项，那么ZEMAX在打开文件时，因

不需打开分析窗口，因此打开文件的速度要明显地快一些。

从主菜单上，选择\>Open\，这时已进入缺省的Samples子目录，继续\Sequential > Objectives > Double Gauss 28 degree field.zmx\。这是一个常用的摄影物镜，由12个面组成，其中的第6面是光阑面(STO)。每个面都对应有Radius、Thickness、Glass和Semi-Diameter.参数项。

如果\项是选中的，在打开这个双高斯透镜时，Layout窗口会自动打开。外形图的作用就是让用户了解自己所设计的透镜的外观。

Layout窗口和其他窗口一样，可以移动，也可以改变大小。要改变该窗口的设置，从Layout窗口菜单栏单击\，用户可在接下来弹出的对话框中订制自己的Layout图设置。将\改成7，再选中\动词fletch是装上羽毛的意思，选中\Rays\选项光线上将出现箭头)，然后击\。现在Layout图已经有了变化，每个视场有7条光线，而不是原来的3条。光线加上了表示传播方向的箭头。在ZEMAX中，要改变任何一个窗口的缺省设置都遵循这样一个基本过程。

如果期望能更加清晰地观察Layout窗口的内容，可把这个窗口放大。要放大图形任何一部分，按住鼠标左键，然后用鼠标拖过这部分图形即可。图形可放大许多倍，可显示惊人的细节。相反，要缩小图形，只需从Layout窗口的菜单栏执行\即可。

还可以从主菜单栏，通过\，打开其他类型的Layou图。也

可以在菜单栏上定义分析曲线的快捷键。例如，单击按钮栏上的\按钮，可以打开2D layout图，也就是我们刚刚看过的那一种。 注：要关闭任何一个打开的窗口，可单击窗口右上角的\。

四、Spot diagram analysis(点列图分析)

ZEMAX能生成很多其他类型的分析窗口。

如果选中了\，在打开上述双高斯透镜文件的时候，还会打开一个Matrix Spot Diagram(点列图)。该分析窗口描述的是在不同的视场和波长相组合的条件所产生的spot。

还有几种其他类型的spot图。要打开Standard Spot Diagram，从主菜单上选择\。双高斯透镜的spot diagram马上出现在窗口中。

现在单击Spot Diagram窗口的\。注意settings对话框中的\选项设为了Hexapolar。Pattern选项描述从物面向入瞳发出的光线的分布结构。Hexapolar是入瞳面上缺省的光线分布。现在从下拉菜单中选择\来取代原来的Hexapolar。然后击\关闭对话框。此时，spot diagram发生了变化，由原来的六角形，变为了伪随机型。

注：用右键单击某一窗口，即可打开该窗口的Settings对话框。

五、Ray and OPD fan (光线的OPD扇分析)

要在ZEMAX中观察光学系统的几何像差，可利用ZEMAX的ray aberration和optical path difference fan分析功能。具体方法就是从主菜单上击\> Fans\

现在，\，打开光线扇曲线窗口。该窗口描给的是在每一视场和每一波长下，子午和弧矢方向的光线扇像差曲线。

除光线像差外，ZEMAX还能给出波前像差曲线。这种分析曲线称为OPD(光程差)曲线。从主菜单上，执行\，就可打开OPD曲线。ZEMAX能给出在各视和各波长条件下的波前像差曲线。

注：很多分析曲线支持激活的光标，即当光标在图形上移动时，在图形窗口的标题栏将显示光标的坐标。可在OPD或Ray Fan窗口尝试一下这上功能。

六、MTF分析

ZEMAX还具备复杂的衍射分析功能。

从主菜单栏选择\，打开文件\Cooke 40 degree field.zmx\。这是一个简单的三合物镜。

注：也可用按钮栏上的\按钮来打开文件。

要观察这个三合透镜的MTF，从主菜单栏上选择\MTF\，或者直接在按钮栏击\按钮。所谓的MTF曲线是指用FFT(快速傅里叶变换)方法绘出的横坐标是空间频率，纵坐标是各视场条件的子午或弧矢响应。ZEMAX也能给出基于Huygen's积分的MTF曲线。

要观察这个三合透镜的衍射极限MTF，可击FFT MTF窗口菜单栏的\，然后选中\框，再击\。这样在曲线上就添加了衍射极限。

七、扩展光源的仿真

在ZEMAX中，可利用其Geometric Image Analysis(几何图像分析)功能来模拟光源。这项功能可用于分析以物面上任意一点为中心的二维扩展光源的有效分辨率，显示其畸变，计算其几何效率。

我们可利用这个三合透镜来检验ZEMAX的图像分析能力。从菜单栏击\，来打开Geometric Image Analysis窗口。窗口当中将出现一个类似字母\的曲线(这就是缺省的扩展光源)。

