Zemax软件在光学设计.pptx

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1、会计学1Zemax软件软件(run jin)在光学设计在光学设计PPT课件课件第一页，共124页。主要主要(zhyo)参考书目：参考书目：n n光学设计袁旭沧，科学出版社光学设计袁旭沧，科学出版社n n实用光学技术实用光学技术(jsh)手册王之手册王之江，机械工业出版社江，机械工业出版社n nZEMAX中文使用手册光研科中文使用手册光研科学有限公司学有限公司第1页/共124页第二页，共124页。讲解讲解(jingji)内容提要：内容提要：n n常用光学设计软件简介n nZEMAX用户界面n n光学系统的建立举例n n基本像差分析及像质评价n n坐标断点n n温度分析、多重结构(jigu)、无热

2、设计n n样板测试及公差分析第2页/共124页第三页，共124页。一一.光学设计软件光学设计软件(run jin)简介简介n n成像光学设计：成像光学设计：Code VCode V、OSLOOSLO、ZemaxZemax、SIGMA SIGMA、LensViewLensView、SOD88SOD88、CIOES(CIOES(长光长光)n n照明光学设计：照明光学设计：ASAPASAP、TraceProTracePro、LightToolLightTool、ProSourceProSource、ODIS(ODIS(浙大浙大)n n光学薄膜设计：光学薄膜设计：TFCalcTFCalcn n激光激光

3、(jgung)(jgung)腔体设计：腔体设计：LASCADLASCADn n光电器件设计：光电器件设计：OPTISYS_DESIGN OPTISYS_DESIGN、BPM_CAD BPM_CAD、OPTIAMP_DESIGN OPTIAMP_DESIGN、FIBER_CAD FIBER_CAD、HS_DESIGN HS_DESIGN、FDTD_CAD FDTD_CAD、WDM_Phasar WDM_Phasar、IFO_GRATINGS IFO_GRATINGS n n 第3页/共124页第四页，共124页。Code Vn n美国Optical Research Associates推出的大

4、型光学设计软件n n适用于各种序列及非序列光学系统，广泛用于照相系统、光谱仪器、空间光学系统、激光扫描系统、全息平显系统、红外成像系统、紫外光刻系统等等n nCode V为用户提供了各种可能用到的像质分析手段(shudun)，能够分析优化各种非对称非常规复第4页/共124页第五页，共124页。杂光学系统Code V自带的专利库包含了多种镜头，可供用户在初始设计时选择可以与多种机械CAD软件交换数据，可以输出多种标准加工图纸有外部程序接口，用户可以用它根据需要对 软件进行扩充(kuchng)和修改 成像领域中功能最强大，价格最高第5页/共124页第六页，共124页。OSLOn n用于照相机、通讯

5、系统、军事空间应用、科学仪器中的光学系统设计，在确定光学系统中光学元件的最佳大小及外形时具有突出优势n n适用于序列及非序列系统n n优点是以设计者为导向的设计风格，用户界面直观(zhgun)；功能强大精度高n n灵活性强，其提供的CCL语言相对于其它光学软件更灵活第6页/共124页第七页，共124页。ZEMAXn nZemax是美国zemax公司设计的专用光学设计软件包n n可实现序列(xli)和非序列(xli)分析n n用于光学组件设计及照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、绕射等光学模型 n n分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*

6、.BMP,*.JPG等，也可存成文字文件*.txt第7页/共124页第八页，共124页。n n优化：表栏式merit function参数输入，对话窗式预设(y sh)merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用n n公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设(y sh)Tolerance参数，方便使用者定义n n报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件n n功能不及Code V、OSLO，但其简单易学，价格便宜，在国内用得比较广泛第8页/共124页第九页，共124页。SOD88n n北理工研究的光学设计软件，适用于共轴光学系统，系

7、统可以是折、反或折反系统，系统中的面型可以是球面也可为非球面n n主要功能：几何(j h)像差计算和图形输出；像差自动校正；公差计算；变焦系统设计等n n总体上来说其功能和迭代收敛速度不及前述几种软件，但其价格便宜，还是值得推广第9页/共124页第十页，共124页。LensViewn n光学设计数据库，囊括超过18,000个在美国和日本专利局申请有案的多样化的光学设计实例n n能显示每一实例的空间位置，拥有设计者完整的信息、摘要等多种功能n n能产生(chnshng)各式各样的像差图，做透镜的快速诊断，绘出这个设计的剖面图n n用该软件为设计者寻找恰当的初始结构，便于快速的设计出符合技术指标的

