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【ZEMAX 光学设计软件操作说明详解】 第二章
概述 本章介绍了对 ZEMAX 用户界面进行操作的一些习惯用法,以及 一些常用的窗口操作的快捷键。 一旦您学会了在整个程序中通用的简 单的习惯用法, ZEMAX 用起来就很容易了。在线教程中,也有逐 步学习 ZEMAX 使用方法的例子。 视窗的类型 ZEMAX 有不同类型的窗口,每类窗口完成不同的任务。这些类 型有: 1

、 主窗口:这个窗口有很大的空白空间,顶端有标题栏,菜单栏 和工具栏。菜单栏中的命令通常与当前的光学系统相联系,成 为一个整体。 2、 编辑窗口:有六种不同的编辑 1)透镜数据编辑;2)绩效函数 编辑;3)多重结构编辑;4)额外数据(ZEMAX-EE) ;5)公 差数据编辑;和非顺序组件编辑(ZEMAX-EE) 。 3、 图形窗口:这类窗口用作呈现图像数据,例如:系统图;光线 扇形图 (Ran fan) ; 光学传递函数 (MTF) ; 曲线 (Dot Spot) …… 等等。 4、 文本窗口:用来列出文本数据,例如:指定数据、像差系数、 计算数据等。 5、 对话窗口:对话框是弹出窗口,不能改变大小。对话窗口用来
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用户界面

改变选项和数据,如:视场;波长;孔径光阑;表面类型等。 在图像和文本窗口中,对话框也被广泛地用来改变选项,比如 改变系统图中光线的数量。除了对话框,所有窗口都能通过使 用标准鼠标这键盘按钮进行移动和改变大小。如果你对这些方 法不熟悉,请参考有关 Windows 使用的书籍或者 Windows 的 说明书。 主窗口的操作方法 主窗口栏有几个菜单标题。大部分菜单标题与这本手册后面的章 节标题相对应。 从这些章节能够找到使用每一菜单项的具体方法。 以 下是菜单的标题: File:用于镜头文件的打开、关闭、保存、重命名; Editors:用作调用(显示)其他的编辑窗口; System: 用于确定整个光学系统的属性; Analysis:分析中的功能不是用于改变镜头数据,而是根据这些 数据进行数字计算和图像显示分析。包括:系统图(Layout) 、Ray fans,Spot diagrams,Diffraction calculations and more。 Tools:工具中的命令是可以改变镜头数据的,也可以从总体上对 系统进行计算。 包括: Optimization, tolerancing, test plate fitting and more。 Reports:提供透镜设计的相关文档。包括系统数据概要;表面数 据以及图像报告等。 Macros:用来编辑和运行 ZPL macros。
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Extensions:提供 ZEMAX Extensions 的功能,这是 ZEMAX 的编 辑特性。 Window:从当前所有打开的窗口中选择那一个置于显示的最前面。 Help:提供在线帮助文档。 大部分菜单命令都有相应的键盘快捷键。比如:退出 ZEMAX 可 以键入 Ctrl-Q。快捷键都标在了相应菜单命令旁边。 在主窗口中可以使用 Ctrl-Tab 快捷键对各种子窗口进行切换,操 作后,在 ZEMAX“窗口”菜单中罗列的下一个子窗口就变成当前窗 口。 主窗口菜单栏下面, 还有一排按钮。 这排按钮可以对一些常用的命 令进行快速选择。 所有按钮的功能在菜单中都能找到。 按钮的标题与 文件菜单下对话框中相关的命令不完全相同, 他使用对应于对话框详 细标题的三个方便记忆的字母。要显示这些按钮,显示器最好使用 1024×768 以上的分辨率。 编辑窗口的操作 编辑窗口的最基本的功能是用来输入镜头和评价函数数据。每个 编辑窗口类似于一个由行和列构成的电子表格。 每一行与每一列构成 一个单元格。如果编辑窗口是活动窗口(标题栏显示为高亮) ,就会 有一个单元格显示为高亮或者相反的颜色。 这个单元格被称为活动单 元格,具有输入键盘焦点。单元格的相反颜色被称为箭头,虽然他并 是通常意义下的箭头。 具有键盘焦点是指从键盘输入的任何数据都会输入到这个活动单
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元格中, 除非是象箭头等控制键或者键盘组合, 这些控制命令都是直 接对主窗口的。 要对活动单元格中的数据进行编辑, 只需要重新输入 新数据并按回车键结束。 要增加单元格中是数值,可以输入一个“+”号和增加的数,然 后回车。比如,要把 12 变成 17,只需要输入“+5”并回车。同样, “*”代表乘, “/”代表除。如果要减去一个数在减数前面加上一格 符号即可。要区分输入的是减数还是负值,可以使用空格来区分。 要对某一个单元格内容进行编辑, 又不想重新出入表中所有数据, 可以使单元格变为亮,按 Backspace 或者 F2 键。左右光标键, home,end 键都可以用来辅助编辑。 鼠标可用来选择和替换文本部分。 一旦单元格内容改变了,按 Eenter 结束编辑,光标还保留在当前单 元格上。按上下光标键同样可以结束编辑,也可以顺序移动光标。按 下 Tab 或者 Shift-Tab 键可以结束编辑并左右移动光标。 要放弃对单元格的编辑,按 Escape 键。 左右上下光标键可以顺序移动光标。同时按下 Control 键和上下 左右光标键,可以一次向一个方向移动一屏。Tab 或者 Shift-Tab 键 也可以向左右移动光标。 Page up 和 Page down 键一次将光标移动一屏。Ctrl-page up 和 Ctrl-Page down 将光标移动到本栏的顶端或者底端。 Home 和 end 键 将光标从第一行和最后一行之间切换。 Ctrl-home 和 Ctrl-end 可以将 光标从最后一列第一行和最后一行之间切换。 单击单元格会将光标移到其上面。在单元格上双击会弹出 solve
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对话框。单击鼠标右键也会弹出 solve 对话框。 图形窗口操作 图形窗口有一下菜单条: 刷新:这一功能根据现有设置重新计算在窗口中要显示的数据; 设置:激活控制这一窗口的对话框; 打印:打印窗口内容; 窗口:窗口菜单下有这些子菜单: 注释:详见“使用注释功能” ,注释下面的菜单有: 划线:在图形窗口中画一条直线; 文本:在图形窗口中创建并标注文字; 方框:在图形窗口中绘制方框; 编辑:允许对注释功能进行扩展编辑; 复制剪切板: 将窗口内容拷贝到 Windows 的剪切板。 下面的 部分有详细的解释: 输出:将显示的图形以 Windows Metafile,BMP 或者 JPG 的 格式输出。JPG 格式还支持高、中、低三种图像质量。中等图像质 量能够在保证图形质量的情况下,大大减小文件的尺寸。 锁定:如果“锁定”被选中,窗口会变为“静态”窗口,数 据不能被改变。被锁定窗口的内容可以被打印、可以拷贝到剪切板, 也可以存为一个文件。这一功能可以用于对不同镜头文件进行比较。 一旦窗口被锁定,就不能被刷新。因此,随后打开的任何新的镜头文 件可以与被锁定的窗口的数据进行对比分析。 如果窗口被锁定了, 就
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不能解锁。 要重新计算窗口中的数据, 必须把窗口关闭并打开另一个 窗口。 克隆:这个选项能够打开一个新的窗口,这一新窗口的各种 设置和显示数据与当前窗口完全相同。 这一功能有助于建立一个基于 原始窗口设置的新窗口。 克隆窗口建立之后, 操作与其他窗口完全一 样,他可以被刷新,也可以改变设置,完全独立于原始窗口。 长宽比:长宽比可以选为 3×4(高×宽)的默认值,也可以 选为 3×5,4×3,5×3。后两种选项高度要比宽度大。默认的长宽 比可以在文件的 Preferences 对话框的 Graphics 标签上进行设置。 活动光标: 当鼠标位于显示图形的活动区域时, 。 活动光标会 在窗口的标题上显示鼠标所在的坐标位置。在大部分由 X、Y 两个方 向表示的图形中, 显示的数值的含义是显而易见的。 而在一些其他的 图形中, 比如三维结构图中, 显示的图形是三维物体在二维平面上的 投影。如果图像被旋转,活动光标所显示的坐标值就没有意义了。不 是所有的图形都支持活动光标。活动光标的默认设置是“关” ,但是 可以通过选中这项菜单在“开” “关”之间切换。通过文件菜单中的 Preferences 对话框下的 Graphics 标签创建新的图形窗口,可以将活 动光标设为自动开或者关。 结构:选择当前或者其他特定的结构进行数据显示。默认值 是“当前值” ,这表示在窗口中显示的数据是遵循当前的结构。有一 些分析窗口,如三维结构图、报告图形、点列图等,在“Setting”对 话框中允许选择一种或者多种结构。如果在“Setting”对话框中具有
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这一选项,就可以替代窗口中的“结构”菜单,这一项呈灰色。 重叠:提供所有打开图形窗口的名单。其中任意一个都可以 选择用来与当前显示的图形进行重叠。 重叠功能有助于对两个相似的 图形或者结构进行比较,用以发现细小的变化。 文本:在新窗口中显示文本数据。不是所有的图形窗口都支 持这一功能。 缩放: 控制图形中小区域内图形的缩放。 详见后面 “使用 PAN 和缩放”部分。缩放菜单下的子菜单有: 放大:以当前中心位置为中心进行两倍放大; 缩小:以两倍缩小; 上一次:恢复前一次的缩放设置; 不缩放:恢复图形的完整视图。 在使用图形窗口时,有两种鼠标的快捷方式: 在图形窗口任意位置双击鼠标可以使内容更新。这与选择菜 单上的刷新是一样的。 在图形窗口任意位置按下鼠标右键,会弹出设置对话框。 使用注释功能 与几种方式来对图形窗口进行注释,比如常用的划线、方框和文 字。 选择注释的最简单的方法是从图形窗口的菜单栏上选择, 然后再 选“画线” , “方框”或者“文字” 。要画一条直线,选中“画线”这 一项, 然后在直线起始端按下鼠标左键, 并拖动十字线到直线的末端, 再释放鼠标键。画一个方框的步骤也大致如此。
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要在窗口中添加文字,选择“注释” ,然后是“文字” 。会弹出一 个文字输入的对话框。输入需要的文字,然后选择“OK” ,再在窗 口中需要添加文字的部位单击鼠标。 要对直线和文字进行更为精确的控制, 比如对文字字体进行设置, 或者增加更为复杂的注释,从图形窗口选择“注释”下的“编辑”菜 单。 将会弹出一个注释编辑器窗口, 这个窗口由一个简单的文本编辑 器和几个按钮构成,另外还有一个单选框(Check Bok) ,用来使图 形的注释功能禁用或者允许使用。 文本编辑区域用来定义图形的注释功能。要插入一条新的直线, 可以使用键盘命令 Ctrl-Enter。 有几种支持的命令,每一种使用特定的语法。如: TEXT“string”x、y angle fontx fonty

TEXT 命令用来在 x,y 确定的位置写上双引号中的文本。文字角 度由 angle 确定, 采用固定字体, 这种字体的宽度和高由 fontx 和 fonty 确定。坐标使用归化单位:图形左边缘的坐标为 x=0.0,右边 x=100.0, 底边 y=0.0 以及顶部 y=100.0。原点为屏幕是左下角。角度值用度数 表示。Fontx 和 fonty 的单位可以是任意的。角度、Fontx、fonty 的 值可以不定义,此时使用的是默认值。 LINE x1 y1 x2 y2 LINE 命令用来绘制一条从 x1, y1 到 x2, y2 的直线。X 和 Y 的单位和坐标系统与上面 TEXT 命令中的确定方法完全相同。 BOX x1 y1 x2 y2
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BOX 命令以 x1, y1 和 x2, y2 为对角位置绘制一个方框。X 和 Y 的单位和坐标系统与上面 TEXT 命令中的确定方法完全相同。 ELLIPSE x y rx ry ELLIPSE 命令以 x ,y 为中心,长半轴为 rx,短半轴为 ry 画椭 圆。如果 rx 与 ry 相同,或者 ry 省略,那么画出来的是一个半径为 rx 的圆。 在注释对话框中有几个按钮: OK:接受显示的注释并退出。 Cancle:恢复为原先的注释并退出。 SAVE:打开“保存为”对话框,可以按给定的文件名对注释进行 保存。 LOAD:打开装载对话框,可以选择装载文件。装载进来的文件 包含有注释。 RESET:清除编辑缓存。 HELP:在线帮助功能。 使用移动和缩放功能 任何图形窗口都可以被移动(左右上下移动)或者被缩放。要激 活移动和缩放功能,选择任意 ZEMAX 的图形窗口,在窗口任何位 置单击鼠标左键并持续按住 1/2 秒钟,这时光标将由箭头变为十字。 向右下方拖动鼠标,当出现的矩形框大小覆盖需要聚焦放大的区域 后,释放鼠标。选中的区域会放大到充满整个窗口,但是图形的纵横 比仍然保持不变。
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要进行移动,拖动窗口边缘的滚动按钮。只有当图形被放大后, 才允许对图形进行移动。 要将图形恢复到原始尺寸,从图形窗口的菜单栏中选择“缩放” “不缩放”即可。 使用移动和缩放功能时,可以使用键盘快捷键。详见本章“常用 快捷键总结”表。 文本窗口操作 文本窗口有以下菜单条: 刷新:使用当前设置,重新计算窗口中显示的数据; 设置:激活控制窗口选项的对话框。 打印:打印窗口内容; 窗口:有五个子菜单: 复制剪切板:将窗口内容复制到 Windows 剪切板。下面有详 细的介绍。 保存文本:将显示文本数据保存为 ASCII 文件; 锁定窗口:如果选择此项,窗口会变为静态窗口,其中数据不 能改变。锁定窗口中的内容可以被打印、复制到剪切板,和保存到一 个文件中。 这一功能应用于对不同的镜头文件数据结果进行对比。 一 旦窗口被锁定, 就不能刷新, 所以后被载入的新镜头文件就可以与它 进行对比分析。窗口被锁定后,就不能解锁。要对窗口的数据进行重 新计算,必须关闭此窗口,重新打开。 克隆: 这一选项会打开一个新的窗口, 新窗口的设置和显示的
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数据与当前窗口完全一致。 这一功能有助于建立一个基于原始窗口设 置的新窗口。克隆窗口被建立之后,与其他窗口完全一样,可以被刷 新,也可以独立于第一窗口改变设置。 结构:为显示数据选择当前或者任意结构。默认值是“当前” , 这表示在窗口中显示的数据是遵循当前激活的机构的。 文本窗口中有两种鼠标的快捷方式: 在图形窗口任意位置双击鼠标可以使内容更新。 这与选择菜单 上的刷新是一样的。 在图形窗口任意位置按下鼠标右键,会弹出设置对话框。 对话框操作 大部分对话框都有自说明文件。 一般来说 Windows 的对话框都有 OK 和 Cancle 按钮。 分析功能中(比如 Ray Fan Plot)的对话框可以对不同选项进行 选择。这种对话框有六个按钮。 确定(OK) :按照当前选项,重新计算和显示数据; 取消(Cancle) :恢复对话框激活当前的选项,不重新计算数据; 保存: 将当前选项保存作为以后的默认设置。 下面有详细的解释; 载入:载入之前保存的默认值。下面有详细的解释; 复位:将默认值复位为出厂设置; 帮助:启动 ZEMAX 帮助系统。 保存和载入按钮具有双重功能。当保存按钮被按下时,当前设置 被保存到当前镜头文件中, 同时, 其他所有没有特定设置的镜头也按
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此进行设置。比如,镜头 A 载入时,在系统图中光线数目设为 15, 然后按下保存按钮,A 的默认光线数目就被设为 15。而后建立的其 他新镜头,或者没有特定设置的原有镜头,也会将 15 条光线作为默 认值。假设又载入镜头 B,光线数要变为 9,也按下保存按钮。对于 B,以及其他没有特定设置的镜头,默认值就变成了 9。但是,原来 的镜头 A 仍保持 15 的设置,因为它有自己的特定设置。 载入按钮也是一样的。当按下载入按钮时,ZEMAX 会检查是否 这一镜头之前有过设置。如果有,相应的设置也被载入。如果没有, ZEMAX 就载入对所有镜头适用的最后一次的设置。还用上面的例 子, 如果载入一个新的镜头 C, 由于最后一次的保存设置光线数为 9, 它的光线数也是 9,而 A 和 B 载入时,设置分别为 15 和 9,这是因 为他们都有属于自己的设置。 保存和载入的设置被保存在与镜头文件同名的文件中,但扩展名 由“ZMX”变为“CFG” 。CFG 文件中没有镜头数据,而只是对没 有分析功能进行的用户设置。 对话框中的另外选项可以使用键盘和鼠标进行选择。 使用键盘时, 用 Tab 和 Shift-Tab 键进行移动选择。 空格键可以对单选框进行切换。 光标键可以对下拉项进行选择。 在下拉框中按下任意选项的首字母也 可以选择该项。 取消长时间的计算 一些 ZEMAX 的工具需要较长的计算时间。 比如优化、 全局优化、 公差分析等,他们的运行可以需要几秒钟,也可能需要好几天。要中
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断这些功能的运行, 可以按下显示的 “中断” 按钮。 按下后, ZEMAX 会退出计算,回到主程序的控制中。一般来说,计算的结果就得不到 了,而且也不会显示出来。 一些分析功能(MTF 和图像分析功能) ,在一些情况可能运行很 长的时间。比如 MTF 计算时采用非常大的网格数,或者在进行象质 分析时采用的光线密度非常大,这都需要长时间的计算。然而,因为 分析功能是直接在窗口中显示输出, 窗口中没有状态进程框, 也没有 中断按钮,这种情况下,键盘命令“Escape”就用来中断长时间的计 算。没有相应的鼠标动作,只有 Escape 可以使用。 Escape 键可以中断 MTF , PSF , Encircled 能量,和其他衍射的计 算。如果 Escape 键被按下了,会回到对主程序的控制中(需要 1 到 2 秒的时间) ,在窗口中显示的数据是无效的。对于象质分析功能, Escape 键中断对新的光线的追迹计算,但是,已经追迹的光线还是 会显示出来,即使不完整,光线的数据也是正确的。 常用快捷键总结 下面的表格总结了常用的快捷键,包括对键盘和鼠标的操作 ZEMAX 快捷键 动作 Ctrl+Tab Ctrl+字母 结果 从窗口到窗口移动输入焦点 是许多 ZEMAX 工具和功能的快捷键。比如, Ctrl+L 显示二维结构图。菜单旁边列出了所有 的键盘快捷键。
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F1……F10

