ZEMAX的基础学习Word文档格式.docx
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zhangxi@
【正文】
rayfan
在zemax中有一个重要的分析手段，就是显示rayfan图。
显示rayfan可以通过多种方式，比如菜单analysis－fans－rayaberration显示；
也可以通过直接点击在菜单栏目上的Ray按钮。
rayfan表示是光学系统的综合误差。
它的横坐标是光学系统的入瞳标量，因此总是从－1到＋1之间。
显然0的位置对应就是光轴在入瞳中心的焦点。
纵坐标则是针对主光线（发光点直穿光阑中心点的那条光线）在像面上的位置的相对数值。
由于我们在计算光路的时候，通常仅仅考虑两类光线，子午面和弧矢面。
这样对于不同的面，就有两种不同rayfan显示。
要概念上理解rayfan图，我们假设有一个薄透镜的光学系统。
光阑就在这个薄透镜上。
有一个在子午面上的轴外点，发出一束光线射向这个透镜，那么它在子午面的rayfan图将是这样绘制的：
首先，这一束光线会射向光学系统的入瞳（同时也是光阑）上，会在子午面上有一个光束的分布。
因此他们每个对应点都将在未来的rayfan图上显示－1到＋1的横坐标。
显然主光线的位置是光阑的中点，就是0的位置。
然后这一束光线继续穿过光学系统，最后折射到像面上。
由于由像差的存在；
在像面的子午面上将形成由无数光点形成的光线。
（对于理想的光学系统，还是应该形成一个点）
这个线上一定会有一个点，是由主光线形成的。
这个点就做为整个像差的参考原点。
其他的各个点到这个点的位置差值就是在rayfan中对应于各个横坐标入瞳位置的纵坐标值！
这样，一系列的点就可以在这个下xy的坐标系统中表示出来。
只要有足够的点，就能连接绘制一个完整的rayfan图。
这就是rayfan图的含义，它表示的是这个光学系统参照入瞳位置的像差综合值。
需要指出的是：
●由于有子午和弧矢两个面，因此对于每个视场的rayfan都有两个。
一个子午T（对应于PY和EY），和一个弧矢S（对应于PX和EX）
●又由于系统选择的光线不同，在每个视场的rayfan中可能会显示多个光线的不同rayfan。
●zemax将会给每个视场都绘制一个rayfan图。
rayfan缺省的位置是IMA面位置，缺省的采样点是20个点等等都可以在setting中进行重新设置。
关于rayfan中各种图形的含义，需要设计人员根据光学经验进行判断。
比如S行状的rayfan表示这个系统有球差。
多个S行状（蛇行状）的rayfan表示这个系统有高级球差等等。
spotdiagram
spotdiagram是另外一种重要的分析像差的工具。
spotdiagram可以通过方式一：
直接点击在屏幕菜单工具栏中的“Spt”按钮；
方式二：
选择菜单Analysis-SpotDiagrams-Standard，进行查看。
参照上边的说明，spotdiagram的形成，我们也可以在轴外子午面上选择一点做为发光点。
这个点同样将光线射向系统的入瞳和光阑位置。
和rayfan不同的就是，这次我们考虑的更全面些。
这一束光线不是一个子午面的方式，而是一个面阵的方式发散。
而是全面的射入入瞳。
为了计算和比较，有几种布置光线的方式可以选择，比如随机点方式，矩形方式，圆形方式，还有三角方式等等。
目的是能尽量保证平衡射入这个系统。
光线进入系统以后经过转折等，最后仍然是射入IMA面。
对于理想光学系统，这些光线会再次重复为一个光点。
但对于有像差的光学系统，这些光线会在IMA面上形成一系列的图形。
这图形实际就是模拟显示了光学系统对这个轴外点的实际成像！
不同的像差有不同的像表现，同时随着像差的大小不同，这个像，也叫斑点的大小也不一样，显然像差越小的光学系统，其斑点也越小。
衡量这个斑点大小有个定义，就是RMS半径定义，另外还有一个就是几何半径的定义。
RMS是均方根半径，可以定量的反映这个系统实际的斑点大小。
需要说明的是：
不同的射入入瞳的光线排列会对最后的RMS半径等有影响，但并不大。
关键影响RMS半径的是，每个斑点的中心点参考点的选择：
一种选择的方式是根据主光线的位置做为斑点中心光线的中点。
另外一种方式是采用斑点的实际重心做为斑点中点。
对于一个轴对称系统，在轴上，显然主光线中心和斑点重心是一点没有差别，但在轴外点成像。
主光线的中心计算出来的RMS显然要比斑点重心计算的RMS半径要大。
其实，通常采用的是斑点重心的参考中点方式。
如何应用ZEMAX设计光学系统
如何应用ZEMAX设计光学系统？
