在这个实例专题中将所学习到的操作例子记录在此，仅供学习，若有侵权，请联系删除！
课程设计要求：
课程
1
：单透镜（a singlet
）
1
：单透镜（a singlet
）
你将要学到的：开始
ZEMAX
，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（
ray fan
），光程差曲线（OPD
），和点列图（
Spot diagram
），确定厚度求解方法和变量，进
行简单的优化。
ZEMAX
，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（
ray fan
），光程差曲线（OPD
），和点列图（
Spot diagram
），确定厚度求解方法和变量，进
行简单的优化。
假设需要设计一个 F/4 的镜片，焦距为 100mm，在轴上可见光谱范围内，用 BK7 玻璃。
操作流程：
1、运行
ZEMAX
。
ZEMAX
主屏幕会显示镜片数据编辑（
LDE）
。LDE 由多行和多列组成，类似于电子表格。半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最
多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。
ZEMAX
。
ZEMAX
主屏幕会显示镜片数据编辑（
LDE）
。LDE 由多行和多列组成，类似于电子表格。半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最
多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。
2、一般输入三个参数（波长、视场、入瞳直径或者F#等）。
开始，我们先为我们的系统输入波长。这不一定要先完成，我们只不过现在选中了这一步。在主屏幕菜单
条上，选择“系统（
System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。
屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。
ZEMAX
中有许多这样的对话框，用来输入
数据和提供你选择。用鼠标在第二和第三行的“使用（
Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。现在，
在第一个“波长”行中输入 486，这是氢（
Hydrogen）F 谱线的波长，单位为微米。
ZEMAX 全部使用微米作为波长的单位。
现在，在第二行的波长列中输入 587，最后在第三行输入 656。这就
条上，选择“系统（
System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。
屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。
ZEMAX
中有许多这样的对话框，用来输入
数据和提供你选择。用鼠标在第二和第三行的“使用（
Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。现在，
在第一个“波长”行中输入 486，这是氢（
Hydrogen）F 谱线的波长，单位为微米。
ZEMAX 全部使用微米作为波长的单位。
现在，在第二行的波长列中输入 587，最后在第三行输入 656。这就
是
ZEMAX
中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长，当前为 486 微米。在主波长指示器的第二行上单击，指示器下移到 587 的 位置。
主波长用来计算近轴参数，如焦距，放大率等等。
ZEMAX 一般使用um作为波长的单位
，“权重（
Weight）” 这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如 RMS 点尺寸和 STREHL 率。现在让所有的权
为 1.0，单击
OK
保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。
ZEMAX
中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。这个指示器指出了主要的波长，当前为 486 微米。在主波长指示器的第二行上单击，指示器下移到 587 的 位置。