很多功能也使用功能键作为快捷键。菜单旁边 列出了相应的快捷功能键。

Backspace

当一个编辑窗口具有输入焦点时,运用 Backspace 键可以对高亮的单元格进行编辑。 按 下 Backspace 键后,鼠标和左右光标键可以用 来进行编辑。

双击鼠标左键

如果鼠标在图形和文本窗口中,双击会使窗口 内容重新计算和重绘。这与选择刷新完全一致。 对于编辑窗口,可以产生 solves 对话框。

鼠标右键

在图形和文本窗口中,击鼠标右键会弹出对窗 口进行设置的对话框。这与选择“设置“完全 一样。对于编辑窗口,可以产生 solves 对话框。

Tab

在编辑窗口中移动到下一个单元格,在对话框 中移动到下一区域。

Shift+Tab

在编辑窗口中移动到前一个单元格,在对话框 中移动到前一区域。

Home/End

在表格编辑器中,移动到当前编辑器的左上角/ 左下角;在文本窗口中,移动到窗口的顶部/底 部;在图形窗口中,放大/缩小

Ctrl+Home/End

在表格编辑器中,移动到当前编辑器的右上角/ 右下角;在图形窗口中,上一次缩放/恢复原状 态
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箭头(左右上下)

在表格编辑器中,一次移动一个单元格;在三 维图形窗口中,绕 X、Y 旋转视图。

Ctrl+箭头(左右上下) 在表格编辑器中,一次移动一屏;在图形窗口 中,向左右上下移动。 Page Up/Down 在表格编辑器中,一次向上或者向下移动一屏; 在三维图形窗口中,绕 Z 旋转视图。 Ctrl+ Page Up/Down 在表格编辑器中,移动到一列的顶端或者底部。 WINDOWS 快捷键 动作 ALT+TAB 结果 在当前运行的运用程序之间切换在 ZEMAX 与其 他应用程序之间切换时非常有用 CTRL+ESC ALT ALT+字母 弹出 Windows 任务栏,可以选择其他应用程序。 选中当前应用程序的顶部菜单条 选中菜单中具有相应字母的选项。比如,ALT+F 选中文件菜单 TAB SHIFT+TAB 空格键 回车 字母 使用Windows剪切板 Windows 中一个非常有用的工具就是剪切板。剪切板是图形与文
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移动到下一选项或者区域 移动到前一选项或者区域 在单选框的开启或者关闭之间切换 在对话框中与按下高亮或者默认的按钮等效 在下拉框中按下一个词的首字母可以选中该项。

本的“保留区域“。使用剪切板的优点在于,几乎所有的 Windows 程序都可以对剪切板进行导入和输出。 ZEMAX 最基本的功能就是用来产生图形和文字数据,它只支持 对剪切板的输出。一旦锁需数据拷贝到剪切板,其他的应用程序,诸 如文字处理器, 图像编辑器, 或者桌面印刷系统就可以很容易低重新 应用这些数据。比如,这本手册中的图形就是 ZEMAX 产生后,拷 贝到剪切板,然后再从剪切板粘贴到桌面印刷系统程序中的。 要使 ZEMAX 的图形和文本输出到剪切板中是非常简单的。选择 所需要的图形和文本,然后选择菜单中的“窗口” , “复制到剪切板” 即可。表面上看不到任何变化(数据的传送非常快) ,但是数据就可 以被其他应用程序使用了 现在要把剪切板数据输送到一个文字处理程序中,运行这一程 序,现在“粘贴” ,这一选项一般在程序的“编辑”菜单下。可以查 阅这一程序的文档说明。 一些 Windows 的应用程序不能输入 ZEMAX 的图形,即使在 Windows 的剪切板中可以正确的显示也不行。这中情况下,可以使 用这一章前面描述的图形窗口部分中介绍的“输出 Metafile” ,创建 Metafile 文件之后,大部分的 Windows 程序可以导入这类图形了。 将 ZEMAX 图形输送到其他应用程序中的另外一种方法是使用 屏幕捕获,这能将整个屏幕和任意单个的窗口建立成为一个位图图 像。要将整个屏幕捕获为一个位图,按下 Ctrl+Print Screen 键。要 捕获一个窗口,选中那一窗口并按下 ALT-Print Screen。屏幕位图被
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捕获后,可以使用 Ctrl+v 或者“编辑”菜单中的“粘贴”命令粘贴 到其他程序中。具体使用那种方法取决于程序。

【张发伟二零零三年七月书于深圳宝安沙井新桥】 其中的不足之处希望朋友自己修正。谢谢! 联系方式:zfw0080@163.com

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第三章

约定和定义

※介绍: 本书的这章描述一些约定和限制定义术语。ZEMAX 在这里用到的大多数约定和术 语广泛的用于光学工业,然而有些是不完全相同的。 ※角放大率: 近轴像空间主光线角与近轴物空间主光线角的比率叫做角放大率, 角的测量与近 轴入瞳和出瞳的位置有关。 ※切迹法: 切迹法指的是系统入瞳的连续均匀的光线。选择默认,瞳处的光线总是连续均匀 的。 然而有时也会有非连续均匀的光线。 在这种情况下, ZEMAX 支持光瞳切迹法, 也就是改变光瞳处的光波振幅。 有三种类型的切迹:均匀型,高斯型,矩阵型。对每一种类型(除连续均匀以外) 切迹因素取决于光瞳处振幅的变化率。切迹法具体类型和因素的讨论参考“系统 菜单”的章节。 ZEMAX 也支持用户自己定义切迹法,也就是可以放置任意表面,表面切迹法不同 于光瞳切迹法,因为表面不需要放置在光瞳处。表面切迹法的更多信息请参看 “表面类型”这章的“用户定义表面”这节。 ※后焦长度: ZEMAX 定义的后焦长度是沿着 Z 轴的方向,最后一个玻璃面到像面的距离。如果 没有玻璃面,后焦的长度是 Surface1 到近轴像面的距离。 ※主像面: 主像面(有时又叫主点)指的是物和像空间共轭位置有特定的放大率。主像面包 括放大率为+1 的平面,角放大率为+1 的节平面,放大率为-1 反节面,和放大 率为 0 的像方焦平面和物方焦平面。 除了焦平面之外,其他主像面之间也相互构成共轭面。也就是说像空间的主像面 与物空间的主像面是共轭面, 等等。 如果透镜的物空间和像空间有相同的折射率, 那么节面与主像面重合。 ZEMAX 列出了从这一表面到另一表面的距离,还列出了从第一表面到各物空间像 面的距离。 ※主光线: 如果没有护真光阑和像差,则把从一特定场点穿过入瞳中央,到达像面的光线称 作主光线。注意到没有护真光阑和像差,则任何穿过入瞳中央的光线将穿过光阑 和出瞳。 当考虑到护真光阑,则主光线的定义为只穿过光阑中央,不一定穿过光阑中央的 光线。如果有光瞳像差(这是客观存在的)那么主光线可以穿过近轴入光瞳(如 果不用准直)或光阑中央(用准直)但一般说来,不会二者同时存在。 ZEMAX 从不用主光线来计算,主要的计算是参考主要的或中央光线。注意质心参 数优于主光线。因为他在像面上受到的干扰小。

※坐标轴(系): 光学轴是 Z 轴,光线开始传播的方向是 Z 轴的正方向。在传播方向上加一块平面 镜会使传播反向, 坐标系尊从右手定则, 传播方向是从左向右, 沿着 Z 轴正方向。 经过奇数平面镜之后,光线指向 Z 轴负方向。因此,经过奇数平面镜之后,所有 的厚度是负的。 ※衍射极限: 衍射极限指的是:一个光学系统的性能受到衍射的物理机制的限制,而不是设计 或者制作的不完整性。 普遍的约定是系统的衍射极限是根据光程差来计算或度亮 的。如果波峰到波谷的 OPD(光程差)小于波长的四分之一,那么就说系统处于 衍射极限。 这里还有许多方式决定系统的衍射极限。例如:施特雷尔比(在同一系统里形成 的有象差点像的衍射图峰值与无象差的峰值亮度之比。用于像质的评价)。RMS OPD;标准背离,最大斜差。对一个系统来说,用这种方法是衍射极限而另一种 不是衍射极限,这是可能的。 关于一些 ZEMAX 的图,例如,MTF 或 Diffraction Encircled energy(衍射能量 圈图)等衍射极限的光学表示。衍射极限的响应是显而易见的。这些数据通常根 据视场域的某一参考点的追踪光线计算出来的。光瞳迹变;护真光阑;F/#;表 面孔径等等都和传输有关。但不管实际的光路怎样,光程差都定为 0。 对于系统来说,如果场角在(0,0)点处,则参考点的位置在坐标轴场点。如果 不定义(0,0)点,那么场点通常有(1,1)代替。 ※边缘厚度: 边缘厚度的求解可以改变中心厚度, 也就是边缘厚度的求解可改变接下来的一个 表面的入射光线,意思是下一表面的半径会改变。如果下一表面的半径用边缘厚 度来计算,就会出现“infinite loop”或者“circular definition”。 因为这个原因,边缘厚度求解计算的边缘厚度严格的针对第一和第四表面。尽管 第二表面的曲率和形状被用到,但从来未涉及到它的半径。 ※有效焦距: 后主像面到近轴像面的距离。他的计算是不断变化的,主像面的计算总是根据近 轴光线数据。既使像空间的折射率不是 1,有效焦距也总是以 1.0 的折光线为参 考。 ※入光瞳直经: 入光瞳直径等于物空间中用透镜单位表示的近轴像光阐的大小。 ※入光瞳位置: 近轴入光瞳的位置与系统的第一表面相联系。第一表面不是物面 surface 0 而是 surface1。 ※出光瞳直径: 出光瞳直径等于近轴像空间用透镜单位表示的近轴像光阐的大小。 近轴出光瞳的位置相联系于像表面。

※场角和高度: 场点可被定义为角;物高(对系统来说是有限别性的共轭面)近轴像高和真实像 高。 场角通常是用度数表示的。度数是根据物空间的近轴入瞳的位置来度量的。 ※浮动光阐大小: ZEMAX 支持系统的浮动光阐的定义。指的是入瞳位置;物空间的数值孔径;像空 间的 F/#及表面光阐的曲率半径。因此,设半径,相应的其他表面的值也随之而 定,这种是定义孔径的最有效的方法,尤其在设置虚拟的光学校正面时很方便。 ※玻璃: 玻璃的输入是根据 LDE 的“Glass”列。空缺代表空气折射率为 1,还可以通过 输入“MIRROR”来定义平面镜通过“glass catalog tool”得到所有的玻璃目 录。 ※Hexapolar rings: ZEMAX 通常选择一定光线模式来作为通用的计算,例如点图,光线模式指的是进 入初瞳的一系列模式。“The hexapolar”模式是旋转轴对称,用环绕中央光线 的环数来表示。第一个环包括 6 束光线,第二个环 12 束第三个环 18 束,如此类 推。 ※像空间工作数 F/#: 像空间工作数 F/#是近轴有效焦距比上近轴入瞳的直径。 ※像空间数值孔径(NA): 像空间数值孔径用主波长来计算。 ※透镜单位: 透镜单位主要用来度量,透镜系统,包括毫米、厘米、英寸、米。 ※边缘光线: 边缘光线指的是从物中心到入瞳边缘在像平面成像的光线。 ※非近轴系统: 非近轴系统指的是不能用近轴光线充分描述的系统。 ※非连续描光: ※归一化场域和光瞳坐标: ZEMAX 程序和文件中经常用到归一化场域和光瞳坐标。四个归一化坐标: Hx,Hy,Px,and Py。Hx 和 Hy 值是归一化场域坐标,Px Py 是归一化光瞳坐标。 归一化场域和光瞳坐标用一个单位圆来表征。视场半径的大小(或者物高)是归 一化场域坐标的范围,入瞳的半经,用来限制归一化光瞳坐标。例如,假如最大 物高是 10mm,如果定义了 3 个场域, 分别在:0、7、10mm。坐标(Hx=0,Hy=1) 指的是物空间光线的开始位置是(x=0mm,y=10mm);坐标(Hx=-1,Hy=0)指物体

