光设ZEMAX实验讲义.docx

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光设ZEMAX实验讲义

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第一章ZEMAX软件简介

1.1简介

ZEMAXOpticalDesignProgram（ZEMAX）是由美国ZeMaXDevelopmentCorporation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（MainWindow）

ZEMAX启动以后，进入主视窗（图1.1）。

主视窗顶端有标题栏（titlebar）、菜单栏（menubar）和工具栏（toolsbar）。

◆编辑视窗（EditorWindow）

ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：

即镜头数据编辑器（LensDataEditor），评价函数编辑器（MeritFunctionEditor）、多重组态编辑器（Multi-configurationEditor）、公差数据编辑器（ToleranceDataEditor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（ExtraDataEditor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequentialComponentsEditor）。

图1.1ZEMAX主视窗界面

◆图形视窗（GraphicWindow）

最常用的有草图（Layout）、扇形图（Rayfans）、调制传递函数（MTFPlots）图等。

◆文本视窗（TextWindows）

设计的文字资料，如详细数据（PrescriptionData）、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（Surfacetypes）等。

1.3主视窗的操作（MainWindowsOperations）

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（Saveas）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Lensdataeditor，Meritfunctioneditor。

◆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（Rayaberration），点列图（Spotdiagrams）、调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）、波像差（Wavefront）、圆内能量集中度（EncircledEnergy）；杂项（Miscellaneous）中的场曲与畸变（FieldCurv/Dist）、轴向球差（Longitudinalaberration）和垂轴色差（LateralColor）。

◆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/HammerOptimization）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。

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（Surfacedata）；也能为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告（Systemdata）；还可以给出设计结果的详细数据报告（Prescriptiondata）。

◆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/EditZplMacros…”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’=200mm，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

（1.1）

设两组分光焦度相等，即

，则（1.1）式变为

（1.2）

式（1.2）中

为已知量，

为未知量，解二次方程可得：

（1.3）

如果使用双凸透镜，且两个凸面曲率半径大小相等，则曲率半径为：

（1.4）

代入设计要求，选择透镜材料为ZF1（nd＝1.64767，vd＝33.87），工作波长为λ＝0.55μm，则初始结构在ZEMAX中的数据为：

表1.1例题的初始结构参数

1.4.3其他光学特性参数输入方法

1．General输入相对孔径

General功能可以由“System”→“General…”选择，还可以通过桌面上“Gen”快捷键来打开，General对话框如图1.2所示。

图1.2General对话框

由图1.2可以看出，General对话框中具有Environment，Polarization，Misc.，Non-Sequential，Aperture，Title/Notes，GlassCatalogs，RayAiming等项。

相对孔径的定义在Aperture中设置。

最常用的选项解释如下：

A.Aperture

ApertureType用于定义相对孔径，即轴上物点的光束大小。

定义的种类有：

（1）EntrancePupilDiameter（入瞳直径）

当物体位于无限远时，可以用它来定义相对孔径，此时的AperValue中输入具体的入瞳直径数值，选择LensUnits为Millimeter（毫米）。

（2）ImageSpaceF/#（像方F数）

无论物体位于无限远还是有限远，都可以用像方F数来定义相对孔径。

其物理意义是“近轴有效焦距（EFFL）/入瞳直径”，此时在AperValue中输入F数。

（3）ObjectSpaceNumericalAperture（物方数值孔径）

当物体位于有限远，可被用来定义相对孔径，其含义为N.A.＝nSin（θ），n为物方介质折射率，θ为高斯边缘光线孔径角，如图1.3所示。

图1.3OblectSpaceN.A.示意图

在AperValue中输入N.A.值。

（4）FloatbyStopSize（由光阑大小决定）

这是定义轴上物点光束孔径的另一种方法，由LensdataEditor中光阑（Stop）面的“Semi-Diameter”大小来决定，此时“LensDataEditor”中的光阑大小值右边显示“U”，表示StopSurface的孔径被用户固定，无法给出Aperture，数值输入栏则自动变暗不能被操作。

（5）ParaxialWorkingF/#（近轴工作F数）

定义式为：

（1.5）

式中

为系统像方折射率，θ为高斯边缘像方光线孔径角。

在计算θ过程中，认为系统无像差，按照理想系统的边缘光线追迹方法。

在AperValue中输入F数，注意前面的ImageSpaceF/#区别。

（6）ObjectConeAngle（物方锥角）

亦物方孔径角。

当物体位于有限远，可用轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔径，以物空间边缘光线的半角，即图1.4中的U来定义，单位“度”，可以大于90º。