8、系统第10页/共124页第十一页，共124页。ASAPn n功能强大，已成为工业界标准的光学设计软件n n用于仿真汽车车灯(ch dn)光学系统、生物光学系统、相干光学系统、屏幕展示系统、光学成像系统、光导管系统、照明系统及医学仪器n n是一个联结了几何光学和物理光学的全方位3D光学及机械系统的模型建立软件n n可处理各种光学仿真分析，包括散射效应、衍射效应、反射效应、折射效应、光吸收效应、偏极光效应和高斯光速传导之模拟分析 第11页/共124页第十二页，共124页。TracePron n普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析的光线仿真软件

9、的光线仿真软件n n应用领域：照明、导光管、薄膜光学、光机设计、杂应用领域：照明、导光管、薄膜光学、光机设计、杂散光分析、激光泵浦、背光模组、投影散光分析、激光泵浦、背光模组、投影(tuy(tuy ng)ng)系统、系统、汽车照明系统等等汽车照明系统等等n n处理复杂几何的能力，以定义和跟踪数百万条光线处理复杂几何的能力，以定义和跟踪数百万条光线n n图形显示、可视化操作、提供图形显示、可视化操作、提供3D3D实体模型实体模型n n可以导出主流可以导出主流CADCAD软件和镜头设计软件的数据格式软件和镜头设计软件的数据格式第12页/共124页第十三页，共124页。LightTooln n美国美

10、国ORAORA公司研发的三维照明仿真软件公司研发的三维照明仿真软件n n光机一体化设计：光学和机械元件的形状的描述可通过软件光机一体化设计：光学和机械元件的形状的描述可通过软件提供的基本实体模型实现。遮光罩、镜筒和产品结构的设计提供的基本实体模型实现。遮光罩、镜筒和产品结构的设计将得益于这种光机一体的考虑方法和非顺序光线追迹提供的将得益于这种光机一体的考虑方法和非顺序光线追迹提供的大量大量(dling)(dling)信息信息 n n复杂光路设置复杂光路设置 ：LightTools LightTools使多光路或折叠光路系统、带有使多光路或折叠光路系统、带有棱镜或复杂曲面的系统的光路设置和视觉建

11、模验证变得简洁。棱镜或复杂曲面的系统的光路设置和视觉建模验证变得简洁。有了有了LightToolsLightTools，设计人员完全可以摒弃过去为了简化问题，设计人员完全可以摒弃过去为了简化问题而采用的一些传统技巧，如符号规则、用多通道定义模拟变而采用的一些传统技巧，如符号规则、用多通道定义模拟变焦功能、把反射镜和棱镜展开成平板、略去非光学面和机械焦功能、把反射镜和棱镜展开成平板、略去非光学面和机械结构的影响、人为简化光瞳形状，等等结构的影响、人为简化光瞳形状，等等 第13页/共124页第十四页，共124页。n n杂光分析：非序列光线追迹功能可以直观地描述在系统中任杂光分析：非序列光线追迹功能

12、可以直观地描述在系统中任意表面上或介质中发生的任何光学现象，如折射、反射、全意表面上或介质中发生的任何光学现象，如折射、反射、全反射、散射、多级衍射、振幅分割、光能损耗、材料吸收等，反射、散射、多级衍射、振幅分割、光能损耗、材料吸收等，并根据需要自动实时衍生出多路光路分支。并根据需要自动实时衍生出多路光路分支。n n照明系统设计分析：照明系统设计分析：LightToolsLightTools中可以精确地定义各种中可以精确地定义各种(zhzh n n)实际光源（如发光二极管、白炽灯、弧光实际光源（如发光二极管、白炽灯、弧光 灯、卤素灯灯、卤素灯等）的形状和发光特性，其计算结果与实际测量结果精确吻

