Zemax实验一答疑

东莞理工学院
ZEMAX光学设计软件应用训练实验报告
选择“analysis”，“miscellaneous”，“field curv/dist”场曲线如图所示。

牛顿式反射望远镜结构示意图
．输入数据：第一面，光阑面的曲率半径列输入-2000.0，负号表示为凹面，
列输入“MIRROR”。

选择“System”，“General”，然后在“通用数据对话框（
Box）”中输入一个200的孔径值，并单击“OK”。

ZEMAX使用的缺省值是波长
现在打开一个图层窗口，光线显示了从第一面到像平面的轨迹，此时像平面在镜面的左边。

如下图：
2．构造转折面：第一面的厚度改为-800mm。

像平面，按Insert在主面与像平面之间插入一个虚构
思考题与实践题：
1、牛顿反射式望远镜属于我们《应用光学》书本上所介绍的那种望远镜系统？
注意我们已将主反射面的距离减小到-18，第四面的半径已经被加入了一个变量标记。

新图层，检查一切是否正常。

如下图：
注意大约有4个波长的像差仍然有待改正。

现在单击第一面（光阑面）的“
设置第一面的半径为变量，再次优化（Tools，Optimization，Automatic
从主菜单，选SYSTEM，FIELDS，并将视场角的个数设置为3，输入y-
在评价函数编辑时，选Tools，Default Merit Function，并将RINGS
在遮挡器和辅助镜面之间的小缝隙纯粹是很小的一点。

这里是为了更容易让大家看到。

MTF现在已被主要是辅助镜面产生的遮挡所改变。

更新MTF窗口，看一下新的MTF，如下图：。

光学设计软件ZEMAX实验讲义光学设计软件ZEMAX是一款广泛应用于光学设计和仿真的工具。

它通过建立光学系统模型、进行光学分析和优化，来实现光学元件的设计和性能评估。

本实验讲义将介绍使用ZEMAX进行光学系统设计的基本流程和方法，以帮助读者快速上手使用该软件进行实验。

实验目的：1.掌握ZEMAX软件的基本操作方法；2.学习使用ZEMAX进行光学系统的建模和分析；3.能够使用ZEMAX进行光学系统的优化和性能评估。

实验仪器和材料：1.计算机（安装有ZEMAX软件）；2.光学元件（例如透镜、棱镜等）；3.光源（例如激光器、光纤等）；4.探测器（例如光电二极管、CCD等）。

实验步骤：1.启动ZEMAX软件，并加载需要的光学元件模型。

可以通过导入现有的元件文件，也可以自己创建新的模型。

2.在光学系统中定义光源和探测器。

选择合适的光源类型，并设置光源的参数，例如波长、光强等。

同样，选择合适的探测器类型，并设置其参数。

3.在光学系统中添加光学元件。

选择需要的元件类型，例如透镜、棱镜等，并设置其参数，例如焦距、角度等。

4.运行光学分析。

可以选择进行光线追迹分析，用于确定光线在系统中的传播路径和光学性能。

还可以进行波前分析，用于评估系统的像差情况。

5.进行光学系统优化。

根据实际需求，调整光学系统中的参数，例如透镜的位置、曲率等，以优化系统的性能。

可以使用自动优化功能，也可以手动调整参数进行优化。

6.进行光学系统性能评估。

通过分析光线传播路径、像差情况等，评估光学系统的性能。

可以使用图像质量指标，例如MTF（传递函数）和PSF（点扩散函数），来评估系统的成像能力。

7.导出结果。

根据需要，将优化后的光学系统结果导出为文件。

可以导出光学系统的参数、光线路径图、波前图等。

实验注意事项：1.在进行光学系统设计前，需要确保熟悉光学基础知识，并了解所使用的光学元件的特性和性能。

2.在使用ZEMAX软件时，需要注意模型的准确性和合理性。

ZEMAX常见问题总结- 2011年11月更新跟进1.Spot Diagram 图中，满足RMS光斑＞艾里斑的时候的相关①RMS半径可视为分辨率，还是艾里斑大小？②此时有3个RMS半径，取最大的就可以吧？③此时可以知道系统的最大分辨率，但是MTF图中的竖轴（清晰度）应该是无法分析出来的吧？④正常的是不是先光斑优化，通过光斑看分辨率，当分辨率满足要求的时候再进行波前优化，提高清晰度？（设计的时候一般都会给要求，例如110lp/mm@0.3）解答：1、RMS半径是指你优化好的各视场聚焦后光斑大小，用它来评估像元大小2、有几个视场就有几个RMS半径，根据不同的镜头系统，评价标准不同。