图1.4OblectConeAngle定义示意图

B.General对话框中其他功能

（1）ApodizationType（定义光瞳上光强分布）

选项有：

a）None表示光瞳被均匀照明；

b）Gaussian表示光瞳上光振幅扰动为高斯型，即：

（1.6）

其中ρ为光瞳归一化极坐标，G为切趾（Apodization）因子，如果G＝0，表示光瞳被均匀照明，G一般小于40。

c）Tangential表示正切型光瞳振幅分布，即：

（1.7）

其中Z为光瞳面上面元到点光源的距离，r为光瞳面上的位置坐标（离开光轴的距离），如图1.5所示，光瞳中心（轴上）为0，最大值一般被归一化为单位1。

图1.5正切型照明示意图

光振幅

，如r采用归一化的坐标

，有0<ρ<1，H为光瞳半径。

此时

为（1.8），其中tanθ＝

（1.8）

（2）GlassCatalogs（玻璃库）

ZEMAX提供了德国的Schott、日本Hoya、Ohara、美国Corning等玻璃生产厂商的玻璃库，还有红外、塑料材料（PMMA）、双折射晶体材料等内建玻璃库。

如光学设计中，要选用中国玻璃库，有两种方法：

a）使用LenDataEditor视窗中Glass栏的Model功能，输入νd，nd即可；

b）导入中国玻璃库Chinaglass库文件到玻璃库数据库中，直接调用。

（3）RayAiming

适用于大视场镜头设计中，确保主光线通过孔径光阑的中心。

选项有：

◆NoRayAiming

这是ZEMAX预设选项,表示不进行光线瞄准，此时ZEMAX认为光瞳无像差。

对于中等视场的光学系统，可以用磁此项。

但是对于大相对孔径或大视场光学系统，会存在严重的光阑像差，光阑像差的表现为：

（a）光瞳位置随视场值变化；（b）光瞳边缘发生变形。

◆Aimtoaberrated（real）stopheight

对于大视场光学系统，通常用此选项，用于消除光阑像差。

含义是：

瞄准有像差时的孔径光阑高度。

选用该选项后，ZEMAX计算像差，孔径光阑大小有来自物面中心的主波长边缘光线在光阑面上的交点决定。

然后适用迭代法追迹光线，找出一根经过孔径光阑中心的光线（此时不一定经过入瞳或岀瞳中心，但经过像差校正后，也会同时经过入瞳、岀瞳的中心），作为主光线。

◆Aimtounaberrated（paraxial）stopheight

该选项与前一选项的明显区别，在于该项假设镜头系统没有像差，使用理想情况下的近光线追迹来瞄准光阑中心，优点是计算时间短。

2．Fields对话框中定义视场

通过System→Fields…可以打开视场定义对话框，如图1.6，首先给出了视场种类定义的四个选项：

角度（视场角）、物高、近轴像高和实际像高。

其中视场角单位为度，线视场的单位为ZEMAX选择的LensUnits，一般为毫米（mm）。

接下来，给出最多为12的视场序号，即最多可定义12个视场，X-Field与Y-Field同时选用，适用于非旋转对称光学系统；对于旋转对称系统，一般仅在Y-Field栏中输入数据，定义子午面内的视场。