13、等）的形状和发光特性，其计算结果与实际测量结果精确吻合。对非人眼接收的照明系统，可以把结果转换成辐射度单合。对非人眼接收的照明系统，可以把结果转换成辐射度单位。计算结果的输出形式可以是二维线图、等高线图、灰度位。计算结果的输出形式可以是二维线图、等高线图、灰度 图、伪彩色图或三维分布图。图、伪彩色图或三维分布图。n n应用实例：投影系统、平板显示器、仪表盘照明、内窥镜照应用实例：投影系统、平板显示器、仪表盘照明、内窥镜照明、报警灯、汽车前灯、车厢内部照明、指示牌照明等等明、报警灯、汽车前灯、车厢内部照明、指示牌照明等等 第14页/共124页第十五页，共124页。TFCalcn nTFCalc是

14、一个(y)著名的光学薄膜设计软件，用于设计和加工光学薄膜镀膜n n许多光学元件需要多层膜系设计，如棱镜、显示器、眼镜片等。为了控制从X射线到远红外线的波长范围内的光的反射和透射，光学薄膜取决于它需要如何控制光的干涉和吸收，TFCalc让您轻松的设计出您的光学系统中光学元件所需的薄膜层 第15页/共124页第十六页，共124页。LASCADn nLASCAD用于激光腔体的设计，德国研发n n可分析温度(wnd)和光学部件对固态激光的影响n nLASCAD提供了介于热学和光学之间的复杂的多物理系统交互分析，这种分析用于被称之为热透镜效应的固态光学器件。这种效应的建模和它对光质量的影响以及装置和稳定

15、性和光效率等对于激光共鸣器的分析和最优化是十分必要的第16页/共124页第十七页，共124页。OPTISYS_DESIGNn n光通信系统仿真软件包，用于在大部分光网络物理层上绝大多数的光连接形式的设计、测试和优化n n实现(shxin)了强大的仿真环境和对与系统以及器件之间的层次等级的真实界定第17页/共124页第十八页，共124页。OPTIAMP_DESIGNn n用于EDFA工程师估计从光器件搭配优化到系统互联和功率损耗(snho)的各个应用方面n n应用：用于单信道或WDM网络的单一或多重放大器；反射的、分离信道区间、双向和增益带门限的放大器；环状线性光纤放大器；宽带光源 第18页/共

16、124页第十九页，共124页。n nBPM_CADBPM_CAD：一种强大的，界面友好，应用于各种集成器：一种强大的，界面友好，应用于各种集成器件和光纤导波计算的计算机辅助设计软件包。件和光纤导波计算的计算机辅助设计软件包。n nIFO_GRATINGSIFO_GRATINGS：用于带有光栅的集成或光纤器件建模：用于带有光栅的集成或光纤器件建模的强大而界面友好的设计软件。许多远程通信和传感器的强大而界面友好的设计软件。许多远程通信和传感器的运转都是利用光栅来调节光导模式之间的耦合。客户的运转都是利用光栅来调节光导模式之间的耦合。客户只须简单的选择其中一项即可设定只须简单的选择其中一项即可设定(

17、sh dn(sh dn)器件参数。器件参数。n nFIBER_CADFIBER_CAD：为设计或使用光纤、光器件和光通信系统：为设计或使用光纤、光器件和光通信系统的工程师、科学家和学生们推出的，此软件包通用、强的工程师、科学家和学生们推出的，此软件包通用、强大，通过融合光纤色散、损耗和偏振模色散（大，通过融合光纤色散、损耗和偏振模色散（PMDPMD）各）各个模型计算所得的数值解来解决光纤模式传输问题个模型计算所得的数值解来解决光纤模式传输问题 第19页/共124页第二十页，共124页。n nHS_DESIGN：通过(tnggu)基于物理层对异质结结构电学光学的特 性仿真来协助半导体光器件的设计

18、 n nFDTD_CAD：用于高级有源和无源光器件的计算机辅助设计 n nWDM_Phasar：提供了强大的针对基于AWG的光复用分用和路由器件的设计和建模工具。优越的图形用户界面（GUI），其作为核心的能用鼠标控制的布局设计器包含有一整套波导阵列模板以便最大限度的辅助设计 第20页/共124页第二十一页，共124页。二二.ZEMAX概述概述(i sh)n nZEMAX能做什么？n nZEMAX是一个程序，它能够(nnggu)建模、分析以及辅助设计光学系统n nZEMAX不能做什么？n nZEMAX只是一个工具，它不能教会你如何设计镜头和光学系统，使用工具的你才是设计师；ZEMAX不能取代工程