(x=-10mm,y=0mm)光瞳的坐标也是同样的方式表式。假如入瞳的半径(不是直径) 是 8mm,那么(Px=0,Py=1)指的是入瞳顶端边缘的光线。则在入瞳表面光线的 坐标是(x=0,y=8)。 注意:归一化坐标总是位于-1 到+1 之间。采用归一化坐标的优点是,某一条光 线总是有同样的坐标。例如,边缘光线的坐标总是(Hx=0,Hy=0,Px=0,Py=1), 主光线的坐标总是(Hx=0,Hy=1, Px=0,Py=1)。 系统应用归一化坐标的另一个优点是:当光瞳的大小和位置变化时仍然有意义。 假如要优化一个透镜设计,您定义了计算系统绩效函数的光线,通过应用归一化 坐标,当光瞳的大小和位置或物的大小和位置改变了;或者正在优化之中,同样 的光线仍然适用。 归一化视场坐标的角位置用度数定义。例如:假定您选择 y-field 的角度是 0; 7;10 度,就表示您的最大场角是 10 度。则归一化场角的坐标(Hx=0,Hy=1) 表示 x-field 是 0 度,y-field 是 10 度。归一化场角的坐标(Hx=-0.5,Hy=0.4) 表示 x-field 是-5 度,y-field 是 4 度。注意到:如果没有 x-field,您可以用 一个非 0 的 Hx 来描光。 Hx 和 Hy 的值总是指被物方最大角空间限定的圆形区域。 如果您限定 x-field 是 10 度;y-field 是 6 度,则最大圆形区域是 11.66 度, 接着 Hx 和 Hy 将受到这个半径的归一化。 注意:如果用角定义,那么坐标就是归一化视场坐标;如果用物高定义,那么坐 标就是归一化物高坐标。 ※物空间数值孔径: 物空间数值孔径是度量从物方进入光线的散度。 数值孔径被定义作近轴边缘光线 角的折射指数。 ※近轴和“parabasal 光线”: 近轴光线是指可以用斯涅尔定理来描述的光线。斯涅尔定理是: 对于小角度可改写为:(公式可以参看手册) 在光学中的大量定义是遵循这种线性关系。失常指的是偏离这种性质。因此,近 轴光学系统经常忽略这种失常。即,认为它是线性的。 尽管这个数字化的公式用来计算近轴模型很简便,例如:焦距;F/#;放大率, 等等。但 ZEMAX 通常不用这些公式。而是用“parabasal 光线”,通常是坐标或 者主光线来计算。 ZEMAX 用“parabasal 光线”的原因是很多系统包括非近轴成分。 ※近轴像高: 在近轴像平面上近轴像的半径大小叫近轴像高。 ※近轴放大率: 近轴像高和物高的比率叫近轴放大率,它在近轴像平面测量。无限大共轭系统的 近轴放大率是 0。 ※近轴工作数 F/#: 有效的忽略失常的工作数 F/#叫近轴工作数 F/#。

※主波长: 主波长用微米表示,用来计算系统的其他值。 ※曲率半径: 用透镜单位度量的每一表面的弯曲程度。 ※连续描光: ※表面光圈: 表面光圈包括: 圆形; 矩形; 椭圆形和网孔形。 用户还可以自己定义光圈和光阑, “浮动” 光圈是基于半径值而定义的。表面光圈对系统光圈没有影响。 ※系统光圈: 系统光圈是:系统 F/#;入瞳直径;数值孔径或光闸,四个中的任何一个足以定 义其他三个。系统光圈用来定义物空间的入瞳直径,反过来发射所有的光线。系 统光圈只是圆形的,而且只有一个系统光圈。 ※厚度: 用透镜单位表示的这一表面到下一表面的相对距离。厚度不是累计的,每一个值 都是独一无二的且沿着 Z 轴的方向。 ※总迹: 总迹指的是光学系统最左面到最右面的长度。从第一表面开始计算,任何一个位 于表面 1 和像平面间的厚度都考虑了,忽略坐标旋转。 ※渐晕因子: 渐晕因子是描述入瞳大小和不同场角位置的系数。ZEMAX 有五个渐晕因子:VDX; VDY;VCX;VCY;VAY。这些因素表征偏轴量,选择默认,代表把他们设为 0,表 示没有渐晕。 光学系统的视场角和入瞳可以看坐是一个单位圆。 而前面所说的归一化场域和光 瞳坐标是两个单位圆。如果没有渐晕,ZEMAX 在大部分计算中将会描绘所有的光 线。 很多光学系统都要精选光阑。这就是意味着一部分光线将被挡去。放置光谰的原 因是:第一:在广角透镜中降低了透镜的大小;第二:可以除去一部分过分偏轴 的光线。放置光谰通常使场角函数的 F/#值增加(这样会使像变暗),但是大部 分偏轴光线被除去后可以提高像的质量。 ※工作数 F/#: 工作数 F/#比像空间工作数 F/#更有用,因为它是基于真实光线数据计算的。

光学系统设计(Zemax 初学手册)
蔡长青 ISUAL 计画团队 国立成功大学物理系 (第一版,1999 年 7 月 29 日)

内容纲目: 前言 习作一:单镜片(Singlet) 习作二:双镜片 习作三:牛顿望远镜 习作四:Schmidt-Cassegrain 和 aspheric corrector 习作五:multi-configuration laser beam expander 习作六:fold mirrors 和 coordinate breaks 习作七:使用 Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces

前言 整个中华卫星二号「红色精灵」科学酬载计画,其量测仪器基本上是个光学仪器。所以 光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。 这份初学手册提供初学者使用软件作光学系统设计练习,整个需要 Zemax 光学系统设 计软件。 它基本上是 Zemax 使用手册中 tutorial 的中文翻译, 由蔡长青同学完成, 并在 Zemax E. E. 7.0 上测试过。由于蔡长青同学不在参与「红色精灵」计画,所以改由黄晓龙同学接手 进行校稿与独立检验, 整个内容已在 Zemax E. E. 8.0 版上测试过。 我们希望藉此初学手册 (共 有七个习作)与后续更多的习作与文件,使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。 (陈 志隆注) 习作一:单镜片(Singlet) 你将学到: 启用 Zemax, 如何键入 wavelength, lens data, 产生 ray fan, OPD, spot diagrams, 定义 thickness solve 以及 variables,执行简单光学设计最佳化。 设想你要设计一个 F/4 单镜片在光轴上使用, 其 focal length 为 100mm, 在可见光谱下, 用 BK7 镜片来做。你要如何开始呢? 首先启动 ZEMAX。ZEMAX 的主屏幕就会出现,它就是 lens data editor(LDE)。你可以 移动和调整 LDE 的大小来适应你的工作。什么是 LDE 呢?它是你要的工作场所,譬如你决 定要用何种镜片,几个镜片,镜片的 radius,thickness,大小,位置……等。 然后选取你要的光,在主选单 system 下,圈出 wavelengths,依喜好键入你要的波长, 同时可选用不同的波长等。 现在在第一列键入 0.486, 以 microns 为单位, 此为氢原子的 F-line 光谱。在第二、三列键入 0.587 及 0.656,然后在 primary wavelength 上点在 0.486 的位置, primary wavelength 主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics,即 first-order optics)下的几个主要参数,如 focal length,magnification,pupil sizes 等。 再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要 F/4 的透镜,所谓的 F/#是什么呢?F/# 就是光由无限远入射所形成的 effective focal length F 跟 paraxial entrance pupil 的直径的比值。 所以现在我们需要的 aperture 就是 100/4=25(mm)。于是从 system menu 上选 general data,在 aper value 上键入 25, 而 aperture type 被 default 为 Entrance Pupil diameter。 也就是说, entrance pupil 的大小就是 aperture 的大小。 回到 LDE,可以看到 3 个不同的 surface,依序为 OBJ,STO 及 IMA。OBJ 就是发光物, 即光源,STO 即 aperture stop 的意思,STO 不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜,你在

设计一组光学系统时,STO 可选在任一透镜上,通常第一面镜就是 STO,若不是如此,则 可在 STO 这一栏上按鼠标, 可前后加入你要的镜片, 于是 STO 就不是落在第一个透镜上了。 而 IMA 就是 imagine plane,即成像平面。回到我们的 singlet,我们需要 4 个面 (surface), 于是在 STO 栏上,选取 insert cifter,就在 STO 后面再插入一个镜片,编号为 2,通常 OBJ 为 0,STO 为 1,而 IMA 为 3。 再来如何输入镜片的材质为 BK7。在 STO 列中的 glass 栏上,直接打上 BK7 即可。又 孔径的大小为 25mm,则第一面镜合理的 thickness 为 4,也是直接键入。再来决定第 1 及第 2 面镜的曲率半径,在此分别选为 100 及-100,凡是圆心在镜面之右边为正值,反之为负值。 而再令第 2 面镜的 thickness 为 100。 现在你的输入资料已大致完毕。你怎么检验你的设计是否达到要求呢?选 analysis 中的 fans,其中的 Ray Aberration,将会把 transverse 的 ray aberration 对 pupil coordinate 作图。其 中 ray aberration 是以 chief ray 为参考点计算的。 纵轴为 EY 的, 即是在 Y 方个的 aberration, 称作 tangential 或者 YZ plane。同理 X 方向的 aberration 称为 XZ plane 或 sagittal。 Zemax 主要的目的,就是帮我们矫正 defocus,用 solves 就可以解决这些问题。solves 是一些函数,它的输入变量为 curvatures,thickness,glasses,semi-diameters,conics,以及 相关的 parameters 等。parameters 是用来描述或补足输入变量 solves 的型式。如 curvature 的 型式有 chief ray angle,pick up,Marginal ray normal,chief ray normal,Aplanatic,Element power,concentric with surface 等。而描述 chief ray angle solves 的 parameter 即为 angle,而 补足 pick up solves 的 parameters 为 surface, scale factor 两项, 所以 parameters 本身不是 solves, 要调整的变量才是 solves 的对象。 在 surface 2 栏中的 thickness 项上点两下, 把 solve type 从 fixed 变成 Marginal Ray height, 再次 update 然后 OK。 这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的 height 为 0, 即 paraxial focus。 ray fan,你可发现 defocus 已经不见了。但这是最佳化设计吗?再次调整 surface 1 的 radius 项从 fixed 变成 variable,依次把 surface 2 的 radius,及放弃原先的 surface 2 中 thickness 的 Marginal Ray height 也变成 variable。 再来我们定义一个 Merit function, 什么是 Merit function 呢?Merit function 就是把你理想的光学要求规格定为一个标准(如此例中 focal length 为 100mm), 然后 Zemax 会连续调整你输入 solves 中的各种 variable, 把计算得的值与你订的标 准相减就是 Merit function 值, 所以 Merit function 值愈小愈好, 挑出最小值时即完成 variable 设定,理想的 Merit function 值为 0。 现在谈谈如何设 Merit function,Zemax 已经 default 一个内建的 merit function,它的功 能是把 RMS wavefront error 减至最低,所以先在 editors 中选 Merit function,进入其中的 Tools,再按 Default Merit Function 键,再按 ok,即我们选用 default Merit function ,这还 不够,我们还要规定给 merit function 一个 focal length 为 100 的限制,因为若不给此限制则 Zemax 会发现 focal length 为时,wavefront aberration 的效果会最好,当然就违反我们的设计 所以在 Merit function editor 第 1 列中往后插入一列, 即显示出第 2 列, 代表 surface 2, 要求。 在此列中的 type 项上键入 EFFL(effective focal length),同列中的 target 项键入 100,weight 项中定为 1。跳出 Merit function editor,在 Tools 中选 optimization 项,按 Automatic 键,完 毕后跳出来,此时你已完成设计最佳化。重新检验 ray fan,这时 maximum aberration 已降至 200 microns。 其它检验 optical performance 还可以用 Spot Diagrams 及 OPD 等。从 Analysis 中选 spot diagram 中的者大约为 6 microns 交错。 而 OPD 为 optical path difference(跟 chief ray 作比较),亦从 Analysis 中挑选,从 Fans 中 的 Optical Path,发现其中的 aberration 大约为 20 waves,大都 focus,并且 spherical, spherochromatism 及 axialcolor。Zemax 另外提供一个决定 first order chromatic abberation 的

工具,即 the chromatic focalshift plot,这是把各种光波的 back focal length 跟在 paraxial 上用 primary wavelength 计算出 first order 的 focal length 之间的差异对输出光波的 wavelength 作 图,图中可指出各光波在 paraxial focus 上的 variation。从 Analysis 中 Miscellaneous 项的 Chromatic Focal Shift 即可叫出。 ●习作二:双镜片 你将学到: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,通常黏在一起,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 paraboliccurve 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) 。 跟习作一一样, 我们仍然要设计一个在光轴上成像, focal length 为 100mm 的光学系统, 只不过这次我们用两块玻璃来设计。 选用 BK7 和 SF1 两种镜片,wavelength 和 aperture 如同习作一所设,既然是 doublet, 你只要在习作一的 LDE 上再加入一面镜片即可。 所以叫出习作一的 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,然后鼠标双击一下 你所希望改变的镜片框格,然后选择 Make Surface Stop,则此地一面镜就变成 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,ZAMEX 不能模 拟它本身的粘合,它只能简单得模拟有联系的玻璃。如果有空隙则需 5 面镜。因为在 BK7 和 SF1 间需插入另一镜片,其 glass type 为 air。现在把 STO 旱地二面镜的 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。 其它的 merit function 设定就一切照旧。 既然我们只是依习作一上的设计规范, 只不过再加一面 SF1 镜片而已, 所以其它的 merit function 设定就一切照旧。现在执行 optimization,程序如同习作一,在 optimization 结束后, 你再叫出 Chromatic Focal Shift 来看看,是否发现 first order 的 chromatic aberration 已经被 reduced,剩下的是 second order chromatic aberration 在主宰,所以图形呈现出来的是一个 parabolic curve,而且现在 shift 的大小为 74microns,先前习作一为 1540 microns。 再看其它的 performance 效果,叫出 Ray aberration ,此时 maximum transverse ray aberration 已由习作一的 200 microns 降至 20 microns。而且 3 个不同波长通过原点的斜率大 约一致,这告诉我们对每个 wavelength 的 relative defocus 为很小。再者,此斜率不为 0(比较 习作一 Fig E1-2),这告诉我们什么讯息呢?如果斜率为 0,则在 pupil coordinate 原点附近作 一些变动则并不产生 aberration 代表 defocus 并不严重,而 aberration 产生的主要因素为 spherical aberration 。故相对于习作一 ( 比较他们坐标的 scale 及通过原点的斜率 ) ,现在 spherical aberration 已较不严重(因为 aberration scale 已降很多),而允许一点点的 defocus 出 现,而出现在 rayfan curve 的 S 形状,是典型的 spherical balanced by defocus 的情况。现在 我们已确定得到较好的 performance,但实际上的光学系统长的什么样子呢?选择 Analysis, Layout,2DLayout,除了光学系统的摆设外,你还会看到 3 条分别通过 entrance pupil 的 top, center,bottom 在空间 被 trace 出来,他们的波长是一样的,就是你定的 primary wavelength(在此为 surface 1)。这 是 Zemax default 的结果。 但是现在还有一个问题,我们凭直觉定出 STO 的 thickness 为 3,但是真正在作镜片的