3、此时分辨率与MTF都可一起查看数值大小4、正确2.Spot Diagram 图中相关问题讨论①艾里斑相当于一个点成像的衍射成都最小的极限，这个极限应该是当前系统的吧？②但RMS半径是也是一点产生的各波段光的衍射极限（也应该是是当前系统产生的衍射值）？③我这么理解应该有误，因为这样的话两者是一个概念都是当前系统衍射极限，为什么会不同大小？④1.22*波长*F数，是衍射极限，在spt图中，不能是艾里斑的大小，因为艾里斑就一个圈，是RMS半径大小？对否？解答：1、一个系统对应一个艾里斑，它是描述系统在无像差时能达到的最小光斑大小2、RMS半径是几何光斑半径，不是衍射形成的3、参考1和24、这个数值就是图上黑圈的大小3.ZEMAX中如何寻找入瞳举例说明：GUASS 28的例子，在物面后加一面设负值，看第一面到第7面的3d图①此时3线在光阑后的焦点为入瞳位置？② PY（-1到+1）值是不是就是在此位置（即实际入瞳处的高度值）？③换句话说就是系统为了让此位置通过GEN设置的入瞳值大小的光斑，进而设计系统的，对吧？④此时入瞳实际位置在参考面右侧，应该为正值吧？解答：1、正确，就是指这三个视场没经过透镜时的延长线2、入瞳处算是PY的一个描述，光阑和出瞳也符合3、正确4、参考面始终为第一面顶点，在参考面右为正，左为负4.镜头中的光线瞄准的问题DOUBLE GUASS 28的例子，运用光线瞄准功能后，现有成像面不聚焦，此例子应该是成熟的设计产品，为何如此不准确？（不光线瞄准，光阑未完全利用）解答：1、这是几何算法的缺陷，虽有误差，但不用想像的那么夸大，这个误差影响非常小，一般小视场角情况可以忽略。

Zemax问题集第一章系统参数(System)Question 1：Lambertian scattering参数的设罝？Answer：兹说明步骤如下：1.首先，在Spot Diagram Setting的对话框中，您须把Scatter Rays勾选起来。

2.其它对话框的勾选情形如下：（因您的版本较旧，故设罝上会略有不同。

）3.输出情形如下列图示：如此一来，便可分析不同散射属性所呈现的图表。

如何将一均匀出光之点光源改为具有高斯能量分布之点光源？Answer：您需在System->General的Aperture标签中，在Apodization Type的下拉式选单中，选择Gaussian，而Apodization Factor为定义高斯的能量衰减因子。

一般可依您的需求设1~4之间，不建议设罝大于4的值，因为这会造成采样的光线数太少而无法计算出有意义的结果，您可参考Samples\Sequential\Interconnects\Ball coupling.ZMX的ZEMAX例子档。

如何将点光源更改为面光源(直径0.02mm之面光源)？Answer：您需在System->General的Aperture标签中，在Aperture Type的下拉式选单中，将Object Space NA改为Entrance Pupil Diameter，并在Aperture Value的栏中键入0.02，最后还需将OBJ的Thickness改为Infinity，表示光源为无穷远的平行光入射。

如果我想改变NA，那我需要改变那些设置？Answer：您要检查NA值（＝n ×sinθ）和您现在用的Laser 的偏角是否匹配，然后你在General中的Aperture Value 键入您计算的数值。

如果您的光线正常通过镜头，你不需要改变其它设置。

为何ZEMAX有时在Layout中所绘出的光线好像不正确；例如光线没有打到孔径光栏(Aperture Stop)?Answer：大部分光线没有打到光栏或者光线追迹怪异的原因，是由于光栏表面设在Coordinate Break的表面之后。

ZEMAX实验指导书初学的练习教程实验一光学设计软件ZEMAX的安装和基本操作一、实验目的学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。

二、实验要求1、掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。

2、掌握ZEMAX软件的用户界面。

3、掌握ZEMAX软件的基本使用方法。

4、学会使用ZEMAX的帮助系统。

三、实验内容1．经过桌面快捷图标或“开始—程序”菜单运行ZEMAX，熟悉ZEMAX的初始用户界面，如下图所示：图：ZEMAX用户界面2．浏览各个菜单项的内容，熟悉各常见功能、操作所在菜单，了解各常见菜单的作用。

3．学会从主菜单的编辑菜单下调出各种常见编辑窗口。

4．调用ZEMAX自带的例子（根目录下Samples文件夹），学会打开常见的分析功能项：草图（2D草图、3D草图、实体模型、渲染模型等）、特性曲线（像差曲线、光程差曲线）、点列图、调制传递函数等，学会由这些图进行简单的成像质量分析。