19、实践，设计师的责任是检查ZEMAX模拟结果的合理性与可行性第21页/共124页第二十二页，共124页。n nZEMAX是什么？n nZEMAX是用光线追迹的方法模拟折射、反射和衍射的序列及非序列光学系统的透镜设计程序。n nZEMAX用“面”的概念模拟序列光线追迹，用“组件”或“物体”的概念模拟非序列光线追迹。n n序列和非序列光线追迹有着本质的区别，ZEMAX中可以使用三种光线追迹方式：n n (1)纯序列模式(msh)n n用于传统透镜及多数成像系统设计 n n (2)混合模式(msh)第22页/共124页第二十三页，共124页。适于系统中有重要的序列端口和一些非序列元件(如 棱镜、管道等

20、)(3)纯非序列模式 适于照明、散射、杂散光分析以及不需要(xyo)端口的模型序列光线追迹是指：光线从物面发出(通常是0面)，然后顺序地通过第一面、第二面，直到像面为止。因此光线是可逆的。非序列光线追迹光线按实际中传输过程向前传输，一条光线可能因折射、反射、散射、衍射变为多条光线第23页/共124页第二十四页，共124页。SamplesNon-sequentialRay splittingBeam splitter.zmx第24页/共124页第二十五页，共124页。n nZEMAX在设计中考虑(kol)及忽略的是什么？n nZEMAX中考虑(kol)的是：精确的光程；反射和折射；光程差和相位；

21、像差和图像形态；偏振；薄膜的透过率和吸收率；散射；静态分光n nZEMAX中忽略的是：透镜边缘的衍射（用物理光学计算除外）第25页/共124页第二十六页，共124页。三三ZEMAX的用的用户界面户界面(yn h ji min)ZEMAX是Windows平台上的视窗式用户界面，视窗的操作习惯与Windows平台相同，快捷键风格也与Windows相同3.1 ZEMAX的视窗类型 ZEMAX主要有五种视窗：主视窗(The main Window)主视窗是执行ZEMAX任务(rn wu)的控制中心，它包含了菜单栏、工具栏、标题栏等第26页/共124页第二十七页，共124页。n n编辑视窗(Editor

22、 Window)n nZEMAX中具有六种不同的编辑器：镜头数据编辑器(Lens Data Editor)、评价函数编辑器(Merit Function Editor)、多重结构编辑器(Multi-configuration Editor)、公差数据编辑器(Tolerance Data Editor)、用于补充光学(gungxu)面数据的附加数据编辑器(Extra Data Editor)、无序元件编辑器(Non-Sequential Components Editor)n n图形视窗(Graphic Windows)n n主要有设计草图(Layout)、光线扇形图(Ray fans)、调制传

23、递函数图(MTF Plots)、点列图(Spot Diagrams)等。n n文本视窗(Text Windows)n n文本视窗用于显示文字资料，如详细数据、象差数据等第27页/共124页第二十八页，共124页。n n对话框(Diglogs)n n对话框是一种固定(gdng)大小的跳出视窗(即不能用鼠标拖动变大或变小)。主要用于定义或更新视场(Fields)、波长（Wavelengths）、孔径（Apertures）、面型（Surface types）等3.2 主视窗的操作主视窗是ZEMAX打开后的弹出窗口，顶部有标题栏、菜单栏、快捷按钮，底部状态栏中有当前(dngqin)镜头的焦距（EFFL

24、）、F数（WFNO）、入瞳直径（ENPD）、总长（TOTR）。第28页/共124页第二十九页，共124页。标题栏菜单栏工具栏信息(xnx)区第29页/共124页第三十页，共124页。主视窗中快捷按钮和状态栏内容可以由用户重新主视窗中快捷按钮和状态栏内容可以由用户重新主视窗中快捷按钮和状态栏内容可以由用户重新主视窗中快捷按钮和状态栏内容可以由用户重新(chngxn)(chngxn)定义。菜单栏有：定义。菜单栏有：定义。菜单栏有：定义。菜单栏有：n n文件（File）：n n用于镜头文件的打开(Open)、新建(New)、存储(Save)、重命名(Save as)等，其中Use Session F

25、iles(使用场景文件)在打开一个新文件时，新的窗口会在其原始位置打开；Preferences允许用户(yngh)设置窗口中文字大小，快捷键，状态栏内容等等；第30页/共124页第三十一页，共124页。n n编辑器（Editors）：n n是ZEMAX中所有编辑器打开或唤醒的汇总。通过该菜单可打开或唤醒Lens data editor、Merit function editor等。n n系统（System）：n n用于更新或定义光学系统的光学特性数据，如相对孔径、视场与工作波长范围等等n n分析（Analysis）：n n是ZEMAX中重要菜单之一，是象质评价(pngji)与分析的主要工具。第