时候,STO 和 surface 2 镜面会不会互相交错穿出,即在 edge 的 thickness 值为正数或负数, 还有是不是应该改一下设计使 lens 的 aperture 比 diameter 小, 如此我们可预留些边缘空间来 磨光或架镜。 于是我们可能更改的是 diameter, STO 的 thickness 来解决上述问题。 先在 STO 的 diameter 上键入 14 来盖过 12.5,此时会有一个”U”字出现代表 user define,现在设想我们要 edge thickness 固定为 3mm,可是你或许会问这样系统岂不是弄乱了吗?defocus 又会出现,关键 是再一次执行 optimization 即可。在 STO 的 thickness 上按一下,选择 Edge Thickness 项目, 则会出现” Thickness” 及” Radial Height” 两项, 设 thickness 为 3 及 radial height 为 0(若 radial height 为 0,则 Zemax 就使定 user define 的 semi-thickness)按 OK 跳出,你会发现 STO 的 thickness 已改变,且会出现一个”E”字代表 an active thickness solve 在该项的 parameter 上。 既然 edge thickness 已改变, 所以 focal length 也一定有些许变动, 为了维持原有的 EFFL, 现在我们想看看 off-axis 的 performance, 从 system 的 Fields 现在再执行 optimization 一次即可。 中的 Field Data,选用 3 个 field 来作比较,怎么选呢?在第 2 及第 3 个列中的”Use”项中 各按一下,在第 2 列的 y field 行中键入 7(即 7 degree),在第 3 列中键入 10,第一列则让它 为 0 即持续 on-axis。而设所有的 x field 皆为 0,对一个 rotational 对称的系统而言,他们的 值很小,按 OK 键跳出。现在 Update rayfan,你可看到如 Figure E2-4 之图。图中 T 代表 tangential,S 为 sagittal,结果显示 off-axis 的 performance 很差,这是因为一开始我们就设计 系统在 on-axis 上来作 optimization,这些 aberration 可以用 field curvature plot 来估计,选 Analysis 中,Miscellaneous 的 Field Curv/Dist。则出现如 Figure E2-5 的图,左图表示 shift in paraxial focus 为 field angle 的函数, 而右图为 real ray 的 distortion, 以 paraxial ray 为参考 ray。 在 field curvature plot 的讯息也可从 rayfans 中得知,为 field curvature plot 是正比于在 rayfan plot 中通过原点的斜率。 ●习作三:牛顿望远镜 你将学到:使用 mirrors,conic constants,coordinate breaks,three dimensional layouts, obscurations。 牛顿望远镜是最简单的矫正所有 on-axis aberrations 的望远镜。牛顿望远镜是利用一个 简单的 parabolic mirror 完美地矫正所有 order 的 spherical aberration, 因为我们只在 optical axis 上使用,除 spherical aberration 外并没有其它的 aberration。 假想要设计一个 1000mm F/5 的望远镜,我们需要一个具有 2000mm 的 curvature 及 200mm 的 aperture。 在 surface 1 即 STO 上的 curvature 项中键入-2000 mm, 负号表示对 object 而言,其曲面为 concave,即曲面对发光源而言是内弯的。在 thickness 项中键入-1000,负 路表示光线没有透过 mirror 而是反射回来,在 Glass 项中键入 MIRROR,最后在 System 的 General 项中的 aperture 中键入 200。 Wavelength 选用 0.550,field angel 则为 0。现在看看 spot diagram,你会看到一个 77.6 microns RMS 的 spot diagram, 而一个很方便估算 image quality 的方法就是在 spot diagram 的 顶端上再 superimpose 一个 Airy diffraction ring。 从 spot diagram 的 menu bar 选择 Setting, 在 Show Scale 上选”Airy Disk” ,结果如图 Figure E3-1 所示,你会发现和选”scale bar”的结 果是一样的。图中所列的 RMS spot size 选” Airy Disk ”为 77.6 microns 。光线并没有 diffraction-limited 的原因是因为我们还没有设定 conic constant。 先前我们设定的 curvature 的 值为-2000 只是定义一个球面, 若要定义一个拋物面镜, 则在 STO 的 Conic 项中尚需键入-1, 接下来 Update spot diagram,你会看到”Airy ring”为一个黑圈,而光线则聚集在圈内中心 上,RMS 值为 0。 可惜的是,成像的位置很不好,所谓的不好是它位于在入射光的路径上,若你要看这个 像的话,你的观看位置刚好挡住入射光。改善的方法是在反射镜的后面再放一个折镜,fold

mirror(后面是相对于成像点而言)。这个 fold mirror 相对于光轴的倾斜角度为 45,把像往上 提离光轴。因为进来的光束为 200mm 宽,因此成像平面至少在离光轴 100mm 的上方,如 此”看”像的时候才不会挡住入射光。我们决定用 200mm,而 fold mirror 离先前的反射镜 面为 800mm,因为 200+800=1000 等于原先在 STO 上的 thickness,即成像”距离”不变。 操作如下, 先把 STO 的 thickness 改为-800, 然后在 imagine plane 前插入一个 dummy surface, 为何要插入 dummy surface 呢?又 dummy surface 是什么呢?dummy surface 的目的只是在帮 助我们把 fold mirror 的位置标示出来,本身并不具真实的光学镜片意义,也不参予光学系统 的任何”反应” ,所以称为 dummy surface。怎么插入 dummy surface 呢?先在 image plane 前面插入一个 surface,这个 surface 很快地就会被转变成 fold mirror,但是你不要自己在 surface type 处去改变它成为 fold mirror,而是选 Tools 中的 Add Fold Mirror,并在其”fold surface” 处选” 2” 代表定义 surface 2 为 fold mirror, 完成后你将看到如 Zemax P.31 页中 LED 的表。或许你会问,表中 surface type 处在 surface 2 及 4 中皆为 Coord Break,这又是什么? coordinate break surface 是在目前的系统内定义一个新坐标系统, 它总是用 dummy surface 的 观念用来作 ray tracing 的目的。而在描述此新坐标系统中,通常选用 6 个不同参数,即 x-decenter,y-dencenter,tiltx,tilty,tiltz 及一个 flag 来指示 tilting 或 decentration 的 order。 要注意的是,coordinate break 总是相对于”current”而”global”的 coordinate system, 即只是在一个系统内部,若要改变某样对象的位置或方向,我们即利用 coordinate break 来 作此对象的区域调整,而 ●习作四:Schmidt-Cassegrain 和 aspheric corrector 你将学到:使用 polynomial aspheric surface, obscurations, apertures, solves, optimization, layouts, MTF plots. 本习作是完成 Schmidt-Cassegrain 及 polynomial aspheric corrector plate。 这个设计是要在 可见光谱中使用。我们要一个 10inches 的 aperture 和 10inches 的 back focus。开始设计之初, 先把 primary corrector System, General, 在 aperture value 中键入 10,同在一个 screen 把 unit” Millimeters” 改为” Inches” 。 再来把 Wavelength 设为 3 个, 分别为 0.486, 0.587, 0.656, 0.587 定为 primary wavelength。你可以在 wavelength 的 screen 中按底部的”select”键,即可完成 所有动作。目前我们将使用 default 的 field angle value,其值为 0。依序键入如 Zemax P.33 页的 starting prescription for schmidt cassegrain 的 LDE 表,此时 the primary corrector 为 MIRROR 球镜片。你可以叫出 2D layout,呈现出如 Figure E4-1 之图。现在我们在加入第二 个 corrector,并且决定 imagine plane 的位置。键入如 Zemax P.33 Intermediate prescription for schmide cassegram 的 LDE,注意到 primary corrector 的 thickness 变为-18,比原先的-30 小, 这是因为要放 second corrector 并考虑到其 size 大小的因素。在 surface4 的 radius 设定为 variable,透过 optimization, Zemax 可以定下他的值。先看看他的 layout,应如 Figure E4-2 所示。叫出 merit function, reset 后,改变”Rings” option 到 5。The rings option 决定光线的 sampling density, default value 为 3,在此设计,我们要求他为 5。执行 optimization, 用 Automatic 即可, 你会发现 merit function 的值为 1.3, 不是很理想。 这是 residual RMS wave error 所致。跳出 merit function,从 system 中选 Update All,则 secondary corrector 的 radius 已变成 41.83。从 Analysis, fans,中选 Optical Path, OPD plot 如 Figure E4-3 所示,发现其为 defocus 且为 spherical,大概约有 4 个 wave aberration 需要矫正。 现在切入另一个主题,利用指定 polynomial aspheric cofficients 来作 aspheric correction。 改变 surface 1 的 surface type 从 standard 改为” Even Asphere” , 按 OK 后跳出, 回到 surface 1 列中,往右移直到 4th Order Term, 把此项设为变量,依法炮制, 6th, 8th, 后再次执行 optimization。把 OPD plot update,其图应如 Figure E4-4 所示,你会发现 spherical aberration 已被大大地减少。小心一点的观察,不同的三个波长其相对的 aberration 有不同的 spherical

amount, 这就是 spherichromatism,是下一个要矫正的目标。依据经验所得,我们要用 axial color 来矫正 spherochromatism,何谓 axial color balance 呢?而实际上 spherochromatism 是在 first order axial color 中被忽略的 higher order 效应。而现在 firstorder axial color 并不存在,如 果 first order 存在的话, 代表其效应 (首先 axial color 既是指轴而言, 他即表示 paraxial-optics, 即不同 color 在轴上的效应,也就是 first order optics)要远大于 higher order, 即 higher order 的 aberration 会被 balance 掉,即 first order 会抢 higher order 的 aberration, 用 first order axial color 来消除 higher order 的 spherochromatism 这是在光学设计上常用的手法。 要怎么引进 axial color 呢?我们改变 surface1 的 curvature 来达到 axial color 的效果。把 曲面 1 的 radius 设为 variable,执行 optimization,再看看 update 后 OPD plot 图,如图 E4-5 所 示, 这就是我们所要设计的, 残余的像差, residual aberration 小于 1/20 波长, 这个良好结果, 可以让我们些微改变 field angle,从 system, field 中,把 field angle 的值设为 3 个,分别是 0.0, 0.3, 0.5。 现在 field angle 已改变, 等于 boundary condition 已改变, 所以你需要复位你的 merit function。把 merit function 的”Rings”改变为”4”后跳出执行 optimization, 则新的 OPD plot 应如图 E4-6 所示,虽有不同的 field angle,但是所有的 aberrations 却可以接受。说明此设计 还不错。 假想我们要用此望远镜来照相, 则这组望远镜的鉴别转换功效为何?什么是鉴别转换功 效(Modulation Transfer Function)呢?这就是说,若是发光物 Object 的鉴别率为 M0,而经 过此望远镜后所得到的鉴别率是 Mi,则 MTF=Mi/ M0 即 MTF 愈大,代表此望远镜较不会 降低原有的鉴别率,也就比较不会失真。而 MTF 的横轴为 spatial frequency in cycles per millimeter, spatial 为鉴别尺(bar target)明暗条纹中其分隔空间宽度之意,通常以 millimeter 为单位,而 frequency in cycles 即每 millimeter 有几组明暗条纹, 所以可鉴别最小刻度, 即反应该光波的频率。 Modulation Transfer Function, 即呈现如图 E4-7 所示之图,而 tangential & sagittal 对各种入射光 field angle 的 response 也一并显示。 对一个有经验的设计者而言,此设计所呈现的 MTF 为 circular pupil autocorrelation 的结 果。这是我们尚未考虑 the secondary corrector 所带来遮蔽效应。既然 secondary corrector 放 在 primary 的前面中心位置上,则入射光一定有部分被挡住,并且在 primary 上有个洞把成 像的光放出去,此洞也需纳入考量,所以我们高估了我们的 performance。改良如下,回到 LDE,在曲面 3 的第一项中点两下,从 Aperture types 中选 Circular Aperture,在 Min Radius 中键入 1.7,即入射光离光轴的半径需大于 1.7 才可进入,此动作再处理 primary 上的洞,同 时把 Max Radius 改为 6。再来处理 secondary corrector 的 obscuration,在 surface 3 的前面, 插入一个 surface 这个 new surface 就变成了 surface 3,把其 thickness 改为 20,且 surface 2 的 thickness 改为 40,如此 20+40=60 并不改变光从 BK7 后到 primary 的长度。调整 surface 3 的 Aperture type,设定为 Circular Obscuration。把 Max Radius 订为 2.5,按 OK 后跳出,同 时设定 surface 3 的 semi-diameter 也是 2.5, update 后的 MTF, 你会发现 performance 已降低, 特别是在 medial spatial frequencies 部分。 (回内容纲目) ●习作五:multi-configuration laser beam expander 你将学到:使用 multi-configuration capability。 假设你需要设计一个在波长λ=1.053μ下操作的 laser beam expander, Input diameter 为 100mm,而 output diameter 为 20mm,且 Input 和 output 皆为 collimated。在此设计之前,我 们必须遵守下列设计条件, 只能使用 2 个镜片 本设计在形式上必须是 Galilean(没有 internal focus) 只有一个 aspheric surface 可以使用