5．从主菜单中调用优化工具，简单掌握优化工具界面中的参量。

6．掌握镜头数据编辑窗口的作用以及窗口中各个行列代表的意思。

7．从主菜单-报告下形成各种形式的报告。

8．经过主菜单-帮助下的操作手册调用帮助文件，学会查找相关帮助信息。

四、实验仪器PC机实验二基于ZEMAX的简单透镜的优化设计一．实验目的学会用ZEMAX对简单单透镜和双透镜进行设计优化。

二．实验要求1.掌握新建透镜、插入新透镜的方法；2.学会输入波长和镜片数据；3.学会生成光线像差（ray aberration）特性曲线、光程差（OPD）曲线和点列图（Spot diagram）、产生图层和视场曲率图；4.学会确定镜片厚度求解方法和变量，学会定义边缘厚度解和视场角，进行简单的优化。

三．实验内容（一）. 用BK7玻璃设计一个焦距为100mm的F/4单透镜，要求在轴上可见光范围内。

1. 打开ZEMAX软件，点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新建一个新的空白透镜。

ZEMAX常见问题总结 - 2011年11月更新跟进Diagram 图中，满足RMS光斑＞艾里斑的时候的相关①RMS半径可视为分辨率，还是艾里斑大小②此时有3个RMS半径，取最大的就可以吧③此时可以知道系统的最大分辨率，但是MTF图中的竖轴（清晰度）应该是无法分析出来的吧④正常的是不是先光斑优化，通过光斑看分辨率，当分辨率满足要求的时候再进行波前优化，提高清晰度（设计的时候一般都会给要求，例如）解答：1、RMS半径是指你优化好的各视场聚焦后光斑大小，用它来评估像元大小2、有几个视场就有几个RMS半径，根据不同的镜头系统，评价标准不同。

3、此时分辨率与MTF都可一起查看数值大小4、正确Diagram 图中相关问题讨论①艾里斑相当于一个点成像的衍射成都最小的极限，这个极限应该是当前系统的吧②但RMS半径是也是一点产生的各波段光的衍射极限（也应该是是当前系统产生的衍射值）③我这么理解应该有误，因为这样的话两者是一个概念都是当前系统衍射极限，为什么会不同大小④*波长*F数，是衍射极限，在spt图中，不能是艾里斑的大小，因为艾里斑就一个圈，是RMS半径大小对否解答：1、一个系统对应一个艾里斑，它是描述系统在无像差时能达到的最小光斑大小2、RMS半径是几何光斑半径，不是衍射形成的3、参考1和24、这个数值就是图上黑圈的大小中如何寻找入瞳举例说明：GUASS 28的例子，在物面后加一面设负值，看第一面到第7面的3d图① 此时3线在光阑后的焦点为入瞳位置② PY（-1到+1）值是不是就是在此位置（即实际入瞳处的高度值）③ 换句话说就是系统为了让此位置通过GEN设置的入瞳值大小的光斑，进而设计系统的，对吧④ 此时入瞳实际位置在参考面右侧，应该为正值吧解答：1、正确，就是指这三个视场没经过透镜时的延长线2、入瞳处算是PY的一个描述，光阑和出瞳也符合3、正确4、参考面始终为第一面顶点，在参考面右为正，左为负4.镜头中的光线瞄准的问题DOUBLE GUASS 28的例子，运用光线瞄准功能后，现有成像面不聚焦，此例子应该是成熟的设计产品，为何如此不准确（不光线瞄准，光阑未完全利用）解答：1、这是几何算法的缺陷，虽有误差，但不用想像的那么夸大，这个误差影响非常小，一般小视场角情况可以忽略。

Zemax问题集第三章对象型态(NSC Objects)Fiber与Fiber间的间距最小可到多少? 127um的间距做的到吗?Answer：可由例子Sample\Non-sequential\Fibers\Core clad fiber.zmx去改。

在这个例子中，可多建一个fiber在原fiber的上面，光路暂不讨论，Y Position设为6.127mm以符合127um的需求，所以要求是可行，至于最小可到多少，ZEMAX在透镜编辑栏(LDE)中，可显示的Decimals的最小位数为14位，可依此为参考依据，基本上这个budget应可符合您的各种需求。

最大可显示的Decimals可在File\Preferences\Editors中的Decimals 的下拉式选单中去选择。

Core，cladding可设罝不同大小吗?Answer：在改建的这个Sample中来看，core与cladding的折射率不同是利用选择不同玻璃材料的方式，core是K5，折射率为1.52249，cladding是FK3，折射率是1.4645。

在ZEMAX中，若要定义NSC的Fresnel对象，请问有无相关例子可供参考?Answer：关于定义NSC的Fresnel对象，ZEMAX本身有提供一些既有例子，路径在Samples->Non-sequential->Faceted object，目前共有5个相关文件可供参考，分别为：Fresnel lens cylinder structure.zmx、Fresnel lens from table.zmx、Fresnel lens ideal.zmx、Fresnel lens radial structure.zmx、Fresnel lens unfaceted table.ZMX。