26、31页/共124页第三十二页，共124页。n n工具（Tools）：n n也是ZEMAX的重要菜单(ci dn)之一，用于镜头的优化、玻璃库的管理、公差分析、样板测试等等n n报告（Report）：n n用于形成镜头设计结果的报告n n宏编程（Micros）：n n用于执行已编译的宏程序。宏程序可以提取光线追迹数据、象质指标等，也可以定义新的优化设计用操作符等，执行时，宏程序作用的对象，是当前的镜头系统第32页/共124页第三十三页，共124页。n n外部程序接口(Extensions)：n n在ZEMAX环境中，使用(shyng)该接口，可以执行外部扩展名为*.EXE的执行程序，用于与ZEM

27、AX交换数据，或ZPL宏不能完成的功能。外部程序可以用C语言等编程工具完成。n n视窗(Windows)与帮助(Help)第33页/共124页第三十四页，共124页。四四.光学系统建立光学系统建立(jinl)举例举例4.1 设计要求(yoqi)拟设计光学系统具有：物距为无限(wxin)远4.2 分析：第34页/共124页第三十五页，共124页。第35页/共124页第三十六页，共124页。n n设计要求给出了系统设计要求给出了系统(xt(xt ng)ng)焦距焦距(50mm)(50mm)，视场角，相对孔径，无其它，视场角，相对孔径，无其它特殊要求特殊要求n n初始结构确定：初始结构确定：(1)(

28、1)用单透镜结构，并设光阑面与透镜第一面重合，因用单透镜结构，并设光阑面与透镜第一面重合，因此系统此系统(xt(xt ng)ng)需要四个面需要四个面(物面、透镜前后面、像面物面、透镜前后面、像面)。(2)(2)设透镜为设透镜为双凸透镜，且两个曲率半径大小相等，则曲率半径可由：双凸透镜，且两个曲率半径大小相等，则曲率半径可由：n n 算出。代入设计要求，选透镜材料为算出。代入设计要求，选透镜材料为BK7(BK7(n n )，则半径为，则半径为51.6851.68，取透镜厚度为，取透镜厚度为6mm6mm，则初始，则初始结构在结构在ZEMAXZEMAX中的数据为：中的数据为：第36页/共124页第

29、三十七页，共124页。n n其它光学特性参数的输入其它光学特性参数的输入(shr)(shr)方法方法1.General 输入相对孔径2.General功能(gngnng)可以由“SystemGeneral”选取，也可以由桌面上“Gen”快捷键来打开，打开后的General对话框如下图所示。第37页/共124页第三十八页，共124页。GeneralGeneral对话框中，具有对话框中，具有ApertureAperture、Glass CatalogGlass Catalog、Misc.Misc.等等选项。相对孔径的定义在等等选项。相对孔径的定义在ApertureAperture中完成。中完成。下

30、面对一些常用选项作一些说明。下面对一些常用选项作一些说明。ApertureAperture中：中：Aperture typeAperture type用于定义相对孔径，即轴上物点光束大小。定义的种类用于定义相对孔径，即轴上物点光束大小。定义的种类(zh(zh ngli)ngli)有：有：（1 1）Entrance Pupil DiameterEntrance Pupil Diameter（入瞳直径）（入瞳直径）当物体位于无限远时，可以选择它来定义相对孔径当物体位于无限远时，可以选择它来定义相对孔径（2 2）Image Space F/#Image Space F/#（像方（像方F F数）数）物

31、体无论位于无限远，还是有限远，都可以用像方物体无论位于无限远，还是有限远，都可以用像方F F数定义相对孔径，定义为：数定义相对孔径，定义为：f/#=EFL/f/#=EFL/EPD=EFL/(2y)EPD=EFL/(2y)（3 3）Paraxial Working F/#Paraxial Working F/#（近轴工作数）（近轴工作数）定义为定义为f/#=1/(2tanU)f/#=1/(2tanU)FUUy只有(zhyu)当物在无限远时，像方F数才与近轴F数相等第38页/共124页第三十九页，共124页。另外，在系统中还有一个Working F/#(工作数)，定义为f/#=1/(2sinU)，