下面要调出一个格栅图像来代替这个字母\。击Geometric Image Analysis菜单栏的\，将\改为GRID.IMA。用户要了解用于产生扩展光源

的IMA格式的细节，可参阅ZEMAX用户手册。在这个Geometric Image Analysis窗口下，也可将\选项改为False Color(假彩色)。False Color选项的作用是模拟在像元数量有限的探测器上的图像。击\，以便在这些新设置下重新对图像进行分析。

ZEMAX还有Geometric Bitmap Image Analysis分析功能，它与Geometric Bitmap Image Analysis功能类似，不同的是，它采用标准的Windows bitmaps (BMP)文件作为光源。在这项功能下，ZEMAX分别用红、绿、蓝三个波长对像面上或其他面上的探测器像元进行追迹，从而产生RGB图像。如果是对光谱的其他部分进行分析，也可选择其他三个波长。这一功能可用于分析照片效果的图像，或以bitmap格式产生和存储的定制目标。

打开Geometric Bitmap Image Analysis窗口，并做如下设置：在\栏选择ALEX200.BMP.，将\和\改为100(作用是增大像面上像元的数量)，将\和 \改为0.5(作用是减小每个像元的尺寸)。最后将\改为 100(作用是增加被追迹光线的数量)。

ZEMAX还有Diffraction Image Analysis功能，它与Geometric Image Analysis功能类似，所不同的是，它的分析对象是衍射图像。Diffraction Image Analysis所使用的图像文件格式与Geometric Image Analysis的图像格式相同。将理想图像转换到频域，将它与光学传递函数相乘。然后再把它转换回空域，回到像面上，产生一幅衍射图像。ZEMAX的这一功能可用于分析这样的小图像：在整个视场内，MTF是常数，衍射效应使得图像变得模糊。为了增加衍射图像的分辨率和像元数量，可对图像做Over-sampling 和 zero-padding，而不必重新定义图像文件。

打开Diffraction Image Analysis窗口，并对设置做如下更改：将\减小为0.01(作用是减小扩展光源的尺寸)；将\改为10 X(作用是加大扩展光源的分辨率)。然后击“OK”开始分析。

八、离轴系统

ZEMAX也能模拟离轴的光学系统，例如加有折叠反射镜，或倾斜元件，或离轴圆锥反射面的系统。

打开文件\

mirror.zmx\，这是一个折叠反射镜，用户可以观察它的3D外形图，其反射镜面(surface 3)是倾斜的，此面之后的光束路径发生转折。

在该系统中，反射镜的倾斜是通过将某两个面的类型设为\实现的。在LDE中单surface 2所在行的任意位置。用键盘上的?键移动光标，经过Conic栏后，用户会看到decenter和tilt栏。注意在这个例子当中，其Tilt About X参数设成了10，其作用就是使反射镜绕X轴旋转10度。

现在打开文件\，这是一个由两个圆锥反射面组成的望远镜。从其Shaded Model外形图上可见，它的主镜和次镜都用Coordinate Break实现了倾斜。结果使次镜(surface 5)偏离了初始的光束路径，从而避免主镜对次镜造成遮挡。

注：在LED中选择一个面(用鼠标单击该面)，外形图上该面就将以高亮显示。在上面的Shaded Mode外形图中，主镜(surface 4)是以高亮显示的。

在这个望远镜中，主镜是一个离轴锥面，它的离心孔径与入射光束相对准。在LDE中双击surface 4的\栏，结果是打开了surface 4的Surface Properties对话框。再单击其\标志，观察Aperture type栏设成了离心的Circular Aperture。

如果用户希望进一步了解用ZEMAX模拟离轴光学系统的有关知识，可阅读ZEMAX主页上的文章\How to Tilt and Decenter a Sequential Optical Component\。 九、系统孔径、视场和波长数据

每个光学系统都有一个对系统孔径的要求，它可以定义成F/#，入瞳直径，数值孔径，也可以是圆锥角。这个参数规定在物空间，光学系统接收到的轴上光束的宽度。在ZEMAX中，这个数据是在General对话框，Aperture栏内定义的。可通过主菜单访问，\，可直接击按钮栏的\按钮。

光学系统的视场规定发出光线的物面的大小，可通过Field Data对话框定义，从主菜单\进入，或从按钮栏直接\。

在ZEMAX中，规定被追迹光线的波长是在Wavelength Data对话框进行的，可从主菜单\访问，可直接在按钮栏\。

十、进一步的探讨

如果希望了解ZEMAX序列模式的其它功能，可打开Sequential文件夹中的其他例子。打开这些例子后，可从主菜单上尝试其他的分析路径。

在学习使用ZEMAX的过程中，用户手册和Help将会给用户提供很大帮助。它们都可从主菜单上调出。

如果有需要，用户还可阅读以下文章：

Exploring Physical Optics Propagation in ZEMAX

Exploring Non-Sequential Mode in ZEMAX

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hhrt.html