这是拿到ZEMAX的朋友常常会想到的一个问题。
但遗憾的是，ZEMAX始终紧紧是一个工具，不是能自动完成光学系统的设计大师。
就如同ZEMAX手册说的，ZEMAX是工具，而你使用人是设计师。
但如何才能设计光学系统。
典型的做法就是
1）根据自己要设计的系统，先有一个大致的光学结构。
2）从手册查阅，找到类似的光学结构。
3）输入系统，然后优化这个系统知道自己满意。
zemax提供的紧紧是：
设计师在zemax中可以通过
分析功能得到系统的预期。
主要需要使用的是，点图，就是spotdiagram.这个可以看出最后系统的点好坏。
波面图，就是OPDfan，这个可以看出设计的系统在出瞳位置的波面差
还有就是MTF，zemax的mtf有两种，一种是衍射的，一种是几何的，一般来说在OPD超过5个波长的时候几何的比较常用
其余的就是优化的时候如何能调整优化参数。
最后可以通过公差torlrance对未知的系统成品
特性得到一个模拟验证。
但上述的步骤都是在使用zemax的设计师本身对光学设计
非常了解的情况下才能得到的。
如果本身刚刚毕业，又没有多少实际的光学设计经验。
基本的概念又不是很熟悉。
那么却是使用起来是很难的。
常看见论坛有朋友问怎么用zemax
图怎么看？
玻璃如何根据系统选择？
怎么优化才可以满足自己的要求。
这是很难得到的！
因为这个是每个设计师的“谋生财富”！
如果告诉你我，那么大家不都知道怎么发财了么：
）
大面上，大致都会说。
但说道节骨眼上，我看是个人都会留一手的。
问别人光学设计要旨，就好比在问师父药方子。
药就哪些种，怎么搭配有讲究。
光学设计体会20040125.txt
这里写下我进行光学设计的体会，算是日记，如有可能，也做为同行的相互交流。
我的Emaillanfier@
我只能算个初级的光学设计者。
大学的光学仪器专业的知识，在10多年的IT工作中，几乎丧失殆尽。
由于个人的原因打算重新进入光学设计的领域，现在进行这个行当－－好处是有很多资料可以借鉴，光学设计软件也很多，同时30多岁的人，记忆力不行，但理解力正是高峰位置。
坏处是很多有关数学的东西已经不很清楚，而这是光学设计很重要的部分。
说到光学设计，不能不提到我现在用的光学设计软件ZEMAX。
这个软件可以极大的提高光学设计进程。
但也仅仅而已，很多初学光学设计的人，以为ZEMAX可以使得他们可以借助这个系统“自动”的设计或者优化出一个好的光学系统。
他们认为有好软件，有好的硬件，只要自己稍微画画图，画上一到几个镜头的图。
ZEMAX就可以自动找到最优化的光学设计。
我要说，错了，ZEMAX没有这个能力！
即使是一个很好的初始的设计思路，要达到最后的目标，你还需要指点ZEMAX采用你的步骤一步一步达到最后的最优设计。
你始终是这个系统的总设计师，而不是一个忠实肯干的仆人的主人，可以轻易得到结果的。
当然，如果你要设计的系统极为简单，然后就是想看看设计的感觉，那是很容易的。
比如你打算设计一个没有球差的非球面单透镜，而且在单色光下工作。
ZEMAX只要几分钟就可以得出你满意的结果。
但实际的光学系统，往往要复杂的多。
根据我的个人学习经验要掌握光学设计必须要有如下的准备：
1）熟练的扎实的光学理论基础
建议的书籍是：
大学的《应用光学》教程，最好是最近几年的，老的不是不好，但有大量的公式推导，上来就肯，估计马上就晕了。
2）大量的例子参考
《光学设计手册》，对于上边的例子最好能找几个仔细分析看看，结合《应用光学》的讲解，这样在脑子中就有了一些概念。
3）相关的可以使用的软件
ZEMAX是不错的软件。
但正版的ZEMAX是非常昂贵的！
同样的软件比如CodeV等都是可以使用的，不在于具体的软件，而在于熟练可以使软件为自己服务。
4）应用到实际中的设计例子
只有应用，才是最后解决问题之道。
最后要说的是，
我认为光学设计是一门专业科学，它虽然需要智力和技巧去掌握，但更重要的还是扎实的基础和实实在在的掌握。
光学设计不是可以朝发夕至的行业，这里应该看不到IT网络的一夜暴富；
但掌握它，它却是能成为可以吃一生的饭食。
这对于我来说，已经足够了。
常用电脑的人，都知道短短几年Windows更新了多少版本，Office有多少版本，每个版本的使用都有不小的差异。
但光学设计基本已经不会有太大的改变。
现在虽然有的非球面的设计，但99％的透镜应用还是球面的。
想掌握一门不需要一辈子拼命更新的生存技能么？
考虑一下光学设计吧
祝各位2004年新春愉快！
PS.欢迎有Joseph《LensDesign》的同行和我Email交流。
我是个网管，可以建立自己的网站和论坛等，我也有建立一个论坛共同讨论光学设计
