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0 ZEMAX 实践操作简明教程 河南理工大学电气学院 0 1 一、 Zemax 软件使用过程中的光线追迹方式 Zemax是一套光学系统设计和分析软件利用 Zemax进行光学设计时，有序列追迹 （sequential ray trace）和非序列（non-sequential trace）两种光线追迹方法，用于折射、 反射和衍射的光学模拟在模型建立过程中，通常用“surface”为 sequential ray tracing 建 模；“component”或“object”为 non-sequential ray tracing 建模(其特点如表 1 所示) 表 1 序列和非序列光线追迹方式比较 Sequential ray trace Non-sequential trace 以 Surface（光学面）为对象建模 以 object（对象）为对象建模 单一光源 可有多个光源 按照面的顺序计算光线 不限制光线和面相交的顺序 光线不会分光 光线与同一面（或物）可多次相交 镜面反射 镜面反射和漫反射 光线不能超过临界角 可以是全反射 通过孔径外的光线必须渐晕 在 object 外的光线也进行追迹 Surface 的位置由前一个面确定 Object 的位置由全局坐标确定 每个面都有物空间和像空间 所有空间是等价的 计算的光线少，计算速度快 分析的光线多，计算速度慢 可进行优化和公差分析 不能做优化和公差分析 二、 用户操作界面 Zemax主要有以下四种类型的操作界面：  Editors:定义和编辑光学面和其他数据；  Graphic windows：显示图形数据；  Text windows：显示文本数据；  Dialog boxes：编辑和回顾其他窗口或系统的数据，或者报告错误信息等。

2.1 Editors（编辑）菜单项 编辑菜单项主要有：Lens data editor, Merit function editor, Multi-configuration editor, 2 Tolerance data editor, Extra data editor, Non-Sequential Components editor等几项（如图1所 示） 图1 编辑菜单项 2.1.1 Lens data editor 基本的 lens data，包括 surface type, radius, thickness, glass, etc（如图 2 所示） 图 2 Lens Data Editor 2.1.2 Merit function editor 对设计的光学系统进行优化时，定义和编辑 merit function(如图 3 所示) 3 图 3 编辑优化函数 2.1.3 Multi-Configuration editor 在设计扫描式光学系统及阵列式光学系统时，需要对变焦镜头和其它多重结构系统 定义多重结构参数（如图 4 所示） 图 4 多重结构编辑 2.1.4 Tolerance Data editor 定义和编辑公差数据（如图 5 所示） 。

图 5 定义和编辑公差数据 2.1.5 Extra Data editor 需要很多参数的 surface data 的扩展 2.1.6 Non-sequential component editor 定义和编辑 NSC sources, objects, detectors（如图 6 所示） 图 6 非序列组件编辑 4 2. Graphic and text 窗口界面  有些功能（如 layout）只支持图形，有些只支持文本（如 Seidel像差系数） ，有 的都支持（如 fan plot） ；  如果二者都支持，一般先给出图形输出，如果需要显示 text 的内容，需要点一 下菜单栏中的“Text” ⑴ 大部分图形窗口都同时提供文本信息 图形窗口的菜单项主要有 Update、 Setting、 Print、Window（如图 7 所示） 、Text、Zoom等，其主要功能如表 2 所示 表 2 Graphics windows 菜单功能 菜单项菜单项 功能描述功能描述 Update 更新窗口中的数据 Setting 设置窗口的属性 Print 打印窗口的内容 Window Annotate 往图形上加 lines,boxes,text Copy clipboard 将内容拷贝到剪切板中 Export 将内容转换为 WMF，EMF，JPG，BMP 文件保存 Lock 锁定窗口 Clone Clone 窗口 Aspect ratio 设置窗口的长宽比 Active cursor 对图形窗口显示鼠标所指位置的数据 Configuration 选择要显示哪个结构的数据 Overlay 不同图形重叠显示 Text 产生图形所对应的文本数据 Zoom 对图形放大和缩小进行控制 5 图 7 图形窗口示例 ⑵ 点击 Graphics window 界面中的 Text 菜单栏，可以看到图形窗口中的文本信息 （如图 8 所示） 。

Text windows 是 Graphics window 界面图形所对应的文本数据，对于 Text windows 窗口中的菜单项，其主要功能如表 3 所示 图 8 图形窗口中的文本信息 表 3 Graphics windows 菜单功能 菜单项菜单项 功能描述功能描述 Update 更新窗口中的数据 Setting 设置窗口的属性 Print 打印窗口的内容 Windows Copy Clipboard 将内容拷贝到剪切板中 Save Text 保存 ASCII TXT 文件 Lock 锁定窗口 Clone Clone 窗口 Configuration 选择要显示哪个结构的数据 3. 对话框窗口 ZEMAX 的大部分图形和文本窗口都包含有设置对话框（如图 9 所示） 6 图 9 对话框窗口 三、 序列光学模式的设计步骤 序列光学模式下的光学仿真设计通常所依据的顺序为：  输入系统数据；  透镜数据编辑；  模型分析；  模型优化；  公差分析；  输出报告  其它 3.1 输入系统数据 系统数据设定主要包括光学系统孔径（General 中） 、Field 和 Wavelength 设定三项 （如图 10 所示） 。