Weight用于定义各个视场的权重。

对于大视场光学系统，一般要考虑渐晕现象，有渐晕系数来描述。

ZEMAX提供了4个参数，即VDX、VDY、VCX和VCY来描述渐晕现象，其中VDX、VDY用于定义光瞳中心位置的x,y偏心；VCX、VCY用来定义渐晕因子。

当VDX＝VDY=VCX=VCY=0，表示无渐晕现象，对于旋转对称系统，仅使用VDY与VCY即可。

如轴上物点光瞳归一化坐标为Px、Py，有渐晕时轴外光瞳归一化坐标为：

（1.9）

图1.6Fields定义对话框

例如，图1.7表示了旋转对称光学系统在偏心VDY=0.3，渐晕系数VCY=

的渐晕光瞳，其中H为轴上物点光瞳半径，o’a表示轴外物点光瞳渐晕时的子午面上的半径，此时，VDX=0，VDY=0.3，VCX=0，VCY=

。

图1.7渐晕定义示意图

考虑渐晕后，优点为：

（a）可以缩小透镜的口径，节省加工成本，（b）可以把引起严重轴外像差的光线去除掉（即选择光阑位置消除轴外像差）。

图1.6中底部“SetVig”按钮，由ZEMAX可自动设置渐晕系数。

在两种状态下可以自动设置渐晕系数：

（a）当LensdataEditors中，某一光学面的通光直径固定；

（b）使用Tools→ConvertSemi-DiameterstoFloatingApertures。

Save与Load对已经建好的视场数据，可以完成存储和调用，文件扩展名为“*.Fld”。

3．Wavelengths定义镜头工作波长

通过桌面上的快捷键“Wav”或“System→Wavelengths”打开“Wavelengths”对话框，可以定义最多12个波长（单位：

微米μm）。

典型波长的数据已经存储在对话框中，通过“Select”勾选，其中“Primary”定义主波长，用于考查镜头系统的单色像差。

4．前例中的光学特性数据的输入方法

（a）定义近轴工作F数（ParaxialworkingF-number）＝10，方法：

逐层选择“System→General…→Aperture→ParaxialworkingF-number”，在“AperValue”后面的数值框中输入“10”。

（b）定义半视场“0°,10.5°,15°”，逐层选择“System→Fields…→”对话框中，选择1,2,3视场序号，输入“Y-Field”分别为“0°,10.5°,15°”。

不定义“权重”与“渐晕因子”等。

（c）对有限远物距1000mm，在“LensDataEditors”中“Object”的“Thickness”输入1000，目前镜头系统的近轴放大率可能不为“－1.0”，输入恰当的有限远物距后，可经过优化设计，改变物距或改变结构参数以保证近轴放大率要求。

1.4.4ZEMAX中像质评价方法

图1.8光学系统草图

建立了初始结构如表1.1的镜头数据以及光学特性参数以后，可以用“Analysis→Layout→3DLayout”画出该结构的光学系统草图，如图1.8所示，由“3DLayout”可以检查输入数据是否存在错误，是否与预想的结构形式一样。

然后，可以运用ZEMAX的像质评价功能，对初始结构进行评价。

当然像质评价功能可以贯穿整个光学设计的中间过程和最终设计环节之中。

下面我们选取主要的像质评价指标，来说明指标的具体含义。

1.Fans

光学中的“Fans”，此处意为光扇图，与光学设计中的子午面和弧矢面的光线结构相对应。

由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内，形成子午扇形光线和弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可以统称为“Fans”。

因此，Fans描述的是子午与弧矢两个截面内的像差曲线图。

共有“RayAberration，OpticalPath和PupilAberration“三种：

◆RayAberration

垂轴表示的几何像差曲线。

由像质评价技术，独立的几何像差是按几何光线的空间结构来定义。

轴上有球差、高级球差两种单色像差；有轴向色差（一般取0.707孔径）、色球差、二级光谱三种色差；轴外有子午像差、弧矢像差与主光线像差。

子午面与弧矢面单色像差有：

场曲、慧差、像散，主光线像差有畸变、垂轴色差。

在考虑视场和孔径的高级像差时，种类更加繁多，有沿轴（或轴向）像差，每一种像差反映了几何光线在成像时的空间位置分布，如果镜头系统理想成像，所有的像差必须为零，数据量大，不利于总体掌握成像情况。

几何像差的垂轴标识法，只考虑由一个物点发出的子午面或弧矢面内不同孔径光线，在像面上交点离开主光线交点的变化情况，相当于弥散大小，不去考虑到底是沿轴分量的像差，还是垂轴分量的像差，让我们产生综合的印象。

RayAberration是Fields对话框中定义的每一个视场序号，而绘出的像面（XOY面）上的X分量像差（Xaberration）和Y分量像差（Yaberration）随光线孔径高之间的变化曲线。

一般的，X-aberration用EX表示，Y-abberation用EY表示，光线孔径高用PX、PY表示。

在子午面（YOZ面）内，某一物点（视场序号表示）发出不同孔径高的光线，经过镜头系统后，光线均在子午面内，光线坐标中PX=0，PY从0－1变化，因此离开主光线在像面上交点的位置表示只有Y分量（Y-aberration），X-aberration均为0，即TanFan（子午光扇图）只有Y-aberration，只有EY~PY关系曲线图。

在弧矢面（XOZ）内，某一物体发出不同孔径高的光线，此时关系坐标PX从0~1变化，PY=0，这些光线经过镜头系统后，孔径高绝对值相等的光线对仍以子午面对称，即与像面交点离开主光线交点位置偏差具有X分量（X-aberration），也具有Y分量（Y-aberration）；且光线对的X-aberration大小相等，符号相反，Y-aberration相爱那个等，SagFan（弧矢光扇图）即有EY~PX曲线，也有EX~PX曲线，EY~PX以EY呈轴对称，EX~PX曲线以原点呈旋转对称。