此光学系统必须在λ328μ下完成测试。 本设计任务不只是要矫正 aberration 而已, 而是在两个不同 wavelengths 的情况下都要做 到。先谈谈条件 2 中什么是 Galilean 呢?Galilean 就是光线从入射到离开光学系统,在光学 系统内部不能有 focus 现象,在本例中即 beams 在两个镜片之间不能有 focus。好在本系统 不是同时在 2 个 wavelengths 下操作, 所以在操作时我们可以变动某些 conjugates。 现在开始 设计, 依据 Zemax P.4-18 页的 LDE 表中键入各 surface 的相关值。 其中 surface 5 的 surface type 从 Standard 改为 Paraxial, 这时在镜片后面的 focal length 项才会出现。 注意到使用 paraxial lens 的目的是把 collimated light(平行光)给 focus。同时把 surface 5 的 thickness 及 focal length 皆设为 25,entrance pupil 的 diameter 定为 100,wavelength 只选一个 1.053 microns 即可,记 住不要在设第二个 wavelength。叫出 merit function,在第 1 列中把 operand type 改为 REAY 这表示 real ray Y 将用来作为一种 constraint,在本设计中,我们被要求 Input diameter 为 100 而 output diameter 为 20,其比值为 100:20=5:1,即入射 beam 被压缩了 5 倍,在 srf#中 键入 5,表示在 surface 中我们要控制他的 ray height,而 Py 上则键入 1.00。把 target value 定为 10, 这个动作将会给我们一个 diameter collimated 为 20mm 的 output beam。 为什么呢? 因为 Py 是 normalized 的 pupil coordinate,即入射光的 semi-diameter 为 50。 ,Py=1 即现在 的入射光 is aimed to the top of the entrance pupil,把 target value 定为 10,就是输出光的 semi-diameter 为 10,所以 50:10=5:1,光被压缩了 5 倍,达到我们的要求。semi-diameter 的值定为 10, 现在选 Tools, Update, 你会看到在 value column 上出现 50 的值, 这就是 entrance pupil radius 即表示 coordinates 是座落在一个单位圆(unit circle)上,而其半径为 50,当 Px =0,Py=1 即表示在 y 轴的 pupil 大小为 50,而在 x 轴的则为 0。 从 edit menu bar 选 Tools,Default Merit Function,按 Reset 后把”Start At” field 的值 改为 2,这表示以后的 operands 会从第二列开始,而不会影响已建立的 REAY operand。执 行 optimization 后,把 OPD plot 叫出来,如图 E5-1 所示,你会发现 performance 很差,大约 为 7 个 waves。 这个 aberration 主要来自 spherical aberration,所以我们要把 surface 1 改为 a spheric,把 surface 1 列中的 conic 设为 variable,再次执行 optimization,你会看到较好的 OPD plot。现 在把所有的 variable 都去掉,然后将此 field 存盘,因为你已完成 wavelength 在 1.053μ下的 beam expander 设计。但是 wavelength 在 0.6328μ的情况怎么办呢?我们进入此习作的另一 个主题, 也就是 multi-configuration 可以在同一系统中同时设定不同的 configuration, 以适应 不同的工作环境或要求,先前我们已完成了 wavelength 为 1.053μ的 把 wavelength 从 1.053 改为 0.6328 后看看 OPD plot,出现非常差的 performance,这是 我们调整 lens spacing 来消除此 defocus 把 surface 2 的 thickness 因为 glass dispersion 的缘故。 设为 variable,执行 optimization 后,update OPD plot,此时的 aberration 大约为一个 wave, 接下来消掉 surface 2 thickness 的 variable。现在我们来使用 Zemax 的 multi-configuration capability 功能,从 main menu 上选 Editors,后 Multi-configuration,再选其中的 Edit,Insert Config, 如此我们就可以加入一个新的 configuration, 在第一列的第一项中按两下, 选” wave” , 同时在” Wavelength#” 中选为 1, 这表示在不同的 configuration, 我们使用不同的 wavelengths。 在 Config 1 下键入 1.053,Config 2 下键入 0.6328,在插入一个新的列于此列的第一项中按 两下,选 THIC 为一个 operand type ,这会让我们在各别的 configuration 中定义不同的 thickness,从”surface” list 中选 2 后按 OK。在 Config 1 下键入 250,Config 2 也键入 250, 不过在 surface 中选 2 即表示在 LDE 中 surface 2 的 thickness 是当作 mult-configuration 的一 项 oprand value, 把 Config 2 下 surface 2 的 thickness 设为 variable。 回到 merit function editor, 选 Tools,Default Merit Function,把”StartAt”的值改为 1,使 default merit function 会从第 一列开始考虑。现在先前设定的 REAY constraint 条件必须加到此新的 multi-config merit

function,在 merit function 的第一列中,有一个 CONFoperand 且在”Cfg#”项中定为 1,表 示现在 configuration 1 是 avtive。在此列之下尚有三个 OPDXoperands,于 CONF 和第一个 OPDX 之间插入一个新列,把其 operand type 改为”REAY” , ”Srf#”键入 5。表示我们要控 制的 ray height 是对 surface 5 而言, Py 键入 1.00target value 设为 10。 如同先前的 file 让输出 beam 的 diameter 为 20mm。 在 CONF 1 的要求接设定完毕, 在 CONF 2 则不设任何 operand, 因为我们不可能在两种 wavelengths 操作下要求 exact 5: 1 的 beam。 回到 LED, 把 surface 1, 2, 4 的 curvatures 及 surface 1 的 conic 皆设为 variable, 执行 optimization (现在有 5 个 variable 。叫出 update 的 OPD plot, 为 active,3 个 curvatures,1 个 conic,1 个 multi-config thickness) 你可以在 mulit-configuration editor 上在”Config 1”或”Config 2”上按两下,则 OPD plot 会显示其对应的 configuration,或者你可用 Ctrl-A 的 hot key,在不同的 configuration 间作变 换, 你会发现两者的 performance 都很好, 表示我们所设计的系统在 wavelength 1.053 或 0.6328 μ的 laser 之下皆可以工作。 (回内容纲目) ●习作六:fold mirrors 和 coordinate breaks 你将学到:了解 coordinate breaks, sign conventions 在调整倾斜度,或改变系统中心的作 用和如何装置 fold mirrors 等, 本习作的大部分技巧在” Add Fold Mirror” 工具中可自动执行, 然而了解实际的操作内容和细节,才是本习作的目的。 在习作 3 时或许你已学会如何设计 Newtonian 望远镜,其中已经有 coordinate breaks 的 操作,以及光在经过 mirror 反射后 thickness 虚设定为负值,和 coordinate breaks 需伴随着一 对使用,而把要的 fold mirror 如三明治般地夹在其中。本习作将教你如何在一个简单的 converging beam 中 manually 加入 fold mirrors, 而不使用 Tools 中的” Add Fold Mirror” 功能。 叫出 LDE, 把 STO 的 surface type 改为 paraxial, thickness 定为 100, 这时对 paraxial lens 的 default focal length 值,然后从 System, General,中把 aperture 设为 20,即产生一个 F/5 的 lens。完毕后看看 3D layout,一个简单的 paraxial lens 所造成 converging beam 的光学系 统已完成。假设我们要把输出的 converging beam 导向上,怎么作呢?那就是加入一个 fold mirror, 先假定此 fold mirror 为 45°oriented 且具 paraxial lens 为 30mm。 总共需要 3 个镜片。 一个为 coordinate break 把 coordinate system 转 45°,然后一个 mirror 来反射光线,最后再 一个 coordinate break 把反射后的 beam 给转 45°这是很重要的一点,共要 3 个 surface 来装 置一个 fold mirror。 coordinate breaks 本身没什么作用, 只是把入射光和输出光作同样的倾斜 或改变中心坐标的动作而已。 在 imaging surface 前面出入 3 个 lens,把 surface 1 的 thickness 定为 30,在 surface 3 的 glass fold mirror 尚未 titled,所以系统会在 paraxial lens 的左边 40mm 处 focus。更改 surface 2 及 4 的 surface type 为 Coordinate Brek, 回到 LDE 往右移, 在 surface 4 的第 3 个 parameter column 中期 heading 上头标示为”Title About X” 。在此项中按两下,选“Pick Up” ,且设定 “From Surface”为 2, “Scale Factor”为 1.0,这代表 surface 4 的 coordinate break 动作会跟 surface 2 的一样。 移由标到 surface 2 的” title about x” 项中, 键入 45, Update layout 你会看到如 Figure E6-1 的图。注意到 coordinate break 的 thickness 为 0,表示 mirror 和 coordinate break surface 是重合的。应该注意的是,mirror 本身并没有转,转的是入射前合入射后的坐标系统,在反 射后除了转 45°外,并且移了-70units 去 focus,所有的 tilt 或 decenter 动作总是在光线跑, 即 thickness 之前完成。现在再装第二个 fold mirror,同样在 imagine surface 前面插入 3 个 surface,把 surface 4 的 thickness 从-70 改为-30,在 surface 5 的 tilt about x 项键入-45,目的 是在把光的进行方向还原到平行于原始入射方向, 而 surface 7 的 tilt about x 项一样选择 pick up from surface 5 且 scale factor 定为 1。 Update 3D layout,则呈现如 Figure E6-2 的图,如我们期待的,+45 和-45 互相抵消,输

出光平行于入射光, 又要改变两组的 coordinate breaks 的参数, 只要改变 surface 2 及 5 即可。 因为 surface 4 及 7 会各别依随他们变动而变动。 ●习作七:使用 Extra Date Editor, Optimization with Binary Surfaces 或许你不会相信, 会有” achromatic singlet” 这样的东西。 当然, mirror 是一个 achromatic singlet , 姑 且 不 论 之 , 去 设 计 一 个 矫 正 到 first-order chromatic aberration 混 合 refractive/diffractive 成分是可能的。其中的技巧就是使用一个传统 refrative singlet,然后将 其中的一面蚀刻成一个 diffractive surface。 此 singlet 造成很大的 focusing power, 而 the weak diffractive component 则提供足够的 dispersion 来补偿 glass 的 dispersion。让我们来回顾一些 概念, 一个 focal length f 的 singlet 其 optical power 为φ=f-1, 在λF-λC 的波长范围下, power 的变异部分可由 singlet 其 glass 的 Abbe number V 来描述,其中λF 及λC 为 hydrogen 的 F 及 C line 的 wavelength 依序为 0.4861μm 和 0.6563μm。故 Δφ=φ/V 在大部分的 glasses 种类中,他们的 dispersion 都很小,如 BK7 来说,其 V 值为 64.2。而Δ φ大约为整体的 2%。 而 Diffractive optics 则直接使用 phase of wavefront 操作来增加光数的 optical power。对 一个具有 quadratic phase profile 的 diffractive surface,其 phase 为 ψ=Ar2 A 为每平方单位长度的弧度量, 而 r 为 radial coordinate。 如此的 diffrective surface, 他的 power 为 φ=λA/π 和他所承受的波长呈线性相关。 在同样的波长范围下, refractive singlet 的 power 变异为 2%, 而 diffractive optic power 则几乎为 40%, 此外, dispersion 的正负号可由 A 的正负号来决定。 这有什么好处呢?如果我们在 refractive 部分增加一些 positive power, 同时可由在 diffractive 部分增加一些 negative power 来达到补偿的效果。所增的 power 量可以从”Standard”改为” Binary 2” 。然后在 IMA 前面加入一个新的 surface,即插入 surface 2,其 thickness 设为 100。 STO 的 thickness 设为 10,glass 选为 BK7,从 System, General 中 Aperture Value 定为 20。 Wavelengths 选 0.486,0.587 及 0.656,选 0.587 定为 primary。首先我们看一个 convex-plano singlet 的 performance, 把 surface 1 的 radius 设为 variable, 且从 Merit Function Editor 的 tools 中使用 Default Merit Function。子行 Optimization,叫出 OPD plot,你会发现其 aberration 约 为 8 个 waves。除了 axial color 主宰此设计外,spherical aberrotion 和 default 也相当可观。 现在改良此设计,从 Editors,Extra Data 中在”Max Term”项上键入 1 和”Norm Aper” 上键入 10,而”Coeff on PΛ2”此项则设为变量。然后执行 Optimization,其中有两项变量, 分别是 surface 1 的 radius 及 diffractive power。Update OPD plot 则 maximum aberration 已经 降至约一个 wave ,造成 aberration 的主要原因只剩下 secondary spectrum 及 spherical 把” MaxTerm aberration。 我们利用 higher order term 的技巧来矫正他, 回到 Extra Date Editor, #”改为 2,且社 fourth order term 项为 variable,再次执行 optimization。叫出 updated 后的 OPD plot,你会发现 wavefront aberration 已大大降至 1 个 wave 以下。

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目 录 第1章 引 第2章 用户界面 第3章 约定和定义 第4章 教程 教程 1:单透镜 教程 2:双透镜 教程 3:牛顿望远镜 教程 4:带有非球面矫正器的施密特—卡塞格林系统 教程 5:多重结构配置的激光束扩大器 教程 6:折叠反射镜面和坐标断点 教程 7:消色差单透镜 第5章 文件菜单........................................................................................7 第6章 编辑菜单......................................................................................14 第7章 系统菜单......................................................................................31 第8章 分析菜单......................................................................................44 §8.1 导言...................................................................................44 §8.2 外形图...............................................................................44
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§8.3 特性曲线.............................................................................51 §8.4 点列图................................................................................54 §8.5 调制传递函数 MTF.............................................................58 §8.5.1 调制传递函数..................................................................58 §8.5.2 离焦的 MTF.....................................................................60 §8.5.3 MTF 曲面.........................................................................60 §8.5.4 MTF 和视场的关系...........................................................61 §8.5.5 几何传递函数..................................................................62 §8.5.6 离焦的 MTF.....................................................................63 §8.6 点扩散函数(PSF)...........................................................64 §8.6.1 FFT 点扩散函数................................................................64 §8.6.2 惠更斯点扩散函数............................................................67 §8.6.3 用 FFT 计算 PSF 横截面..................................................69 §8.7 波前....................................................................................70 §8.7.1 波前图.............................................................................70 §8.7.2 干涉图.............................................................................71 §8.8 均方根................................................................................72 §8.8.1 作为视场函数的均方根....................................................72 §8.8.2 作为波长函数的 RMS......................................................73 §8.8.3 作为离焦量函数的均方根.................................................74 §8.9 包围圆能量.........................................................................75 §8.9.1 衍射法.............................................................................75 §8.9.2 几何法.............................................................................76 §8.9.3 线性/边缘响应.................................................................77 §8.10 照度.................................................................................78 §8.10.1 相对照度.......................................................................78 §8.10.2 渐晕图..........................................................................79 §8.10.3 XY 方向照度分布...........................................................80 §8.10.4 二维面照度...................................................................82 §8.11 像分析.............................................................................82 §8.11.1 几何像分析...................................................................82 §8.11.2 衍射像分析...................................................................87
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§8.12 其他...................................................................................91 §8.12.1 场曲和畸变.....................................................................91 §8.12.2 网格畸变........................................................................94 §8.12.3 光线痕迹图.....................................................................96 §8.12.4 万用图表.........................................................................97 §8.12.5 纵向像差.........................................................................98 §8.12.6 横向色差.........................................................................99 §8.12.7 Y-Y bar 图.......................................................................99 §8.12.8 焦点色位移...................................................................100 §8.12.9 色散图.........................................................................100 §8.12.10 波长和内透过率的关系...............................................101 §8.12.11 玻璃图........................................................................101 §8.12.10 系统总结图.................................................................101 §8.13 计算................................................................................103 §8.13.1 光线追迹......................................................................103 §8.13.2 塞得系数......................................................................104 第九章 工具菜单.....................................................................................108 §9.1 优化..................................................................................108 §9.2 全局优化...........................................................................108 §9.3 锤形优化...........................................................................108 §9.4 消除所有变量....................................................................108 §9.5 评价函数列表....................................................................109 §9.6 公差..................................................................................109 §9.7 公差列表..........................................................................109 §9.8 公差汇总表......................................................................109 §9.9 套样板.............................................................................109 §9.10 样板列表........................................................................111 §9.11 玻璃库............................................................................112 §9.12 镜头库............................................................................112 §9.13 编辑镀膜文件.................................................................114 §9.14 给所有的面添加膜层参数...............................................115
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§9.15 §9.16 §9.17 §9.18 §9.19 §9.20 §9.21 §9.22 §9.23 §9.24 §9.25