32、从定义可看出三个“数”之间的差别。（4）Object Space NA（物方数值孔径）当物位于有限远时，可用之定义相对孔径，其含义为NA=nSin()，n为物方介质折射率，为高斯边缘光线孔径角。（5）Float by stop size（由光阑大小决定）这是定义轴上物点光束孔径的另一种(y zhn)方法，即由LDE中STOP面的“Smi-diameter”大小来决定，此时LDE中STOP的半宽右边显示“U”，表示Stop Surface的孔径被固定。（6）Object Cone Angle（物方锥角）当物体位于有限远时，可用轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔，其值为物空间边缘光线的半角，单位度

33、，可大于90度U第39页/共124页第四十页，共124页。n nGeneralGeneral对话框中其他功能对话框中其他功能n n(1)Apodization Type(1)Apodization Type(定义光瞳上光强分布定义光瞳上光强分布)n n选项：选项：UniformUniform表示表示(bi(bi osh)osh)光瞳被均匀照明；光瞳被均匀照明；GaussianGaussian表示表示(bi(bi osh)osh)光瞳上光瞳上光振幅扰动为高斯型，即：光振幅扰动为高斯型，即：；Cosin cubedCosin cubed表示表示(bi(bi osh)osh)光瞳上光分布为光瞳上光分

34、布为余弦型余弦型n n(2)Glass Catalogs(2)Glass Catalogs(玻璃库玻璃库)n nZEMAXZEMAX提供了德国提供了德国SchottSchott、日本、日本HoyaHoya、美国、美国CorningCorning等玻璃生产厂商的玻璃等玻璃生产厂商的玻璃库，还有红外、塑料材料（库，还有红外、塑料材料（PMMAPMMA）、双折射材料等内建玻璃库。）、双折射材料等内建玻璃库。n n2.Fields2.Fields对话框中定义视场对话框中定义视场n n通过通过SystemFieldsSystemFields可以打开视场定义对话框，该对话框中首先给出了视可以打开视场定义对

35、话框，该对话框中首先给出了视场种类定义的四个选项：角度（视场角）、物高、近轴像高、实际像高；接着给场种类定义的四个选项：角度（视场角）、物高、近轴像高、实际像高；接着给出了最多为出了最多为1212的视场序号，即最多可定义的视场序号，即最多可定义1212个视场，个视场，X-FieldX-Field与与Y-FieldY-Field同时选用时，同时选用时，适用于非旋转对称光学系统，对于旋转对称系统，一般仅在适用于非旋转对称光学系统，对于旋转对称系统，一般仅在Y-FieldY-Field栏中输入数据，栏中输入数据，定义子午面内的视场。定义子午面内的视场。WeightWeight用于定义各个视场的权重。

36、对于大视场光学系统，用于定义各个视场的权重。对于大视场光学系统，要考虑渐晕现象，由渐晕系数描述。要考虑渐晕现象，由渐晕系数描述。n n3.Wavelengths3.Wavelengths定义镜头工作波长定义镜头工作波长第40页/共124页第四十一页，共124页。通过通过SystemWavelengthsSystemWavelengths打开波长对话框，可以定义最多打开波长对话框，可以定义最多2424个波长，波长单位为微米。典型波长的数据已经个波长，波长单位为微米。典型波长的数据已经存储在对话框中，可以用存储在对话框中，可以用SelectSelect选用。其中选用。其中“Primary”“Pri

37、mary”定义的是主波长，用来考虑镜头系统的单色像差。定义的是主波长，用来考虑镜头系统的单色像差。4.4.本例中的光学特性数据输入方法本例中的光学特性数据输入方法（1 1）定义像方工作数）定义像方工作数(Image Space F/#)(Image Space F/#)为为5 5，选择，选择System General Aperture Image Space F/#System General Aperture Image Space F/#，在，在Aper Aper ValueValue中输入中输入5 5；（2 2）定义半视场）定义半视场0 0、7.077.07、1010，选择，选择Sys