能成为一个小小的沙龙形式即可，因此有LensDesign的朋友不妨报到一下，
先可以就书上的内容进行讨论。
第一章，介绍（择选自ZEMAX用户手册）
ZEMAX或者ZEMAX的手册并不能告诉你如何设计镜头或者光学系统！
通过这个软件可以帮助你设计和分析光学系统，你仍然是设计师。
ZEMAX的文档不是一个光学设计，属于或者方法的教程。
技术支持可以帮助用户使用这个软件，但并不包括告诉用户光学设计的基础理论。
如果你紧紧有少量或者没有光学设计的经验。
你可能需要先阅读一些有关光学设计的书籍。
下边的表格的书籍可能对你的光学设计会有帮助
镜头设计的参考书
作者标题出版社
BassHandbookofOptics
光学手册McGraw-Hill
Born&
WolfPrinciplesofOptics
光学概念PergamonPress
Fischer&
Tadic-GalebOpticalSystemDesign
光学系统设计McGraw-Hill
HechtOptics
光学AddisonWesley
KingslakeLensDesignFundamentals
镜头设计基础AcademicPress
LaikinLensDesign,SecondEdition
镜头设计，第二版MarcelDekker
MahajanAberrationTheoryMadeSimple
理论的掌握SPIEOpticalEngineeringPress
O’SheaElementsofModernOpticalDesign
现代光学设计的元素JohnWileyandSons
RuttenandvanVenrooijTelescopeOptics
望远镜光学Willmann-Bell
ShannonTheArtandScienceofOpticalDesign
光学设计的艺术和科学CambridgeUniversityPress
Smith,GregoryHallockPracticalComputer-AidedLensDesign
计算机辅助设计光学设计Willmann-Bell,Inc
Smith,WarrenModernOpticalEngineering
现代光学工程McGraw-Hill
Smith,WarrenModernLensDesign
现代光学设计McGraw-Hill
WelfordAberrationsofOpticalSystems
光学系统像差AdamHilgerLtd.
WelfordUsefulOptics
有用的光学UniversityofChicagoPress
最重要的是：
ZEMAX不能代替实际的工程实践。
在没有被一个合格的工程师检验所有的设计计算的时候，设计不能认为已经完成了。
这在设计完全是虚拟条件或者涉及费用很高的时候尤其重要。
检验zemax的结果是工程师的责任，不能免除。
使用zemax设计光学系统新手常见问题说明
使用zemax设计光学系统常见问题说明：
建议斑竹看着合适可置顶方便他人，或修改补充问答问题。
到这个论坛有一段时间了，从这个论坛得到帮助，也试着给过别人一些帮助，想着写个帖子能对zemax的新手有点帮助。
【前言和闲话】
我非常希望到这个论坛的人能相互是“对等”的！
就是前提是大家在这里交流使用体会，但没有那个人欠另外人的，一定要回答别人的问题。
人的能力有高低，入门有早晚。
但我认为的新手没有任何“妈妈，我要吃奶”的权利。
因为这里没有妈妈。
你要自己找奶水。
因此，“zemax的lens参数如何输入”，“哪里可以得到spot”等等zemax的基本操作的问题，完全可以通过自己在zemax软件上通过看英文手册，或者中文手册得到答案。
我认为由于zemax软件的专业面狭窄，不可能短期有中文版本。
因此使用zemax的各位同仁，必须要了解基本的光学英文词汇。
另外，不知道别的人怎么想，我不会回答“谁能给我一份zemax中文使用手册”这样的问题。
因为奶水elf已经给做好了。
难道我们还要把奶水送到嘴边，然后告诉你：
这个elf的中文手册没有前四章，前四章我也放在邮件的后边的另外附件里了，你要看的elf中文手册的软件叫adobearcobatreader，在另外一个附件里面么？
！
因为我觉得大家都是搞技术的，是平等的。
做技术的就是每个人都要自己努力去尽量解决问题。
如果实在不行了。
相互的讨论是必要的，但如果开始最基本入门的问题，都要别人帮助，而不自己努力。
哪怎么对自己以后的光学设计有信心？
另外我个人的体会，在中国，搞技术，很操蛋！
