zemax实验

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)

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

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

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 = -1 —— 抛物面 Conic < -1 ——双曲面 （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 ）

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）(快捷钮Fcd) 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)

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

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；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。

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

表面序号 半径r（mm） 厚度d（mm） 玻璃GLASS 1 28.25 3.7 ZK5

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。

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 function”，选择评价函数构成为“PTV+Wavefront+Centroid”。将厚度边界条件设置为：Glass厚度最小值（Min）为0.5，最大值（Max）为10；Air厚度最小值（Min）为0.1，最大值（Max）100。边缘厚度（Edge）都设为0.1。

然后设置优化函数“EFFL、MTFT、MTFS”。 返回Lens Data Editor编辑窗口，为系统结构设置变量。将系统各表面半径（光阑面除外）都设为变量。也可将第二面厚度设为变量。

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