主波长用来计算近轴参数，如焦距，放大率等等。
ZEMAX 一般使用um作为波长的单位
，“权重（
Weight）” 这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如 RMS 点尺寸和 STREHL 率。现在让所有的权
为 1.0，单击
OK
保存所做的改变，然后退出波长数据对话框。
现在我们需要为镜片定义一个孔径。这可以使
ZEMAX
在处理其他的事情上，知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个 F/4 镜头（F（光圈值）=f/D，f为焦距，D为镜片孔径），我们需要一个 25mm 的孔径（100mm 的焦距除 F/4）。设置这个孔径值，选择“系统”中
的“通常（
General）”菜单项，出现“通常数据（
General Data）”对话框，单击“孔径值（
Aper Value）”一格，
输入一个值：25。
注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可选择其他类型的孔径设置。
除此之外，还要加入一些重要的表面数据。
ZEMAX
模型光学系统使用一系列的表面，每一个面有一个曲率半径，
厚度（到下一个面的轴上距离），和玻璃。一些表面也可有其他的数据，我们以后将会讨论到。
ZEMAX
在处理其他的事情上，知道每一个镜片该被定为多大。由于我们需要一个 F/4 镜头（F（光圈值）=f/D，f为焦距，D为镜片孔径），我们需要一个 25mm 的孔径（100mm 的焦距除 F/4）。设置这个孔径值，选择“系统”中
的“通常（
General）”菜单项，出现“通常数据（
General Data）”对话框，单击“孔径值（
Aper Value）”一格，
输入一个值：25。
注意孔径类型缺省时为“入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）”，也可选择其他类型的孔径设置。
除此之外，还要加入一些重要的表面数据。
ZEMAX
模型光学系统使用一系列的表面，每一个面有一个曲率半径，
厚度（到下一个面的轴上距离），和玻璃。一些表面也可有其他的数据，我们以后将会讨论到。
注意在 LDE 中显示的有三个面。物平面，在左边以 OBJ 表示；光阑面，以 STO 表示；还有像平面，以 IMA 表示。
对于我们的单透镜来
说，我们共需要四个面：物平面，前镜面（同时也是光阑面），后镜面，和像平面。要插入第四个面，只需移动光
标到像平面（最后一个面）的“无穷（
对于我们的单透镜来
说，我们共需要四个面：物平面，前镜面（同时也是光阑面），后镜面，和像平面。要插入第四个面，只需移动光
标到像平面（最后一个面）的“无穷（
Infinity）”之上，按 INSERT 键。这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面往下移。新的面被标为第 2 面。注意物体所在面为第 0 面，然后才是第 1（标上 STO 是因为它是光阑面），第 2
和第 3 面（标作 IMA）。
现在我们将要输入所要使用的玻璃。移动光标到第一面的“玻璃（
Glass）”列，即在左边被标作 STO 的面。输
入“BK7”并敲回车键。
ZEMAX
有一个非常广泛的玻璃目录可用。所有我们需要做的仅仅是决定使用“
BK7”，ZEMAX 会去查找我们所定的玻璃并计算每一个波长的系数。
Glass）”列，即在左边被标作 STO 的面。输
入“BK7”并敲回车键。
ZEMAX
有一个非常广泛的玻璃目录可用。所有我们需要做的仅仅是决定使用“
BK7”，ZEMAX 会去查找我们所定的玻璃并计算每一个波长的系数。
由于我们需要的孔径是 25mm，合理的镜片厚度是 4mm。移动光标到第 1 面（我们刚才输入了 BK7 的地方）的厚度列并输入“4”。注意缺省的单位是毫米。其他的单位（分米，英寸，和米）也可以。
现在，我们需要为镜片输入每一
面的曲率半径值。让我们设想一下，
前面和后面的半径分别是 100 和
-100，在第 1（
STO）和 2 面中分别输
入这些值。符号约定为：如果曲率中
心在镜片的右边为正，在左边为负。
这些符号（
+100，-100）会产生一个
等凸的镜片。我们还需要在镜片焦点 处设置像平面的位置，所以要输入一 个 100 的值，作为第 2 面的厚度。