38、tem Fields System Fields 在对话框中，选用在对话框中，选用1 1、2 2、3 3视场序号，输入视场序号，输入Y-FieldY-Field分分别别(fnbi)(fnbi)为为0 0、7.077.07、1010，不定义权重与渐晕因子等。，不定义权重与渐晕因子等。对场点选择的原则：对场点选择的原则：（3 3）定义波长。）定义波长。（4 4）定义物距。）定义物距。参数定义完后有效焦距并不等于参数定义完后有效焦距并不等于50mm50mm，这主要是由于透镜的厚度在，这主要是由于透镜的厚度在ZEMAXZEMAX中被考虑进去了，可以通过优化设计中被考虑进去了，可以通过优化设计保证焦距达

39、到要求。另外，焦点位置还没有确定，可用求解的方法确定，右击面保证焦距达到要求。另外，焦点位置还没有确定，可用求解的方法确定，右击面2 2的的Thickness Marginal Ray Thickness Marginal Ray Height OKHeight OK第41页/共124页第四十二页，共124页。在焦点(jiodin)位置，边缘光线的高度为0；对于近轴区域，光瞳高度对焦点(jiodin)位无影响，因此取0。取其它值时表示实际光线。第42页/共124页第四十三页，共124页。五五.基本基本(jbn)像差像差分析及像质评价分析及像质评价 前面介绍了在前面介绍了在ZEMAXZEMAX中

40、如何输入一个光学系统，但这中如何输入一个光学系统，但这只是一个初始结构，其性能如何，要通过只是一个初始结构，其性能如何，要通过ZEMAXZEMAX的像的像质评价功能对其进行评价。像质评价功能贯穿于光学质评价功能对其进行评价。像质评价功能贯穿于光学设计的中间过程与最终设计环节之中。下面我们选取设计的中间过程与最终设计环节之中。下面我们选取主要的像质评价指标，说明这些指标的具体含义。主要的像质评价指标，说明这些指标的具体含义。FansFans光学中的光学中的FansFans即光扇图，是与光学设计中的子午面和即光扇图，是与光学设计中的子午面和弧矢面的光线结构相对弧矢面的光线结构相对(xingdu)(

41、xingdu)应的。由任一物点发应的。由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内形成子午扇形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光形成子午扇形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可统称为线组描述跟像差有关的像质指标，可统称为FansFans。因。因此，此，FansFans描述的是子午与弧矢两个截面内的像差曲线描述的是子午与弧矢两个截面内的像差曲线图。图。Ray AberrationRay Aberration描述几何像差的垂轴表示法曲线，它为描述几何像差的垂轴表示法曲线，它为FieldsFields对话框中对

42、话框中定义的每一个视场绘定义的每一个视场绘第43页/共124页第四十四页，共124页。制出像面制出像面(XOY(XOY平面平面)上上X X分量像差分量像差(X aberration)(X aberration)和和Y Y分量像差分量像差(Y aberration)(Y aberration)随光线孔径随光线孔径高之间的变化曲线。通常高之间的变化曲线。通常(tngchng)X aberration(tngchng)X aberration用用EXEX表示，表示，Y aberration Y aberration用用EYEY表示，表示，光线孔径高用光线孔径高用PXPX、PY(PY(归一化值归一化值

43、)表示。其作图原理见下图。表示。其作图原理见下图。由由Ray aberrationRay aberration图可以看出几何像差存在时的综合弥散情况，还可以看出其他独立图可以看出几何像差存在时的综合弥散情况，还可以看出其他独立几何像差的大小，如由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差，诸如球差、场曲、几何像差的大小，如由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差，诸如球差、场曲、离焦的大小；由曲线边缘孔径离焦的大小；由曲线边缘孔径(1.0)(1.0)处的处的Y aberrationY aberration之和，能够反映彗差的大小；之和，能够反映彗差的大小；如果工作波长是一光谱段，则非主波长的曲线与如果工作波长

44、是一光谱段，则非主波长的曲线与EYEY轴的交点之差反映了垂轴色差轴的交点之差反映了垂轴色差的大小，随着视场的变化，可以看出垂轴色差的变化，等等。的大小，随着视场的变化，可以看出垂轴色差的变化，等等。第44页/共124页第四十五页，共124页。第45页/共124页第四十六页，共124页。n nSpot DiagramsSpot Diagrams（几何点列图）（几何点列图）n nRay aberrationRay aberration仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，点列图则能反映任一物点发出充满入瞳的光锥在像面情况，点列图则能反映任一物点发出充满入