镀膜列表......................................................................115 变换半口径为环形口径................................................115 变换半口径为浮动口径................................................116 将零件反向排列...........................................................116 镜头缩放......................................................................116 生成焦距.....................................................................117 快速调焦.....................................................................117 添另折叠反射镜..........................................................117 幻像发生器..................................................................118 系统复杂性测试...........................................................120 输出 IGES 文件...........................................................120

第十章 报告菜单..................................................................................124 §10.1 介绍.............................................................................124 §10.2 表面数据......................................................................124 §10.3 系统数据......................................................................125 §10.4 规格数据......................................................................125 §10.5 Report Graphics 4/6 ....................................................126 第十一章 宏指令菜单................................................................................127 §11.1 编辑运行 ZPL 宏指令....................................................127 §11.2 更新宏指令列表............................................................127 §11.3 宏指令名.......................................................................127 第十二章 扩展命令菜单............................................................................128 §12.1 扩展命令.......................................................................128 §12.2 更新扩展命令列表.........................................................128 §12.3 扩展命令名...................................................................128 第十三章 表面类型..................................................................130 §13.1 简介.............................................................................130
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§13.2 参数数据....................................................................130 §13.3 特别数据....................................................................131 §13.4 表面类型概要.............................................................131 §13.4.1 用户自定义表面.......................................................131 §13.4.2 内含表面.................................................................132 §13.5 标准面.......................................................................136 §13.6 偶次非球面...............................................................136 §13.7 奇次非球面................................................................137 §13.8 近轴表面....................................................................138 §13.9 近轴 X-Y 表面...........................................................138 §13.10 环形表面.................................................................139 §13.11 双圆锥表面.............................................................139 §13.12 环形光栅面.............................................................140 §13.13 立方样条表面.........................................................141 §13.14 Ⅰ型全息表面.........................................................142 §13.15 Ⅱ型全息表面.........................................................143 §13.16 坐标断点表面.........................................................143 §13.17 多项式表面.............................................................145 §13.18 菲涅耳表面.............................................................145 §13.19 ABCD 矩阵..............................................................146 §13.20 另类面.....................................................................146 §13.21 衍射光栅表面.........................................................147 §13.22 共轭面....................................................................148 §13.23 倾斜表面................................................................149 §13.24 不规则表面............................................................149 §13.25 梯度折射率 1 表面.................................................150 §13.26 梯度折射率 2 表面.................................................152 §13.27 梯度折射率 3 表面..................................................152 §13.28 梯度折射率 4 表面.................................................153 §13.29 梯度折射率 5 表面.................................................154 §13.30 梯度折射率 6 表面.................................................155 §13.31 梯度折射率 7 表面.................................................156
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§13.32 梯度折射率表面 Gradium TM....................................157 §13.33 梯度折射率 9 表面.....................................................160 §13.34 梯度折射率 10 表面...................................................161 §13.35 泽尼克边缘矢高表面..................................................162 第十五章 非序列元件.............................................................................162 第十七章 优化…………………………………………………….………….228 第十八章 全局优化……………………………………………….………….290 第十九章 公差规定…………………………………………………………..298 第二十章 多重结构………………………………………………….………338 第二十一章 玻璃目录的使用………………………………………….………345 第二十二章 热分析……………………………………………………………363 第二十三章 偏振分析……………………………………………………..….373 第二十四章 ZEMAX 程序设计语言…………………………………………390 第二十五章 ZEMAX 扩展…………………………………………………….478

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第五章

文件菜单

新建(New) 目的:清除当前的镜头数据。 说明:此选项使 ZEMAX 恢复到起始状态。当前打开的窗口仍然 打开,如果当前的镜头未保存,在退出前 ZEMAX 将警告你要保存镜 头数据。 打开(Open) 目的:打开一个已存在的镜头文件。 说明:此选项打开一个新的镜头文件。当前打开的窗口仍然打开, 如果当前的镜头未保存,在退出前 ZEMAX 将警告你要保存镜头,参 见“附加” 。 保存(Save) 目的:保存镜头文件。 说明:此选项用于保存镜头文件,当将文件保存为另一名称或保 存在另一路径下时,用“另存为”选项。 另存为(Save as) 目的:将镜头保存为另一名称。 说明:此选项将文件保存为另一名称或保存在另一路径下。 附加(Append) 目的:将以前保存的镜头数据附加到当前镜头文件中。 说明:这一选项同“打开”选项类似,但当前镜头数据并未覆盖。 当选择文件附加后,ZEMAX 会提示新镜头插入面的数字,并为新数 据让出空间。对话框中也有“Ignore Object”检验栏,缺省时将忽略 新镜头的厚度。这样,新镜头数据将被附加在表面 1 而不是表面 0。 虽然这一特性能保存许多键入的镜头,但是结果镜头包含一些特 殊的表面,需稍加手工编辑达到希望的结果。

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环境(Environment) ZEMAX 允许使用一些能被设置和保存的选项,当 ZEMAX 运行 时,这些选项可被自动选择。主要配置文件是 ZEMAX.CFG,这一文 件能被删除,缺省时退回到启动配置。环境选项分为以下几组。 地址(Address) 目的:本设置决定了如何显示“地址”框。地址框可用来显示用 户定义文本如公司名称或图形数目。地址框大多出现在图表的右下 角。 设置: 条目 描述 Address Line 1 显示在“地址”框中的第一行文本。 Address Line 2 显示在“地址”框中的第二行文本。 Address Line 3 显示在“地址”框中的第三行文本。 显示在“地址”框中的第四行文本,除非文件名称 Address Line 4 和变焦位置已被选择。 Show Line 4 As 选择输入文本、镜头文件名称、变焦位置。 Hide Address 按下此按钮, “地址”框不会显示。 目录(Directories) 目的:本设置决定 ZEMAX 安放和寻找某一文件的路径。 设置: 条目 描述 ZEMAX 寻找文件的缺省目录,如玻璃目录和常用 ZEMAX Path 镜头目录。 Output Path 文本和图表输出的缺省目录。 Lens Path 镜头文件的缺省目录。 ZPL Path ZPL Macros 缺省目录。 常用镜头缺省目录,所有常用镜头都存贮在 Stock Stock Path Path 目录的子目录下。 图表(Graphics) 目的:本设置决定了大多数 ZEMAX 图表窗口的大小、颜色、动
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作,也可参见文本窗口中的 Date/Time 选项。 设置: 条目 描述 缺省时,ZEMAX 显示的图表是彩色的。若选中此 B/W Screen 项,所有图表变为黑色和白色。 缺省时,ZEMAX 打印出的图表时彩色的。若选中 B/W Plots 此项,打印出的图表为黑白色,只有彩色打印机才 能打出彩色图表。 Show Options 如果选中此项,选项中的“设置”框将在其它分析 First 图表计算显示前显示出来。 是以象素为单位的图表窗口的缺省 x,y 值,这能 Win x,y Size 调整程序的大小和分辨率。 Background 图表窗口的背景颜色,它能从下拉条目中选择。 ZEMAX 可生成几种不同类型的 Windows 图元文件 格式。图元文件可用来复制图表到剪贴扳上,或复 制图表到磁盘上,这样可将图表输入到其它 Windows 应用程序中。 大多数 16 bit 的 Windows3.1 应用程序用的是 16 bit 标准型格式,然而有些 Metafiles Windows3.1 应用程序用的是一种变化的称为“16 bit Placeable”格式。最近,32 位的应用程序用的 是 32 位的增强型格式,当用 32 位格式时,生成 的图表格式的扩展名是 EMF, 它表示增强型图元格 式。 Metafile Pen 以 Windows 图元文件格式通过剪贴板或磁盘文件 Width 输出的图形文件中与设备有关的像素中的线宽。 ZEMAX 图表窗口中缺省的显示比例是 3×4,这正 好与标准打印纸 8.5×11 英寸相匹配。对 11×17 英寸的打印纸, 3×5 的显示比例更适合。 4× 3 和 5 Aspect Ratio ×3 是长比宽大的显示比例。此选项对打印和屏幕 有相同的缺省显示比例,每个图表屏幕可用 Window, Aspect Ratio 设置选项来设置自己的显示 比例。
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颜色(Colors) 颜色对话框是用来定义 ZEMAX 图表中笔的颜色。当画光线特性 曲线、点列图和其它数据曲线时,不同颜色的笔用来画不同波长的曲 线。波长 1 用笔 1,波长 2 用笔 2,依此类推;视场位置 1 用笔 1, 视场位置 2 用笔 2,依此类推。红、绿、蓝的值定义了笔的颜色,每 一个值必须在 0 ~225 之间,用 24 bit 的红、绿、蓝的值来定义笔的 颜色, 共有一千六百万种颜色, 但只显示当前图表硬件提供的分辨率。 所得的颜色将显示在红、绿、蓝的值的右边。 文本(Text) 目的:本设置决定了文本窗的属性。日期/时间设置也影响着图表 窗口。 设置: 条目 描述 屏幕字体大小 定义显示在窗口文本字体的大小, 缺省值是 8point。 在图表上,既可以不选择日期时间,又可只选择日 日期/时间 期,或日期和时间都选择。 编辑(Edit) 目的:本设置决定了电子表格编辑器的属性。如果编辑器的单元 格尺寸太窄无法显示整个数据,则“*”号将代替被删去部分的数据。 设置: 条目 描述 此选项用于改变显示在镜头数据编辑中的十进制 十进制数 数字。选择“Compact”将改变要显示的十进制数 字个数,以便使所显示的位置最小。 字体大小 用于定义文本字体的大小,缺省值为 8 point。 控制如何和何时 ZEMAX 更新数据编辑器中的数 据, “None”意味着光瞳位置、求解和其它编辑器 自动更新 中的镜头数据都不更新,直到“System”菜单中选 项“Update”打开。只要新数据键入镜头数据中, “Update”设置使更新的数据运行,特别的是对多
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重结构参数编辑器。 “Update All”使所有窗口的数 据都更新。 详细的参见 “系统菜单” 这章的 “Update” 和“Update All” 。

注释显示 撤消 LDE 单元格尺 寸 MFE 单元格尺 寸 MCE 单元格尺 寸 EDE 单元格尺 寸 TDE 单元格尺 寸

选择它,则表面注释列会显示在镜头数据编辑器 中,否则此列隐藏起来。 撤消有三种可选状态:不撤消、单步撤消、多步撤 消。详细的参见“编辑菜单”这章中的撤消选项。 在镜头数据编辑器中,定义了单个单元格的宽度, 宽的单元格意味着列少,但数据看的较清楚。 定义了评价函数编辑器中单个单元格的宽度。 定义了多参数编辑器中单个单元格的宽度。 定义了附加数据编辑器中单个单元格的宽度。 定义了误差数据编辑器中单个单元格的宽度。

打印(Printing) 目的:此设置用来定义打印输出的属性。 设置: 条目 描述 如果此对话框打开,当从其它窗口选择打印选项 跳过打印对话 时,ZEMAX 将不会显示允许选择打印机类型和其 框 它选项的打印对话框。如果此对话框关闭,则缺省 的为默认打印机。 如果选择此设置,将使所有被打印的图形旋转 90 图形旋转 °。当打印设置为相片模式时,这允许图片采用全 景格式。参见下面的讨论。 笔的宽度 定义笔的粗细,值为 0 时是细线,值越大线越粗。
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图形宽度 左页边距% 右页边距% 上页边距% 下页边距% 打印字体大小 文本页边距

参见下面的讨论。 图形的左页边距占整个图形宽度的百分比,只影响 图形的打印。 图形的右页边距占整个图形宽度的百分比,只影响 图形的打印。 图形的上页边距占整个图形高度的百分比,只影响 图形的打印。 图形的下页边距占整个图形高度的百分比,只影响 图形的打印。 当在文本窗打印时,定义打印字体的大小,缺省值 为 8 point。 当打印文本文件时,用左页边距。

讨论: “图形宽度”控制器同 ZEMAX 大多数设置不同。因为它能准确 地告诉 ZEMAX 图形有多大,而不是图形应该有多大。每个打印机可 用不同尺寸来打印 ZEMAX 图形。 为在页面布局上和比例条上获得精 确的比例, 在打印时 ZEMAX 应被告知图形有多大, 得到这个信息, ZEMAX 就能准确地打印出 1:1 或 2:1 的图形。 按下“图形宽度”按钮会显示打印对话框,这同从 ZEMAX 中打 印图形显示的是同一个对话框,这个对话框允许选择打印机驱动器, 而且通常允许打印机选择特殊项目,如分辨率、方向和其它一些各个 打印机不同的选项。 用打印对话框选择一些你常用的打印驱动器和模 式。注意 ZEMAX 通过将图形旋转 90°用“全景模式”打印,并用 相片模式设置。 这样做是因为所有的打印机都用相片模式作为缺省模 式,因此 ZEMAX 一直把设置保持为相片模式,并用旋转图形功能。 ZEMAX 应用这些设置来决定打印时实际的图形有多宽,并把以英尺 为单位的宽度值告诉给“图形宽度”编辑框。注意,只要打印方位和 页边距设置好或按下“复位”键,对于缺省模式打印机设置,图形宽 度会自动重新计算。 一旦计算出准确的图宽,布局图上的比例就很准确。当然,如果 采用相同的打印驱动器和设置模式, 在实际打印中, 它也会能很准确。
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如果在打印时选择不同的打印驱动器和模式, 图形比例就不会自动计 算。当用一个新打印机或用不同模式打印时,为得到正确的比例,图 形环境必须用前面所描述的步骤重新设置。 最后,有时需要复盖图像宽度的缺省设置,例如,如果最后的打 印输出需要减小到适当的尺寸以便被另一个文件所包容, 所要的最后 的尺寸就用确定最后图像的精确比例。为实现这一目的,只要在图形 宽度编辑框中输入已知的最后的像宽尺寸(用英尺表示) ,并按下保 存按钮。所有随后打印的图形都会得到所指定的最后像尺寸。 注意因为所有其它图形比例都可独立确定,因此精确的比例控制 只对轮廓图和零件图产生影响。 按钮条(Button Bar) 目的:这些设置决定了哪些功能能显示在 ZEMAX 主屏幕上端的 按钮条中。 说明:有 20 个能打开 ZEMAX 主菜单项的按钮,每个按钮都有与 按钮相联系的相同的下拉菜单选项。选择“Off”按钮,这些按钮就 不会显示。 状态条(Status Bar) 目的:这些设置决定了哪些参数显示在 ZEMAX 主屏幕下部的状 态条中。 说明: 其中有 4 个能显示不同数据的区域, 如 EFT、 EPD、 F/# 等 等。 退出(Exit) 目的:退出 ZEMAX。 说明:如果镜头已被更改,ZEMAX 会提醒你保存镜头,否则, 将终止程序。 最近用的文件(Recently used file) 最近用的镜头文件被列在文件菜单的下部,选择这些文件会使文 件装入,这是一个简单的打开文件的快捷方式。
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第六章 镜头数据(Lens Data)