现在，我们需要为镜片输入每一
面的曲率半径值。让我们设想一下，
前面和后面的半径分别是 100 和
-100，在第 1（
STO）和 2 面中分别输
入这些值。符号约定为：如果曲率中
心在镜片的右边为正，在左边为负。
这些符号（
+100，-100）会产生一个
等凸的镜片。我们还需要在镜片焦点 处设置像平面的位置，所以要输入一 个 100 的值，作为第 2 面的厚度。
根据上述操作模拟出来的结果。
我们怎样才能知道这个镜片是否
好呢？也许在镜片设计中，最有用的
判断工具是光线特性曲线图。要产生
一幅光线特性曲线图，先选择“分析
（
Analysis）”菜单，然后选择“图
（Fan）”菜单，再选择“光线像差（Ray Aberration）”。你将会看到光线特性 曲线图在一个小窗口显示出来（如果看到任何出错信息，退回并确认是否所有你所输入的数据与所描述的是一致 的）。
好呢？也许在镜片设计中，最有用的
判断工具是光线特性曲线图。要产生
一幅光线特性曲线图，先选择“分析
（
Analysis）”菜单，然后选择“图
（Fan）”菜单，再选择“光线像差（Ray Aberration）”。你将会看到光线特性 曲线图在一个小窗口显示出来（如果看到任何出错信息，退回并确认是否所有你所输入的数据与所描述的是一致 的）。
光线特性曲线图如图所示。图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差（指的是以主光线为基准）。 左边的图形中以“EY”代替εY。这是 Y 方向的像差，有时也叫做子午的，或 YZ 面的。右图以“EX”代替εX，有 时也叫做弧矢的，或 XZ 面的。此光学特性曲线表示出了一个明显的设计错误，光线特性曲线通过原点的倾斜表示有离焦现象存在。
为了纠正离焦，我们用在镜片的后面的 Solve 来进行。SOLVES（参考
“SOLVES”这一章）动态地调整特定的
镜片数据。为了将像平面设置在近轴焦
点上，在第 2 面的厚度上双击，弹出
SOLVE 对话框，它只简单地显示“固定
（
Fixed）”。在下拉框上单击，将 SOLVE
类型改变为“边缘光高（
Marginal Ray
Height）”，然后单击 OK。
用这样的求 解办法将会调整厚度使像面上的边缘
“SOLVES”这一章）动态地调整特定的
镜片数据。为了将像平面设置在近轴焦
点上，在第 2 面的厚度上双击，弹出
SOLVE 对话框，它只简单地显示“固定
（
Fixed）”。在下拉框上单击，将 SOLVE
类型改变为“边缘光高（
Marginal Ray
Height）”，然后单击 OK。
用这样的求 解办法将会调整厚度使像面上的边缘
光线高度为 0 ，即是近轴焦点。
注意第 2 面的厚度会自动地调整到约96mm。
注意第 2 面的厚度会自动地调整到约96mm。
现在，我们需要更新光线特性曲线图看其变化。从光线特性曲线窗口菜单，单击“更新（Update）”（在窗口任何地方 双击也可更新），其光线特性曲线图如图所示。现在，离焦已消失，主要的像差是球差。注意图中比例的改变。 
这是不是所能得到的最佳的设计呢？我们下面就要用优化来完成本设计的工作。首先，我们将告诉
ZEMAX
，哪个参量在设计中是自由的（这些被称为变量），然后我们将告诉它设计的要求（这些被称为目标（Targets）或操作
数（Operands））。有三个变量可以供我们利用，它们是：镜片的前、后曲率，和第二面的厚度，这些变量可以用离
焦来补偿球差。将光标移到第1面的半径这一列，然后按Ctrl-Z（如果你喜欢用菜单界面，单击“半径”，然后选择
SOLVES，再从LDE菜单中选变量“Variable toggle”；你也可以在“半径”上双击，得到一个下拉的选择列，其中
包括了变量状态）。注意，出现“V”表示一个可变的参量。按Ctrl-Z与菜单的功能相同。再在第2面半径以及第2面
ZEMAX
，哪个参量在设计中是自由的（这些被称为变量），然后我们将告诉它设计的要求（这些被称为目标（Targets）或操作
数（Operands））。有三个变量可以供我们利用，它们是：镜片的前、后曲率，和第二面的厚度，这些变量可以用离
焦来补偿球差。将光标移到第1面的半径这一列，然后按Ctrl-Z（如果你喜欢用菜单界面，单击“半径”，然后选择
SOLVES，再从LDE菜单中选变量“Variable toggle”；你也可以在“半径”上双击，得到一个下拉的选择列，其中