Question 4：在ZEMAX中，有无MEMS的例子，Manual中的说明在那里呢？Answer：Sequential的例子在ZEMAX\Samples\Sequential\Miscellaneous\MEMS DLL Sample.ZMX。

ZEMAX常见问题总结 - 2011年11月更新跟进1.Spot Diagram 图中，满足RMS光斑＞艾里斑的时候的相关①RMS半径可视为分辨率，还是艾里斑大小？②此时有3个RMS半径，取最大的就可以吧？③此时可以知道系统的最大分辨率，但是MTF图中的竖轴（清晰度）应该是无法分析出来的吧？④正常的是不是先光斑优化，通过光斑看分辨率，当分辨率满足要求的时候再进行波前优化，提高清晰度？（设计的时候一般都会给要求，例如110lp/mm@0.3）解答：1、RMS半径是指你优化好的各视场聚焦后光斑大小，用它来评估像元大小2、有几个视场就有几个RMS半径，根据不同的镜头系统，评价标准不同。

3、此时分辨率与MTF都可一起查看数值大小4、正确2.Spot Diagram 图中相关问题讨论①艾里斑相当于一个点成像的衍射成都最小的极限，这个极限应该是当前系统的吧？②但RMS半径是也是一点产生的各波段光的衍射极限（也应该是是当前系统产生的衍射值）？③我这么理解应该有误，因为这样的话两者是一个概念都是当前系统衍射极限，为什么会不同大小？④1.22*波长*F数，是衍射极限，在spt图中，不能是艾里斑的大小，因为艾里斑就一个圈，是RMS半径大小？对否？解答：1、一个系统对应一个艾里斑，它是描述系统在无像差时能达到的最小光斑大小2、RMS半径是几何光斑半径，不是衍射形成的3、参考1和24、这个数值就是图上黑圈的大小3.ZEMAX中如何寻找入瞳举例说明：GUASS 28的例子，在物面后加一面设负值，看第一面到第7面的3d图① 此时3线在光阑后的焦点为入瞳位置？② PY（-1到+1）值是不是就是在此位置（即实际入瞳处的高度值）？③ 换句话说就是系统为了让此位置通过GEN设置的入瞳值大小的光斑，进而设计系统的，对吧？④ 此时入瞳实际位置在参考面右侧，应该为正值吧？解答：1、正确，就是指这三个视场没经过透镜时的延长线2、入瞳处算是PY的一个描述，光阑和出瞳也符合3、正确4、参考面始终为第一面顶点，在参考面右为正，左为负4.镜头中的光线瞄准的问题DOUBLE GUASS 28的例子，运用光线瞄准功能后，现有成像面不聚焦，此例子应该是成熟的设计产品，为何如此不准确？（不光线瞄准，光阑未完全利用）解答：1、这是几何算法的缺陷，虽有误差，但不用想像的那么夸大，这个误差影响非常小，一般小视场角情况可以忽略。

实验名称：双镜片一、学习内容：画出layouts和field curvature plots,定义edge thickness solves, field angles等。

一个双镜片是由两片玻璃组成，通常粘在一起，所以他们有相同的curvature。

借着不同玻璃的dispersion性质，the chromatic aberration可以矫正到first order，所以剩下的chromatic aberration主要的贡献为second order，于是我们可以期待在看chromatic focal shift plot图时，应该呈现出parabolic curve的曲线而非一条直线，此乃second order effect的结果（当然其中variation的scale跟first order比起来必然小很多，应该下降一个order）。

设计一个在光轴上成像，focal length为100mm的光学系统，用两块玻璃来设计。

二、实验步骤：1、参数设置：选用BK7和SF1两种镜片，wavelength和aperture如同习作一所设，既然是doublet，你只要在练习一的LDE上再加入一面镜片即可。

所以打开一中的LDE，在STO后再插入一个镜片，标示为2，或者你也可以在STO 前在插入一面镜片标示为1，然后在该镜片上的surface type上用鼠标按一下，然后选择Make Surface Stop，则此第一面镜就变成STO的位置。

在第一、第二面镜片上的Glass项目键入BK7即SF1，因为在BK7和SF1之间并没有空隙，所以此doublet为相粘的二镜片，现在把STO和第二面镜的thickness都fixed为3，仅第3面镜的thickness为100且设为variable，既然要最佳化，还是要设merit function，注意此时EFFL需设在第三面镜上，因为第3面镜是光线在成像前穿过的最后一面镜，又EFFL是以光学系统上的最后一块镜片上的principle plane的位置起算。