45、瞳的光锥在像面上的交点弥散情况。上的交点弥散情况。n n点列图通常以主光线与像面交点为原点进行量化计算点列点列图通常以主光线与像面交点为原点进行量化计算点列图的弥散情况，图的弥散情况，ZEMAXZEMAX在此基础上还给出了以虚拟的在此基础上还给出了以虚拟的“质心质心”、“平均平均”为原点的量化点列图。为原点的量化点列图。n n使用点列图评价像质，除了观看点列图形状外，通常还要使用点列图评价像质，除了观看点列图形状外，通常还要使用两个指标，即使用两个指标，即RMS RadiusRMS Radius与与GEO RadiusGEO Radius，前者，前者(qin zh)(qin zh)表示点列图中

46、大多数点的分布范围，即集中的弥散半径，后表示点列图中大多数点的分布范围，即集中的弥散半径，后者表示点列图弥散的实际几何半径。者表示点列图弥散的实际几何半径。n n n n由点列图的图案及其大小也可以估算独立几何像差的大小。由点列图的图案及其大小也可以估算独立几何像差的大小。第46页/共124页第四十七页，共124页。仅有离焦像差时的点列图及光扇图仅有球差像差时的点列图及光扇图第47页/共124页第四十八页，共124页。彗差像散第48页/共124页第四十九页，共124页。n nMTFMTFn nMTFMTF是目前使用比较普遍的一种像质评价指标，称为调制传递函是目前使用比较普遍的一种像质评价指标，

47、称为调制传递函数。曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为数。曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为lp/mmlp/mm，纵轴表示对这些，纵轴表示对这些线对分辨的调制度。低频部分反映物体轮廓传递情形；中频部分反映光线对分辨的调制度。低频部分反映物体轮廓传递情形；中频部分反映光学物体层次传递情况；高频部分反映物体细节传递情况。学物体层次传递情况；高频部分反映物体细节传递情况。n n对于目视系统：对于目视系统：MTF0.05MTF0.05；对于摄录系统：；对于摄录系统：MTF0.15MTF0.15n n用用MTFMTF评价像质时要注意：（评价像质时要注意：（1 1）对每一种镜头系统，要根据物）对每一种镜

48、头系统，要根据物面物征、探测器象素与响应情况，确定评价时的特征频率和对比度阈值；面物征、探测器象素与响应情况，确定评价时的特征频率和对比度阈值；（2 2）查看）查看MTFMTF数值时，要看多色数值时，要看多色MTFMTF在每一视场处的子午和弧矢传函在每一视场处的子午和弧矢传函曲线，还要查看每一波长下每一个视场处的子午和弧矢单色传函曲线；曲线，还要查看每一波长下每一个视场处的子午和弧矢单色传函曲线；（3 3）MTFMTF值跟波像差、点列图一样，只反映成像清晰度，不反映变形，值跟波像差、点列图一样，只反映成像清晰度，不反映变形，所以要检查物像相似程度所以要检查物像相似程度(chngd)(chngd

49、)，还要看畸变曲线。，还要看畸变曲线。n n 第49页/共124页第五十页，共124页。例：例：35mm35mm照相物镜的要求：照相物镜的要求：EFL=75mmEFL=75mm，F/3F/3，决定合适的视场角，波长，决定合适的视场角，波长F,d,CF,d,C内部内部(nib)(nib)光阑，初始结构玻璃用光阑，初始结构玻璃用SK4SK4和和F2F2，玻璃最小边缘，玻璃最小边缘/中心厚度：中心厚度：3mm3mm，玻璃最大中心，玻璃最大中心厚度：厚度：15mm15mm，空气间隙最小边缘，空气间隙最小边缘/中心厚：中心厚：0.5mm0.5mm，最大空气间隙：，最大空气间隙：100mm100mm。要求

50、：边缘视场。要求：边缘视场MTFMTF在在30lp/mm30lp/mm达达50%50%，在，在50lp/mm50lp/mm达达20%20%。设计时我们以设计时我们以SamplesShort coursesc_dblgauss1SamplesShort coursesc_dblgauss1作为初始结构。作为初始结构。在这个结构(jigu)中，系统的入瞳已经满足要求，EPD=EFFL/F#=75mm/3=25mm，但其视场与波长与我们的要求不同，需要设定第50页/共124页第五十一页，共124页。视场：视场：35mm35mm相机的胶片是一个矩形，长宽为相机的胶片是一个矩形，长宽为36mmx24mm