包括了变量状态）。注意，出现“V”表示一个可变的参量。按Ctrl-Z与菜单的功能相同。再在第2面半径以及第2面
的厚度上设置变化的标志。第2面的厚度变化时，它的值会复盖（
overrides）先前用求解定出的值。
overrides）先前用求解定出的值。
现在我们需要为镜片定义一个“评价函数（
Merit Function）”。评价函数从数学理念上指出什么样的镜片是好
的。
评价函数就象是高尔夫球赛的得分，分数越低越好。一个理想的镜头（对于一个指定的应用）它的评价函数的值应为0。
Merit Function）”。评价函数从数学理念上指出什么样的镜片是好
的。
评价函数就象是高尔夫球赛的得分，分数越低越好。一个理想的镜头（对于一个指定的应用）它的评价函数的值应为0。
为了定义评价函数，从主菜单中选择“编辑（Editors）”菜单下的“评价函数”（，或者快捷键F6）。出现一个与LDE类似的电子表格。从这个新的窗口的菜单条上，选择“工具（Tools）”菜单下的“缺省评价函数”。再在出现的对话框中，点击 Reset，然后OK。
你最终将会明白这些操作的功能，但现在你只需接受缺省值。ZEMAX很擅长于决定一个和合理的缺
省评价函数。
ZEMAX
已经为你构建了一个缺省的评价函数，它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追迹光线组成。但这并不
够，因为除了使弥散斑尺寸最小外，我们还需要使镜头的焦距为100mm。如不限定镜头的焦距，
ZEMAX
会很快地发现，
设定焦距无穷大（镜片相当于一个窗玻璃）会得到很好的波前像差。
在第一行中的任何一处单击鼠标，使光标移动到评价函数编辑的第一行，按下INSERT键插入新的一行。现在，
在“TYPE”列下，输入“EFFL”然后按回车。此操作数控制有效焦距。移动光标到“Target”列，输入“100”然
后按回车。其“权重（
Weight）”输入一个值：1。这样我们就完成了评价函数的定义，你可以在窗口的左上角双击，
将评价函数编辑器从屏幕中移走，评价函数不会丢失，ZEMAX会自动将它保存。
省评价函数。
ZEMAX
已经为你构建了一个缺省的评价函数，它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追迹光线组成。但这并不
够，因为除了使弥散斑尺寸最小外，我们还需要使镜头的焦距为100mm。如不限定镜头的焦距，
ZEMAX
会很快地发现，
设定焦距无穷大（镜片相当于一个窗玻璃）会得到很好的波前像差。
在第一行中的任何一处单击鼠标，使光标移动到评价函数编辑的第一行，按下INSERT键插入新的一行。现在，
在“TYPE”列下，输入“EFFL”然后按回车。此操作数控制有效焦距。移动光标到“Target”列，输入“100”然
后按回车。其“权重（
Weight）”输入一个值：1。这样我们就完成了评价函数的定义，你可以在窗口的左上角双击，
将评价函数编辑器从屏幕中移走，评价函数不会丢失，ZEMAX会自动将它保存。
现在从主菜单条中选择“工具”菜单下的“最佳化（
Optimization）”，会
显示最佳化工具对话框。注意“自动更
新（
Auto Update）”复选框。如果这个
选项被选中，屏幕上当前所显示的窗口（如光学特性曲线图）会按最佳化过程
中镜头的改变而被自动更新。在该复选
框中单击选择自动更新，然后单击“自
动（
Automatic）”，
ZEMAX
会很快地减少
评价函数。单击“退出（
Exit）”关闭
最佳化对话框。
最佳化的结果是使镜片弯曲。结果
所得出的镜片曲率使得焦距大致为
100mm，并且使这个简单的系统具有了
一个尽可能小的RMS波前差。
ZEMAX也许 不会很确切地将焦距优化100mm，因为EFFL限制是一个被看作与其他的像差一样的“权重”目标。
Optimization）”，会
显示最佳化工具对话框。注意“自动更
新（
Auto Update）”复选框。如果这个
选项被选中，屏幕上当前所显示的窗口（如光学特性曲线图）会按最佳化过程
中镜头的改变而被自动更新。在该复选
框中单击选择自动更新，然后单击“自
动（
Automatic）”，
ZEMAX
会很快地减少
评价函数。单击“退出（
Exit）”关闭
最佳化对话框。
最佳化的结果是使镜片弯曲。结果
所得出的镜片曲率使得焦距大致为
100mm，并且使这个简单的系统具有了
一个尽可能小的RMS波前差。