编辑菜单

镜头数据编辑器是一个主要的电子表格,将镜头的主要数据填入 就形成了镜头数据。 这些数据包括系统中每一个面的曲率半径、 厚度、 玻璃材料。 单透镜由两个面组成 (前面和后面) , 物平面和像平面各 需要一个面,这些数据可以直接输入到电子表格中。当镜头数据编辑 器显示在显示屏时, 可以将光标移至需要改动的地方并将所需的数 值由键盘输入到电子表格中形成数据。 每一列代表具有不同特性的数 据, 每一行表示一个光学面 (或一个)。移动光标可以到需要的任意 行或列,向左和向右连续移动光标会使屏幕滚动,这时屏幕显示其他 列的数据,如半口径,二次曲线系数,以及与所在的面的面型有关的 参数。 屏幕显示可以从左到右或从与右到左滚动。 ”Page Up”和”Page Down” 键可以移动光标到所在列的头部或尾部。当镜头面数足够大 时,屏幕显示也可以根据需要上下滚动。 插入或删除面数据 (Inserting and deleting surfaces) 在初始状态 (除非镜头已给定) 通常显示三个面:即物面、光栏 面、像面。物面与像面是永有的,不能删除。其它面可以用 ”Insert” 和 ”Delete” 键插入或删除。物平面前和像平面后不能插入任何面。 这里的 “前面” 表示一个序号较小的面,而 “后面” 表示一个序 号大的面。 光线顺序地通过各个表面, ZEMAX 中的面序号是从物面, 即第 0 面,到最后一个面(即像面)排列的。 若想在电子表格中输入数据,移动光标到正确的方格,然后从键 盘输入。 可以用“BackSpace”键编辑修改当前的数据, 一旦你要编辑 方格中的内容,可以用 “Left” , “Right” , “Home ”, “End”键浏览 整个文件。当数据已改好时,按任意光标键或点击屏幕的任意位置或 按 “Enter” 键可结束当前编辑。 在数据编辑器中还有一些快捷方法:若要增加当前的值,在数字 前写一个加号,例如如果显示的数据是 10,键入“+5” 按“Enter” 键,数字会变为 15 符号 “*” 和 “/ ” 也同样有效。要减少数字,
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可用负号和一个空格。如输入 “-5” 可以将 17 变为 12。注意这里 “-” 和“5”之间必须有一个空格,如果不输入一个空格,程序会 认为是你输入的是一个负的新数值。输入 “*-1” 可以改变数值的 正负号。 剪切、复制和粘贴面数据(Cutting,Copying,and Pasting surface data) 参见”EDIT”菜单中的说明。 输入面注释(Entering surface comments) 每个面都有一个注释栏, 通过它可以输入最大到 32 个用户文本字 符,这些注释能增强镜头特性的可读性,且不影响光线追迹。在某些 分析功能中也会显示这些面的注释。整个注释内容都可以被隐藏。参 见下面 ”OPTIONS” 菜单中的说明。 输入半径数据(Entering radii data) 为输入或改变一个面的曲率半径,移动光标到所要的方格中,将 新的数据键入。半径数据通常用透镜的计量单位输入和显示,这些计 量单位是表示长度的。 输入厚度(Entering thickness data) 为输入或改变面的厚度,移动光标到所要的方格中,将新的数据 键入,厚度数据通常用透镜的计量单位输入和显示。面厚度表示一个 面到另一个面的距离。像平面的厚度是唯一不被使用的数据。 通常在一个反射镜后改变厚度符号。奇数次反射后,所有的厚度 都是负的,这种符号规定与反射镜的序号和当前的坐标转折无关。这 种基本规定不能通过将坐标旋转 180 度来代替。 输入玻璃数据(Entering glass data) 每个面所用的玻璃材料是通过将玻璃名写入镜头数据编辑器的 “Glass” 中来确定的。玻璃名字必须是当前已被装载的玻璃库中的玻 璃名称之一,缺省的玻璃目录是 “Schott” ,其它目录也是可选用的。
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要使用多个玻璃库或查阅、编辑、添加玻璃目录,参见”使用玻璃库” 这一章。如要把某一个表面定为反射面,这一面的玻璃应命名为 “Mirror” 。 当输入新玻璃时, 可在玻璃名称上添加 ”/P” 选择项, 这个选项可 以使 ZEMAX 通过改变前后面的曲率半径来维持该面前后顶点间的 光焦度保持不变。 例如, 如果玻璃已选择为 BAK7,输入一个新玻 璃 “SF1/P” 将使玻璃变为 SF1,同时调整前后面半径使光焦度保持 不变。 。ZEMAX 能保持顶点间的光焦度保持不变,但是由于玻璃的 光学厚度的改变,整个光焦度将会有微小的改变,这种影响对薄透镜 是很小的。 输入半口径数据(Entering semi-diameter) 半口径的缺省值是由通过追迹各个视场的所有光线沿径向所需的 通光半径自动计算获得的。如果半口径值已给定,那么这个给定的数 据旁将有一个“U” ,这说明此半口径是用户定义的,这个半口径只 影响外形图中各面的绘图,不反映面的渐晕。参见各面通光口径的确 定(Specifying surface apertures)这一节。 输入二次曲面数据(Entering conic data) 许多不同的曲面面型中都允许有二次曲面数据。输入或改变一个 面的二次曲面系数时,移动光标到所需的方格,键入新数值即可。二 次曲面系数不是长度度量。参见面型(Surface Types)一章的标准 面型(The standard surface)中关于二次曲面的定义。 输入参数数据 (Entering parameter data) 参数数据是由 8 个确定某一特定面性质的数据组成。关于参数数 据的其它信息参见面型“ Surface Types”这一章。 确定光栏面(Defining the stop surface) 光栏面可以是系统中除去物面和像面的任意一面。 要改变光栏面, 可双击将成为光栏面的这一行最左边的一列(即有数字的一列 ), 把面 型对话框打开,单击“Make Surface Stop”标签,对话框消失,这
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个面显示”STO”,而不是面序数。 确定光栏面时保证如下前提是很重要的:即使入射光瞳与物面同 轴,假定此系统有坐标转折,偏心,全息,光栅以及其它能改变光轴 的组件, 应将光栏放在这些面之前。 如果系统是关于光轴旋转对称的, 那么这种限制就不需要了。 只有使用了使光轴产生偏心或倾斜的面的 系统,才要求将光栏放在这些面之前。如果坐标发生转折,对只是由 反射镜组成的另一种共轴系统,那么即使光栏面放在这些反射镜后, 光瞳位置也可以正确地计算出来。 在某些系统中是不可能将孔径光栏放在坐标转折前的,因此,必 须对光线进行定位,光线定位将在系统菜单(System Menu)一章中 讲解。 选择面型(Selecting surface types) ZEMAX 中的面有平面,球面,二次曲面。所有这些面型都是在 标准面型的基础上组合而成的。双击镜头数据编辑器最左一列,显示 面型数据对话框。对话框里有一行是面型,从下拉菜单中选择适当的 面型。ZEMAX 提供了包括标准型的多种面型。这些面型将在“面型” 一章中详细说明。许多光学设计只使用标准面型。 各面通光口径的确定(Specifying surface apertures) 各面的通光口径用来考虑渐晕的影响。ZEMAX 中有 11 种通光口 径类型:无口径,环形口径,环形挡光,长方形口径,长方形挡光, 椭圆口径,椭圆挡光,星型挡光,用户自定义口径,用户自定义挡光 和浮动口径。口径和挡光是用通过和阻拦光线的面积来分别定义的。 当通光口径被定义在一个面时,ZEMAX 将在面序号前显示 “*” ,或 在数据编辑器中说明。 可以在需要的位置插入一个厚度为 0 的虚拟面,然后在此面上设 定附加口径,从而在某一个光学元件中设定一个以上的口径,这对结 构复杂的口径是很有用的。 多重口径或挡光也可以由用户自定义其特 性而同时放在一个单独的面上。 可以在面数据对话框中为每个面设置通光口径。双击镜头数据编 辑器最左边一列可产生面数据对话框。当口径类型为 ”无口径” (缺省
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值) 时,所有反射和折射的光线都允许通过该面。通过一个面的光 线完全与镜头数据编辑器中的半口径值无关。 这些设置的半口径数据 只在绘制镜片元件图时起作用,不决定渐晕。为把口径变成缺省值或 改变当前口径的类型,可以在面数据对话框种选择其它的口径类型。 下面分别讲述各个口径类型。 环形口径/挡光: :环形口径是由环形面积定义的,到达该面时小 于最小半径和大于最大 半径的光线被拦掉。 最小 与最大半径之间的光线允许通过。环形挡光与环形口径互补。 长方形口径/挡光:如光线与该面的交点在由长方形的半宽度 x,y 决定的长方形面积以外,光线被阻止通过该面。 长方形挡光与长方 形口径互补。 椭圆口径/挡光:如光线与该面的交点在由椭圆的半宽度 x,y 决 定的椭圆面积以外,光线被阻止通过该面。 椭圆挡光与椭圆口径互 补。 星形: 星形是由每臂的宽度和臂数定义的。ZEMAX 中假定取相 同臂长,相同转角分布。第一个臂取沿 x 轴正向角度为零的位置。具 有不同臂长和不同转角分布的复杂星形可以用相邻的多个虚拟面上 的几个星形构成。坐标转折面可以将星形旋转至任何想要的角度。 用户自定义口径/挡光:参见下一节中的详述。 浮动口径:除了最小半径一直为零外,它与环形口径是相似的。 最大半径与该面的半口径相同,由于半口径值可以用 ZEMAX 调整 (在自动模式下) , 因而口径值随半口径值浮动。 当宏指令或外部程序 追迹缺省半口径以外的光线时,浮动口径是很有用的,它可以将这些 光线拦掉。 上述的所有口径都是由顶点的子午面向光学面投影模拟的。实际 光线与表面交点的坐标 x,y 用来决定渐晕,z 坐标被忽略。如果口 径被放在当作光学面前面的虚构面而不是直接放在曲面上, 那么对陡 峭的光学面来说,会有不同的计算结果。只有在入射角很陡时这种情 况才会发生。除非虚构面能更精确地代表你的现状,通常最好将口径 直接放在光学面上。
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用输入 X 偏离量或 Y 偏离量或 X、Y 偏离量的方法,所有类型的 口径都可以偏离当前光轴, 。这种偏离量以透镜计量单位给定。记住 偏离不会改变主光线,光栏必须与物体同轴。例如:设计一个离轴望 远镜,可以将光栏放在光轴和离轴系统中。 用户自定义口径和挡光(User defined apertures and obscurations) 通常,可以方便地使用环形,长方形,椭圆口径和挡光,它们包 括了大多数情况。但是,有时候需要一个更广义的口径。ZEMAX允 许用户用一系列有序数对(x 1 ,y 1 ), (x 2 ,y 2 ),… (x n ,y n ),来定义 口径。这些点是多边形的顶点。多边形可以是任何形状,且可以用简 单或复杂的方式封闭。复合多边形可以定义成嵌套或独立。 建立用户自定义口径或挡光,从口径类型列表中选择需要的类型 (口径或挡光) 然后点击“ Edit User Aperture“,将会出现一个允 许编辑和滚动定义多边形的点的列表框。这是一个简单的文本编辑 器。 该面的X和Y的坐标可以直接输入,用一组X和Y都设置为 0 的数 据行表示多边形的端点。 因而多边形不能用顶点为 (0, 0) 的点定义。 若一个顶点必须定义为 (0,0) ,那么将用一个非常小的值代替其中 -6 的一个。例如 (1e ,0 ) ,只要至少有一个坐标不为 0,那么这个 点就被认为是顶点而不是表示多边形的端点。 最后列出的顶点被认为 与第一个点相连。例如定义一个边长为 20 单位的矩形。这些点为 -10,-10 -10, 10 10, 10 10,-10 0, 0 注意,最后一个点与第一个点是被假定相联的。因而定义了矩形的最 后一条边。复合多边形用坐标为 (0,0) 的行将其分开。例如,由两 个狭缝组成的口径,每个狭缝的宽度是 5 个单位,狭缝之间相隔 10 个单位,这些点为: -10,-10 -10, 10
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-5, 10 -5,-10 0, 0 10,-10 10, 10 5, 10 5,-10 0, 0 复合多边形也可以被嵌套。若一条光线的交点落在一个多边形 中,而这个多边形又位于另一个多边形里面,那么这个点被认为是在 口径外。 允许在一个口径中定义一个岛形 (Islands) , 使其变为挡光, 反之亦然。允许有多层嵌套,每层都产生点的在内和在外的状态。 允许用户自定义口径中的点的最大数目为 100。 到 达 表面 和 从 表 面 射 出 的 光 线 的 隐 藏 (Hiding rays to and from surfaces) 面对话框中有一个 “hiding” 选项,可把到达表面和从表面射出 的光线隐藏起来。若此选项被选中,在输出的各种外形图中被选中的 面上将不绘制到达或从面上射出的光线。 设置和撤销求解(Setting and removing solves) 在一 大多数数据列 (如半径和厚度) 会有一种或多种求解的方法。 个方格中设定解,在该位置处双击鼠标左键,单击鼠标右键或者在镜 头数据编辑器中选择菜单都可实现上述功能。在求解(Solves)一章 中将对求解方法详细说明。 选项菜单(Menu options) 镜头数据编辑器中的选项栏用来插入和删除面数据,选择面型, 和设置解和变量。 编辑(Edit) 编辑菜单中提供以下选项:
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面型(Surface Type) :这个选项可以改变面型。 插入面(Insert Surface): 在电子表格的当前行中插入新面。快捷 方式: Insert。 后插入(Insert After): 在电子表格的当前行后中插入新面。快捷 方式:Ctrl-Insert。 删除面 (Delete Surface) :删除电子表格的当前行。快捷方式: Delete。 剪切面(Cut Surface): 将单面或多个面数据复制到 Windows 剪 切板上, 然后删除这些面。 单面或多面必须用以下的任一种方式选中。 用鼠标:单击所要选中的第一面。按住左键,拖动鼠标将所选 的面覆盖。 被选中的面 会用当前显示色的反色显示。 若只选一个面,从所要的面处上下 拖动鼠标至两行被选中, 然 后将鼠标拖回到所要的行。 用键盘:将光标移至所要面的任意方格。按住 Shift 键,上下 移动光标直到所需的面被 选中,被选中的面用当前显示色的反色显示。若只选一个面,从 所要的面处上下移动光标 至两行被选中,然后将光标移回到所要的行。 复制面(Copy Surface): 将单面或多个面数据复制到 Windows 剪切板上。 选中单面或多面,参见” Cut Surface”中的介绍。 粘贴面(Paste Surface): 从 Windows 剪切板上复制单面或多个 面数据到镜头数据编辑器中当前光标的位置。 面数据必须先用上面 讲的“Cut Surface”或“Copy Surface”复制到 Windows 剪切板上。 复制方格(Copy Cell): 复制单个方格数据到 Windows 剪切板 上。 粘贴方格(Paste Cell): 将 Windows 剪切板上的单个方格复制到 当前方格。数据必须先用“Copy Cell”将其复制到 Windows 剪切板 上。 复制电子表格 (Copy Spreadsheet) :用适合于粘帖到另外的
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Windows 应用程序的文本格式将高亮显示的面或整个表格(如果没有 面被选中) 复制到 Windows 剪切板上。 求解(Solves) 解和变量可以设置在镜头数据编辑器中的许多数据上。 半径(Radius):设置曲率半径求解。 厚度(Thickness):设置厚度求解。 玻璃(Glass):设置玻璃求解。 半口径(Semi-Diameter):设置半口径求解。 二次曲线(Conic):设置二次曲线系数求解。 参数(Parameter):设置参数列的求解。 变量附加标识(Variable Toggle):把当前所选方格的状态变为可 变。此操作的快捷方式为 Ctrl-Z。 选项(Options) 显示注释(Show Comments):若该菜单被选取,将显示注释列。 若未被选取,注释列将隐藏。注释的显示与隐藏,只是用于当前对话 期间。如果要在 ZEMAX 开始时自动设置该选项,请参 见文件( “File Menu” )这一章下的环境(Environment)这一节。 帮助(Help) 使用 LDE(Using LDE):产生使用镜头数据编辑器的联机帮助。

