ZEMAX入门教学_精品文档.doc
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课程设计安排
本课程设计着眼于应用光学的基本理论知识、光学设计基本理论和方法，侧重于典型系统具体设计的思路和过程，加强学生对光学设计的切身领会和理解，将理论与实际融合、统一，以提高学生综合分析及解决问题能力的培养。
结合<>、<<工程光学课程设计>>和课件《光学设计软件应用课件》中的内容熟悉zemax软件和光学设计内容：
特别要掌握zemax软件中以下菜单的内容：
1输入透镜参数对话框：
lensdataeditor,
2system菜单下的输入光学系统数据：
general,fieldwavelength
3.光学性能分析（Analysis）中Layout，Fan，RMS，MTFSeidel像差系数各菜单
4MeritFunctionEditor：
优化函数构建和作用
在学习过以上内容的基础上，在ZEMAX软件上设计以下镜头设计（通过设计镜头熟悉zemax和光学设计理论知识,设计时需要不断去重新学习课本和课件知识，切记软件只是帮助你设计镜头，而不是代替你设计镜头）：
ZEMAX入门教学
例子1单透镜（Singlet）…………………………………………..3
例子2座标变换（CoordinateBreaks）…………………………..18例子3牛顿式望远镜（NewtonianTelescope）…………………….26
例子4消色差单透镜（AchromaticSinglet）……………………….40
例子5变焦透镜（ZoomLens）……………………………………47
1-1单透镜
这个例子是学习如何在ZEMAX里键入资料，包括设罝系统孔径（SystemAperture）、透镜单位（LensUnits）、以及波长范围（WavelengthRange），并且进行优化。
你也将使用到光线扇形图（RayFanPlots）、弥散斑（SpotDiagrams）以及其它的分析工具来评估系统性能。
这例子是一个焦距100mm、F/4的单透镜镜头，材料为BK7，并且使用轴上（On-Axis）的可见光进行分析。
首先在运行系统中开启ZEMAX，默认的编辑视窗为透镜资料编辑器（LensDataEditor,LDE），在LDE可键入大多数的透镜参数，这些设罝的参数包括：
l表面类型（Surf：
Type）如标准球面、非球面、衍射光栅…等
l曲率半径（RadiusofCurvature）
l表面厚度（Thickness）：
与下一个表面之间的距离
l材料类型（Glass）如玻璃、空气、塑胶…等：
与下一个表面之间的材料
l表面半高（Semi-Diameter）：
决定透镜表面的尺寸大小
上面几项是较常使用的参数，而在LDE后面的参数将搭配特殊的表面类型有不同的参数涵义。
1-2设罝系统孔径
首先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的「GEN」按钮里（System->General）。
点击「GEN」或透过菜单的System->General来开启General的对话框。
S
点击孔径标签（ApertureTab）（默认即为孔径页）。
因为我们要建立一个焦距100mm、F/4的单透镜。
所以需要直径为25mm的入瞳（EntrancePupil），因此设罝：
lApertureType：
EntrancePupilDiameter
lApertureValue：
25mm
点击单位标签（UnitsTab），并确认透镜单位为Millimeters。
单击「确认」来离开对话框。
1-3设罝视场角
点击按钮列中的「Fie」或透过菜单的System->Filed来开启场对话框，如下图所示。
ZEMAX默认的视场角是即为近轴视场角，其中「Weight」这个选项可以用来设罝各视场角之权值，并可运用于优化。
1-4设罝波长
可点击按钮列中的「Wav」来设罝波长，如下图所示：
在波长编辑视窗里我们可以设罝不同的波长与其Weight，ZEMAX也有内建一些常使用波长，可透过「Select->」这个选项来选择。
在此例子可以透过挑选「F,d,C（Visible）」这个选项来设罝波长0.486、0.587、0.656 （Microns），单击「OK」即可。
1-5键入透镜资料
现在我们要键入Lens的参数。
在ZEMAX是透过设罝依序排列的表面来建立出光学系统。
在此建立单透镜这个例子需要建立4个表面。
lTheobjectsurface（OBJ）：
设罝光线的起始点
lThefrontsurfaceofthelens（STO）：
光线进入Lens的位置。
在这例子里，这表面的位置也决定了光阑（Stop）的位置
lThebacksurfaceofthelens
（2）：
光线从Lens出来并进入空气中的位置。
lTheimagesurface（IMA）：
光线追迹最后停止的位置，不可以在IMA这个之后设罝任何的表面。
这个位置上并非存真实的表面，而是一个哑的表面。
默认的LDE视窗中只有3表面（3列），为了符合此例子需要增加一个表面。
将游标移到「IMA」并按下按键盘上的Insert键，即可产生「2」这个面。
「OBJ」是第0面，「STO」是第1面，「2」是第2面、「IMA」是第3面。
1-6设罝透镜参数
首先设罝Lens的材料为「BK7」，将游标移到第1面的Glass栏，键入BK7并按Enter。
而此时ZEMAX便会去查寻数据库里BK7的光学属性，来决定其各个波长下之折射率。
