ZEMAX的基础学习Word文档格式.docx

1、请将此文用于非盈利的技术交流；不可显性或隐形用于商业目的。欢迎对文中内容进行批评指正和修改。但修改后内容仍需保留版权声明部分并能免费用于技术交流。zhangxi【正文】ray fan在zemax中有一个重要的分析手段，就是显示ray fan图。显示ray fan可以通过多种方式，比如菜单 analysisfansray aberration显示；也可以通过直接点击在菜单栏目上的Ray按钮。ray fan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

2、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ray fan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ray fan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

3、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ray fan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ray fan图。这就是ray fan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ray fan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ray

4、fan中可能会显示多个光线的不同ray fan。 zemax将会给每个视场都绘制一个ray fan图。ray fan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ray fan表示这个系统有球差。多个S行状（蛇行状）的ray fan表示这个系统有高级球差等等。spot diagramspot diagram是另外一种重要的分析像差的工具。spot diagram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-Spot Dia

5、grams-Standard，进行查看。参照上边的说明，spot diagram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ray fan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。

6、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

7、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

8、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spot diagram.这个可以看出最后系统的点好坏。波面图，就是OPD fan，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

9、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Email lanfier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

10、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ZE

11、MAX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

12、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Code V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，Offic

13、e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 Lens Design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Lens Design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

14、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BassHandbook of Optics光学手册McGraw-HillBorn & WolfPrinciples of Optics光学概念Pergamon PressFischer & Tadic-GalebOptical System Design光学系统设计McGra

15、w-HillHechtOptics光学Addison WesleyKingslakeLens Design Fundamentals镜头设计基础Academic PressLaikinLens Design, Second Edition镜头设计，第二版Marcel DekkerMahajan AberrationTheory Made Simple理论的掌握SPIE Optical Engineering PressO SheaElements of Modern Optical Design现代光学设计的元素John Wiley and SonsRutten and van Venrooi

16、jTelescope Optics望远镜光学Willmann-BellShannonThe Art and Science of Optical Design光学设计的艺术和科学Cambridge University PressSmith, Gregory HallockPractical Computer-Aided Lens Design计算机辅助设计光学设计Willmann-Bell, IncSmith, WarrenModern Optical Engineering现代光学工程McGraw-HillSmith, WarrenModern Lens Design现代光学设计McGra

17、w-HillWelfordAberrations of Optical Systems光学系统像差Adam Hilger Ltd.WelfordUseful Optics有用的光学University of Chicago Press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

18、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

19、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adobe arcobat reader，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，

20、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1zemax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

21、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2zemax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

22、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1501000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

23、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：Lens Design with Practi

24、cal ZEMAX Examples，作者是Joseph M. 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 opical design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10zemax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 rayfan spot opd pre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