在旋转对称系统中，轴上物点的子午面与弧矢面相同，所以其EY~PY与EX~PX曲线完全相同。

图1.9给出1.3节例子物在1000mm初始结构的Rayaberration曲线，图中前一对是0视场的Rayaberration曲线，中间一对是10.5°视场的Rayaberration曲线，最后一对是15°视场角的Rayaberration曲线。

每一条曲线的横坐标为归一化光瞳坐标，由﹣1～1变化，纵坐标表示几何像差在像面上的弥散情况，其每一格值由图下方给出的MaximumScale确定。

该图中，纵轴正半轴大小为5000μm，每一格值为1000μm。

所以0°视场弥散像差很小，10.5°视场子午弥散半径近似为1500μm，弧矢弥散半径近似为800μm，15°视场子午弥散半径近似为3000μm，弧矢弥散半径近似为1300μm。

由Rayaberration图可以看出几何像差存在时的综合弥散情况，还可以看出其他独立几何像差的大小，如由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差分量，诸如球差、场曲、离焦的大小，图1.9中表明目前初始结构的场曲较大；再如由曲线边缘孔径（±1.0）处的Y-aberration之和，能够反映慧差大小；如果工作波长是一光谱段，每一视场的Rayaberration曲线中每一幅图有三根曲线，反映波长序号为1,2,3的Rayaberration数据。

这样Rayaberration曲线中，1,3波长的曲线与EY轴的交点之差反映垂轴色差的大小。

随着视场的变化，可以清楚垂轴色差的变化。

图1.9前例Rayaberration曲线

如果在Rayaberration曲线窗口中，选择Setting或在任一位置，右击鼠标，将弹出设置对话框，对话框中选项的含义参见表1.2。

表1.2例题的初始结构参数

选项

含义

PlotScale

绘图比例，输入的数值用于定义纵轴半轴长度，单位：

μm；数值越小，曲线被放大；数值越大，曲线被压缩，0表示正半轴最大数值自动选定。

NumberofRays

子午或弧矢面主光线两侧追迹的光线数目

Wavelength

波长序号选项，All表示全选

Field

视场，All表示全选

Tangential

每一视场左边曲线纵轴像差的选项，有X-aberration和Y-aberration两种，如果选X-aberration，纵轴变为EX，否则EY

Sagital

每一视场右边曲线纵轴像差的选项，有X-aberration和Y-aberration两种，如果选X-aberration，纵轴变为EX，否则EY

UseDashes

选中，曲线以黑白虚线表示

Checkapertures

选中，则检查光线是否在每个光学面上的有效通光孔径内

VignettedPupil

选中，则横轴1.0表示轴上物点的光瞳直径，对大视场光学系统，如存在渐晕，则轴外视场的Rayaberration曲线中横轴取值会小于1.0，能够明显反映渐晕现象；如不选，横轴1.0可以表示渐晕时光瞳归一化孔径，取值从0~1.0，曲线反映不出渐晕现象。

此时，0视场与轴外视场曲线中横轴1.0表示绝对孔径长度是不等的

◆Opticalpath

显示的光瞳归一化坐标（PX,PY）为横轴的光程差曲线，相当于一维波差曲线，纵轴为光程差，以主光线所走过的光程为基准。

◆PupilAberration

反映光瞳像差。

表示实际主光线与光瞳面交点，离开高斯主光线与光瞳面交点的距离，一般用占光瞳半径的百分数表示，图1.10给出了1.3节例物在1000mm处初始结构的光瞳像差曲线，由该图看出，由于物位于子午面内，在子午面内存在明显的光瞳像差，表示轴外光瞳偏心。

此时，如不消除光瞳像差，会影响各种轴外像差值的精确计算，如选“System→General…→RayAiming→Aimingtoaberration（real）stopheight”，则可以很好地消除光瞳像差。

图1.101.3节中例在1000mm处初始结构的PupilAberration

2.StopDiagrams（几何点列图）

Rayaberration仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，几何点列图则能反映任一物点发出的充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散情况。

几何点列图通常以主光线与像面交点为原点，进行量化计算点列图的弥散情况，ZEMAX在此基础上，还给出以虚拟的“质心”、“平均”为原点的量化点