Lens的厚度由第1面的Thickness栏来设罝，这个栏是指表面的中心点沿着光轴到下一个表面的距离。
孔径25mm厚度4mm的Lens是合理的，直接在「Thickness」栏内键入数值即可。
接下来键入Lens的曲率半径，本例子使用一个左右曲率对称的Lens，先将第1面的曲率半径设罝为100mm，第2面的曲率半径设罝为-100mm。
在第1面及第2面的「Radius」栏键入数据，正值表示曲率中心点在表面的右边，负值表示曲率中心点在表面的左边。
「IMA」的位置就是设在Lens的焦距上，所以距离Lens大约100mm左右，直接在第2面「2」的「Thickness」栏键入100，即表示在Lens后面100mm的位置就是下一表面的位置，也就是「IMA」面的位置。
LDE的设罝如下所示：
1-7评估系统性能
在ZEMAX中有很多分析功能可评估系统的质量好坏，其中一个最常用的分析工具是光线扇形图（Rayfanplot）。
可以点击「Ray」这个按钮或透过菜单Analysis->Fans->RayAberration来开启这个功能。
在点击之后会出现一个视窗，显示各光线与主光线（ChiefRay）的光线象差（Rayaberrations），左边的图是显示Y或正切方向的光线象差，右边的图是显示X或弧矢方向的光线象差。
这个分析图表是以0.588microns为主波长，其线型在原点附近斜率不为零，表示产生离焦现象（Defocus）。
1-8使用解
为了定标离焦（Defocus），透过调整第2面「2」到IMA面的距离（焦距＝100mm）来解决这个问题。
Solves是一个特别的功能，主要是针对特定ZEMAX的参数进行动态调整，以符合某些特别的情况
先要点击第2面的Thickness后，单击鼠标右键，将会出Solve的设罝视窗。
在「SolveType」里选择MarginalRayHeight，然后敲点「OK」即可发现LDE视窗第2面的「Thickness」由100改变为96，并且会出现「M」的记号。
在次点击「Ray」这个选钮显示光线扇形图（Rayfansplot），可发现像差线条已由原本的斜线变为S的形状，而这表示此Lens有球差（Sphericalaberration）。
在ZEMAX的OnlineHelp中有一个章有列出有关Solve的解释及讨论。
1-9设罝优化
我们希望使用优化来修正这个例子的质量。
除基本设计的形式之外，优化需要两个附加项：
l设罝允许变动的参数，让ZEMAX可自由地在允许的范围内调整这个参数，以设计出更好系统。
l在数学上的观点上，需要设罝优化函数（Meritfunction）的描述，意即评估系统优劣的指标。
这个例子内有3个参数适合被改变而来进行优化，包括两个表面的曲率半径以及透镜到「IMA」面的距离。
只要将游标移至第1面「STO」及第2面「２」的「Radius」栏及第2面的「Thickness」栏点击并按Ctrl+Z或按鼠标右键选，在「SolveType」选Variable这个选项。
如此各个选项之后将出现「V」的字样。
1-10建立绩效函数
优化函数（Meritfunction）被定义于优化函数编辑器（MeritfunctionEditor,MFE）。
单击键盘的F6或点击菜单的Editors->MeritFunction即可开启编辑视窗（MFE）。
从MFE点击Tools->DefaultMeritFunction会出现一个DefaultMeritFunction的视窗，点击「Reset」后再点击「OK」。
后面我们还会说明这个视窗的相关设罝，现在先以默认条件进行优化。
1-11增加限制条件
接着修正绩效函数（Meritfunction），包括系统焦距的需求。
将游标移在MFE的第一列并单击按键盘的Insert来产生新的一列，在此列的Type栏上键入EFFL后按Enter。
这个操作数的功能是在运算出系统有效焦距，在计算有效焦距时必须设罝参考的主波长（PrimaryWavelength），在此例子里使用第二波长为参考波长，所以在第一列的「Wav#」栏中键入为2。
接着在「Target」栏里键入100并按Enter，「Weight」设为1再按Enter，最后将此视窗关闭，虽然关闭编辑视窗但设罝已储存，并不会遗失。
1-12运行优化
点击「Opt」或Tools->Optimization，便会出现Optimization的视窗。
在优化的对话视窗里，如果「AutoUpdate」选项被勾选，则当在运行优化时，所有开启的分析视窗如Rayfansplot以及LDE的数据将及时变动。
在此请点击「Automatic」这个按钮来进行优化。
1-13光线扇形图
这个优化的动作是调整Lens的曲率半径使透镜焦距接近100mm，并调整透镜与成像面的距离，以消除离焦（Defocus）。
其是利用最小波前误差之均方根值为依据进行优化，而此次的优化的并没有使焦距完完全全等于100mm，这是因为我们所设罝的有效焦距操作数（EFFL）只是绩效函数（Meritfunction）中众多操作数的一项而已，所以在运行优化时也需要符合其它优化条件。
其实在许多的设计之中，可以透过LDE里Solve功能来使调整焦距以符合设计需求，而不需使用MFE的操作数。
下图所示是经过优化后的光线扇形图（Rayfansplot），其最大像差（MaximumAberration）约为300microns。
1-14二维设计图
点击Analysis->Layout或点「Lay」这个选项便可以显示2D设计图（Layout）。
此2D设计图的视窗
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