因为如果你在一个国营单位，你不得不在考虑技术的同时，你还要考虑你的职称和工资住房等等待遇。
你的技术好，你的待遇未必就高，很多时候由于别人在你花费大量的时间在技术问题上的时候，他们在搞人事关系。
结果通常是你的技术比不过他们的人事。
但我想，来这里的朋友，应该都是自愿提高自己光学设计水平的朋友。
因此交流的都是大家的心血，每个人都要努力。
与大家共勉
【问题和回答】
『问题1』
zemax是干什么用的？
『回答』
是光学设计软件，它可以辅助你（不是自动智能设计！
）设计光学系统，包括透镜，镜面，棱镜等系统。
它需要你的光学设计知识！
它可两种方式设计，
顺序方式：
总是按照镜面的顺序，从物发出光，到镜面1，到镜面2....到最后的镜面...到像面
非顺序方式，需要你选择一个模型，定义它情况，然后光线可以从任何方式射入，射出。
显然非顺序方式更符合实际，但其实没有必要，99％的系统都是用顺序方式设计的。
（注zemax还表明可以混着两种方式设计）
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
『问题2』
zemax设计一个简单的系统需要输入哪些参数？
以下的参数几乎都是要输入的：
a透镜的各个参数，半径，材料等。
b视场
c波长
d入瞳或者F＃
『问题3』
哪里能得到盗版zemax？
我相信，很多人都在使用盗版，因为正版要个人用实在是太贵了（2-3万RMB）。
但做为论坛，不能允许在这里流传盗版的信息为什么？
我想不是论坛的道德有多么高，是由于如下的原因，它在威胁论坛的生存。
a国内，众所周知的原因，批准一个网站可运行论坛是极为严格和少见的。
因此严格意义99.999%的论坛都是“非法”开办，这个论坛也是这样。
b国内，大致的情况是，你不出事，没有人管你，你如果出事，一定会有人找你。
c如果这个论坛在讨论zemax的盗版获取，这无疑是打碎了卖正版zemax人的饭碗！
一定，100%的有人要举报，给这个论坛带来麻烦。
我不相信举报的人是出于正义目的，100%是出于经济利益！
如果就是要用zemax，可以：
用google查询“zemax盗版”，奇怪，我怀疑盗版的人中国人干的居多。
价格在150－1000之间，全看你的运气。
前一段有一个网站有免费的zemax盗版下载，几天以后就被迫关闭了。
我想原因一定是有卖正版专业软件的人举报了它。
请不要因为你的一己私利影响论坛的前程！
『问题4』
哪里有中文的zemax使用手册？
就在这个论坛的文章中就有，搜索一下看看。
或者到google查询“zemax中文手册”很容易找到，大约几个M大小，是一个叫elf的网友翻译的，令人钦佩！
『问题5』
哪里有中文zemax手册的前四章内容？
elf翻译的中文手册没有前四章内容，同样在这个论坛就有，找找看。
另外可以到google上去找。
『问题6』
有没有好的学习zemax的书？
学习zemax操作最好的就是zemax使用手册，具体参看上边。
结合zemax学习光学设计的最好的教程是：
LensDesignwithPracticalZEMAXExamples，作者是JosephM.Geary，价格是50美金，需要到网站或者托人从美国带。
『问题7』
有没有学习光学设计的书？
学习光学设计的书叫《应用光学》。
这通常是各位在学的教科书，我的体会是尽量购买最近几年出的应用光学。
以前的书过于繁杂。
如果可能尽量采用美国出的一些书，可以用关键字opicaldesign查询google得到书名，然后选择购买。
我觉得国内书不好的原因是，我感觉国内的有些应用光学像“杨过的师父”，什么公式，什么结构，什么原理都告诉你，就是不讲或者不多讲如何在实际中进行真实的设计和应用。
『问题8』
有没有现成光学设计参考例子？
用参考例子是重要的设计手段之一。
《光学设计手册》是非常好的手册，另外一个很好的是zebase，是完全按照zemax格式发布的几千个镜头设计文件。
由于同样设计有版权问题，请各位自己找方法解决。
『问题9』
看大量zemax镜头文件有没有好的工具？
lensview软件可以帮忙。
『问题10』
zemax在镜头设计中还能做什么？
◇zemax可以进行镜头的初期设计结构绘制和保存。
◇可以进行镜头成像情况的分析rayfanspotopdpre等。
◇可进行镜头的优化，可缺省优化和根据需要进行个别条件的优化。
◇在加工前套用对样板以及计算大致的物理参数：
尺寸，重量等等
◇可以模拟公差，对最后的产品合格率进行统
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