图 10 系统数据设置项 3.1.1 General General主的设置项主要包括以下几项：  孔径型态；  系统尺寸；  材料选择；  环境设定等 （1）孔径形态 孔径形态是一个非常重要的参数，它决定入瞳的大小、决定光学系统在物空间收集 7 的入光量孔径形态的参数如图 10 所示，代表意义如表 4 所示 图11 孔径形态参数选择项 表 4 孔径形态参数选项功能意义 参数名称参数名称 意义意义 Entrance Pupil Diameter(EPD) 直接指定入瞳的大小 Image Space F/# 无限共轭像空间近轴数（f/D,物距无穷远） Object Space Numerical Aperture 物空间边缘光线的数值孔径 nsinθ（物在有限远处保持 N.A.为常数） Float by Size EPD 的大小由光栏的半径决定 Paraxial working F/# 像空间中定义的共轭近轴 1/2ntanθ，忽略像差 Object Cone Angle 物空间边缘光线的半角，最大可以达到 90 度（有限物距） 3.1.2 Field（视场）设置 ZEMAX常常用点光源定义视场或物的大小：定义了点光源以后，可以建立扩展光 源的模型；每个系统最多可以定义12个视场点。

Zemax 支持的视场形式一共有Angle(Deg)、Object Height、Parax Image Height、Real Image Height 4种（如图12所示），其主要功能如表5所示 8 图11 光学系统的视场设置 表 5 视场设定各选项的功能及意义 视场类型名称视场类型名称 视场的功能意义视场的功能意义 Field angle 投影至入瞳 XZ 和 YZ 平面时，主光线与 Z 轴的夹角（大多 用在无限共轭系统） Object height 物面上的 X，Y 高度（大多用在有限共轭系统） 注：如果物 面为曲面，则 X，Y 坐标包含 Z 坐标 Paraxial Image height 像面上的近轴像高（用于需要固定像大小的近轴光学系统设 计中） Real image height 像面上的实际像高（用于需要固定 frame size（像面大小）的 设计中，如 camera lenses） 3.1.3 Wavelength——波长设定 ZEMAX对每个系统最多允许定义12个波长（波长单位是微米），并且必须指定主 波长此外，根据不同波长的重要性，权重可以不同（如图12所示）。

图12 系统波长设定 9 3.2 Lens Data Editor ⑴ 透镜表面数据主要包括：  The Type of the lens: 选择透镜表面类型；  The radius of curvature:面的曲率半径，根据符号规则确定符号；  The thickness of the surface:到下个面的相对距离， 满足符号规则 （用local坐标系） ；  The glass type of the surface:可以直接输入玻璃的名称， 也可以输入折射率和色散 系数（如果是空气，则为空格）；  The semi-diameter of the surface(optional)：面的孔径等五部分（如图13所示） 图13 透镜表面的主要编辑项 ⑵ 透镜表面的符号规则（如图 14 所示）  Radius of Curvature: 曲率中心在面顶点的右边为正，反之为负；  Ray Angle：自光轴开始逆时针为正，顺时针为负；  Thickness：+Z 轴方向为正，反之为负 图 14 透镜表面的符号规则 ⑶ Surface type：表面类型设定 双击 Surf：Type 字段即可设定(如图 14.a 所示) Surface Type 提供 70 多种光学面，包括球面、非球面、光栅面、双折射等…（如图 14.b）. 可自休光学面，只要以 C 语言编写 DLL 文件，放入 ZEMAX 数据夹中即可使用。

10 (a) (b) 图 14 镜面表面类型设置方式：a. 镜面类型设定时双击位置，b. 镜面类型选择 3.3 模型分析 对设计出的初步结果， 可通过 analysis 菜单中的不同功能项对所建模型进行初步分 析（如图 15 所示） 图 15 Analysis 菜单中能够对所设计的光学系统进行分析的各功能项 3.4 模型优化 模型优化主要是通过优化函数对一些可变变量参数进行目标控制，其注意事项主要 包括以下两点： （1） Variable parameters(变量参数)  在进行优化设计时，需要设置变量，Zemax 会调整这些变量，以找到最佳设计 结果  变量可以是任何量，包括 radii, thicknesses, indices, V numbers, partial dispersions, 11 conic constants, tilt angles, 甚至 fields and wavelengths （2） Merit functions (优化函数)  优化函数是用来定义优化控制目标项目它包括设计目标，边界条件和计算结 果的总结。

 在优化过程中，用 merit function 的值来评价一个系统的优劣  Merit function 由 optimization operands 组成，Zemax提供了 200 多个这样的操 作数，涵盖了各种目标控制条件 3.5 Tolera。