ZEMAX也许 不会很确切地将焦距优化100mm，因为EFFL限制是一个被看作与其他的像差一样的“权重”目标。
我们现在可以用光线特性曲线图 来研究计算结果。最佳化的设计结果 的最大的像差约为200微米，如图所示。
衡量光学性能的另一个方法的是
产生一个点列图。为了得到点列图，
选择“分析”菜单下的“点列图”选
项，然后选其中的“标准（Standard）”。
点列图将会显示在另一个窗口中。此
点列图的弥散大小是400微米。 作为
比较，艾利（Airy）衍射斑的大小粗略地约为 6微米。
产生一个点列图。为了得到点列图，
选择“分析”菜单下的“点列图”选
项，然后选其中的“标准（Standard）”。
点列图将会显示在另一个窗口中。此
点列图的弥散大小是400微米。 作为
比较，艾利（Airy）衍射斑的大小粗略地约为 6微米。
另一个有用的判断工具是OPD图。这是以光瞳坐标为函数的光程差（以 主光线为基准）分布图，它的光瞳坐 标与光学特性曲线图中相同。为了看 OPD图，选择“分析”菜单下的“图”， 再选择“光程（Optical Path）”。你可以参考图中的OPD图。这个系统中有大约20个波长的波像差，大部分为 焦面上的，球差，色球差和轴上色差。
你大概会意识到，
当波像差约等于或小于四分之一波长时， 镜片要考虑“衍射极限”
（可参
考有关此概念的更为详细的讨论）。显然，我们的单透镜并没
有达到衍射极限。
为了提高此光学系统（或任何光学系统）的性能，设计者必须判断哪一种像差限制了其性能，以及什么操作可以用来改正。
从光线图中，
可较明显地看出，色差 （
Chromatic aberration）是其
主要像差。（另一方面，它可能
当波像差约等于或小于四分之一波长时， 镜片要考虑“衍射极限”
（可参
考有关此概念的更为详细的讨论）。显然，我们的单透镜并没
有达到衍射极限。
为了提高此光学系统（或任何光学系统）的性能，设计者必须判断哪一种像差限制了其性能，以及什么操作可以用来改正。
从光线图中，
可较明显地看出，色差 （
Chromatic aberration）是其
主要像差。（另一方面，它可能
不明显，可再看其他的一些能够提供有关光线图的建议的好
书。）
书。）
ZEMAX
为一阶色差的大小提
供了另外一种简便的工具：多色光焦点漂移图。这种图形把焦距作为一种波长的函数，它指出了近轴焦点的变化。
为了得到多色光焦点漂移图，选择“分析”菜单中的“多方面（
Miscella-neous）”，然后再选“多色光焦点漂移 （Chromatic Focal Shift）。
为一阶色差的大小提
供了另外一种简便的工具：多色光焦点漂移图。这种图形把焦距作为一种波长的函数，它指出了近轴焦点的变化。
为了得到多色光焦点漂移图，选择“分析”菜单中的“多方面（
Miscella-neous）”，然后再选“多色光焦点漂移 （Chromatic Focal Shift）。
可以参考图。注意纵坐标表示波长范围，覆盖了所定义的波长段，焦距的最大变化范围约为1540微米。对
于单透镜镜片来说，其曲线的单调变化类型是很典型的。
于单透镜镜片来说，其曲线的单调变化类型是很典型的。
为了修正一阶多色差，要求有另外一种玻璃材料。这导出了我们的下一个例子，即双透镜的设计。如果你想保
存此镜片以用来作为以后的评估，选择“文件（File）”菜单下的“另存为（Save as）”选项，
ZEMAX
会提醒你输入
一个文件名。任何一个以这种方式保存的镜头都可以通过选择“文件”菜单下的“打开（Open）”选项来调用。要
退出
ZEMAX
，请选择“文件”菜单下的“退出（
Exit）”。
存此镜片以用来作为以后的评估，选择“文件（File）”菜单下的“另存为（Save as）”选项，
ZEMAX
会提醒你输入
一个文件名。任何一个以这种方式保存的镜头都可以通过选择“文件”菜单下的“打开（Open）”选项来调用。要
退出
ZEMAX
，请选择“文件”菜单下的“退出（
Exit）”。
今天的文章ZEMAX实例学习1：单透镜（a singlet）分享到此就结束了，感谢您的阅读。
版权声明：本文内容由互联网用户自发贡献，该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌侵权/违法违规的内容， 请发送邮件至 举报，一经查实，本站将立刻删除。
如需转载请保留出处：https://bianchenghao.cn/61236.html