评价函数(Merit Function) 评价函数编辑器用来定义,修改,和检查系统的评价函数。系统 的评价函数用于优化,祥见优化(Optimization)一章中说明。 编辑(Edit) 插入操作数(Insert Operand):在电子表格的当前行插入新行。快 捷方式: Insert。
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后插入(Insert After): 在电子表格的当前行后插入新行。 快捷方 式: Ctrl-Insert。 删除操作数(Delete Operand): 删除当前光标所在行。 快捷方式: Delete。 剪 切 操 作 数 (Cut Operand) : 将 单 行 或 多 行 操 作 数 复 制 到 Windows 剪切板上,然后删除这些操作数。单行或多行操作数必须 用以下的任一种方式选中。 用鼠标:单击要被选中的第一个操作数。按着左键,拖动鼠 标将所用的操作数覆盖。 被 选中的操作数用当前显示色的反色显示。 若只选一个操作数,从 所要的操作数处上下拖动 鼠标至两操作数被选中,然后将鼠标拖回到所要的操作数。 用键盘:将光标移至所要操作数的任意方格。按住 Shift 键, 上下移动光标直到所需的 操作数被选中, 被选中的操作数用当前显示色的反色显示。若只 选一个操作数,从所要的 操作数处上下移动光标至该操作数被选中,然后将光标移回到所 要的操作数。 复制操作数(Copy Operand): 将单个操作数或多个操作数复制到 Windows 剪切板上。 选中单操作数或多操作数的办法,参见“Cut Operand”中的介绍。 粘贴操作数(Paste Operand): 从 Windows 剪切板上复制单操作 数或多个操作数到评价函数编辑器中当前光标的位置。 操作数必须 先用上面讲的 “Cut Operand”或“Copy Operand”复制到 Windows 剪切板上。 复制方格(Copy Cell): 复制单个方格数据到 Windows 剪切板 上。 粘贴方格(Paste Cell): 将 Windows 剪切板上的单个方格复制到 当前方格。数据必须先用“Copy Cell ”将其复制到 Windows 剪切 板上。
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复制电子表格 (Copy Spreadsheet) :用适合于粘帖到另外的 将高亮显示 Windows 应用程序的文本格式如电子表格或 word 程序, 的操作数或整个电子表格(如果没有操作数被选中) 复制到 Windows 剪切板上。 此格式在文本中用 Tab 键区别。 工具(Tools) 更新(Updata):此选项可以从新计算评价函数。所有的操作数都 被计算,且重新显示。 评价函数缺省值(Default Merit Function):产生可以定义一个评 价函数缺省值的对话框。参见”Optimization”一章。 保存(Save):将当前的评价函数保存在*.MF 文件中。只有评价 函数随后被装载另外的镜头时才需要上述操作。当整个镜头被保存 时,评价函数和镜头数据一起会被 ZEMAX 自动保存。 装载(Load):评价函数可以预先保存在*.MF 或*.ZMX 文件中, 两者可以任意选择。文件中只有评价函数部分被装载到电子表格中。 当前评价函数被破坏。 帮助 操作数帮助(Help on Operands):产生联机帮助系统。

多重数据结构 (Multi-Configuration) 多重数据结构编辑器与镜头数据编辑器相同。为编辑方格中的内 容,只要把光标移动到此方格中,将新数据键入。若设置方格的解, 双击鼠标左键尾或选择求解类型的菜单选项。 编辑 (Edit) 操作数类型(Operand Type):此选项允许改变多重数据结构操作 数类型。关于多重数据结构操作数的完整描述,参见 “ Multi-Configuration”一章。 插入操作数(Insert Operand):在表格的当前行插入新行。 新操
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作数类型是”OFF”,表示操作数尚未被认可。快捷方式: Insert。 后插入(Insert After): 在表格的当前行后插入新行。 新操作数类 型是”OFF”,表示操作数尚未被认可。快捷方式: Ctrl-Insert。 删除操作数(Delete Operand):删除电子表格中当前光标所在行。 快捷方式:Delete。 插入结构(Insert Configuration):选择此项可插入代表新结构的新 的一列。 删除结构(Delete Configuration):删除当前光标所在位置的结构。 此功能删除完整一列及其所包含的内容。 求解(Solves) 解值类型:此选项可产生当前光标方格的解值对话框。 变量附加标识:将当前所选方格的状态成为可变。 工具(Tools) 自动热分析(Auto Thermal): 使用该项可进行设置多重数据结构热 此时会出现一个对话框, 用它可设置结构数量, 分析参数的繁琐工作。 最大和最小温度。 此工具可建立一个具有当前温度和压力的正常结构。附加结构按 给定的温度范围产生。如果需要三重结构,也必须要有一个正常结构 (结构 1),另外 3 个结构按给定的温度范围等量递增分布,总共是 4 个结构。空气压力与正常结构相同。 对于每一个受到温度影响的半径和厚度, 在 TCE 中应该输入适合 的操作数。 此工具可清除镜头中已定义的任意结构数据。 帮助 操作数帮助(Help on Operands):产生联机帮助系统。

公差数据(Tolerance Data)

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公差数据编辑器用来定义,修改,和检查系统中的公差值。参见 公差这一章的讲述。 编辑(Edit) 插入操作数 (Insert Operands):在电子表格的当前行插入新行。 快捷方式: Insert。 后插入 (Insert After): 在电子表格的当前行后插入新行。 快捷 方式: Ctrl-Insert。 删除操作数 (Delete Operands):删除电子表格当前光标所在行。 快捷方式:Delete。 剪切操作数 (Cut Operands):将单行或多行操作数数据复制到 Windows 剪切板上,然后删除这些操作数。单行或多行操作数必须 用以下的任一种方式选中。 用鼠标:单击要被选中的第一个操作数。按着左键,拖动鼠 标将所用的操作数覆盖。 被 选中的操作数用当前显示色的反色显示。 若只选一个操作数,从 所要的操作数处上下拖动 鼠标至两操作数被选中,然后将鼠标拖回到所要的操作数。 用键盘:将光标移至所要的操作数的任意方格。按住 Shift 键,上下移动光标直到所需 的操作数被选中, 被选中的操作数用当前显示色的反色显示。若 只选一个操作数,从所要 的操作数处上下移动光标至两操作数被选中,然后将光标移回到 所要的操作数。 复制操作数 (Copy Operands): 将单个操作数或多个操作数数据 复制到 Windows 剪切板上。 要选中单个操作数或多操作数,参见” Cut Operands”中的介绍。 粘贴操作数 (Paste Operands): 从 Windows 剪切板上复制单操 作数或多个操作数到公差数据编辑器中当前光标的位置。 操作数必 须 先 用 上 面 讲 的 ” Cut Operands” 或 ” Copy Operands ” 复 制 到
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Windows 剪切板上。 复制方格 (Copy Cell): 复制单个方格数据到 Windows 剪切板 上。 粘贴方格 (Paste Cell): 将 Windows 剪切板上的单个方格复制 到当前方格。数据必须先用” Copy Operands”将其复制到 Windows 剪切板上。 复制电子 表格 (Copy Spreadsheet) :用适合于粘帖到另外的 Windows 应用程序的文本格式如电子表格或 word 文档格式, 将高亮 显示的操作数或整个电子表格 ( 如果没有操作数被选中 ) 复制到 Windows 剪切板上。此格式在文本中用 Tab 键区别。 工具(Tools) 缺省公差 (Default Tolerances):产生缺省公差对话框。参见公差 一章的讲述。 放松 2X (Loosen 2X ): 用倍数 2 增加所有的公差。这是公差较 紧时放松公差的最快方式。 紧缩 2X (Tighten 2X): 用倍数 2 减少所有的公差。这是公差较 松时紧缩公差的最快方式。 按面排序 (Sort by Surface):将所有操作数先从第一个面序号开 始按上升顺序排列,然后按类型排列。操作数 COMP 和 CPAR 一直 放在列表的顶部。 因为 SAVE 操作数与表中原操作数有关, 所以在排 序前, SAVE 是在有关的那个操作数下面的, ( 执行这个步骤后 ) SAVE 操作数将会自动地移到原先的那个操作数的下面。如果当前有 STAT 操作数,它将被放在列表的顶部,它必须能人工移动和重新写 入。 既然 STAT 影响表中随后的所有操作数, 因而表中的排序对 STAT 操作数是不起作用的。只要 STAT 被用在公差列表的正文主体 (随 意改变统计) 上,那么一旦进行排序,就需要通过编辑来使 STAT 操 作数正确定位。注意,如果原先跟着 STAT 的操作数通过操作数排序 被分散在列表中, 将需要设定多重 STAT 操作数, 按类型排序 (Sort by Type):按类型上升的顺序为所有的操作数 排序,然后按面序数。参见按面排序。

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帮助 操作数帮助 (Help on operands):产生联机帮助系统。

附加数据(Extra Data) 这个功能只在 ZEMAX-EE 版本中才可以使用 附加数据编辑器只有在 ZEMAX-EE 版本中特殊的面才可以使用。 除了只有附加数据值能被显示和编辑外, 附加数据编辑器与镜头数 据编辑器是相同的。参见 “Surface Type” 一章中关于 ZEMAX-EE 版本支持的特殊面的说明。在附加数据编辑器中面不能插入或删除。 编辑(Edit) 复制方格 (Copy Cell): 复制单个方格数据到 Windows 剪切板 上。 粘贴方格 (Paste Cell): 将 Windows 剪切板上的单个方格复制 到当前方格。 数据必须先用“Copy Cell” 将其复制到 Windows 剪切板 上。 求解(Sloves) 附加数据只允许使用一种求解类型。每个附加数据值可定义为变 量或固定值。 附加数据的变量状态不是解值,但为了与其它电子表 格相一致和便于以后在附加数据中增加解值,菜单选项中仍称为解 值。 工具(Tools) 附加数据编辑器中有两个工具:求解和输入。 求解工具能产生一个允许选择高亮显示参数状态的对话框。如果 当前方格没有被当前的面型使用,那么不显示求解对话框。若方格被 当前的面型使用了, 那么将出现可以在变量和固定值之间改变状态并 选取求解值的对话框。
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输入工具用来从 ASCII 文件中为附加数据面装载附加数据值而不 是直 接输入数据。这个菜单选项能产生一个对话框,框内有表示 ASCII 数据文件的列表,此表以扩展名.DAT 结束。该对话框允许确 定接受数据的面的序数。ASCII 文件中的数据必须同在附加数据电子 表格中的格式一样。 ASCII 文件用单列自由格式数字,文件必须以 扩展名 DAT 结束。 ZEMAX 将在环境屏幕所规定的缺省目录下寻找 此文件。 帮助(Help) 使用 EDE: (Using the EDE)产生使用附加数据编辑器的联机帮 助。 :

撤销,重做,和恢复(Undo,Redo,Recover)

ZEMAX 中有三种形式执行撤销状态:无(None), 一步记忆撤销 (Memory 1 Step), 多重存盘撤销 (Disk Multi Step)。撤销状态在 “File Menu” 中讲述的环境编辑器中设置。 撤销:无(Undo:None) 如果撤销功能设置为无,那么不提供撤销功能。在计算机没有足 够的系统内存或磁盘空间支持撤销功能时,使用该选项。 撤销: 一步记忆撤销(Undo:Memory 1 Step) 在每次编辑和优化前后,ZEMAX 在内存中存储当前镜头的备份。 若选择 Undo, 那么当前的镜头将被先前的镜头替换。 若再选择 Redo, 镜头将再次被替换,其结果是再次存储。 当偶然的编辑误操作后,或优化后要使镜头按它的原先状态复原 时, “Memory 1 Step” 在存储镜头方面是很有用的。但是,它只支 持一个 Undo。这个选项的优点是速度快,在内存中保存原先的数据 的速度如此之快以至于不能感觉到。
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撤销:多重存盘撤销 (Undo:Disk Multi Step) 在每次编辑和优化后, ZEMAX 在硬盘中用 ZMX 文件存储当前 镜头的备份。这些被存储的文件用于执行无限多步 Undo 功能,此功 能允许恢复对镜头所做的任一改变或系列改变。 当一个偶然的编辑 误操作后或优化后甚至几次改变后重新存储原先的数据时, 这种恢复 功能是很有用的。 要恢复镜头的变化,只要从编辑器菜单中选择 Undo 即可。任意 在装载镜头文件后, 所有的改变都能被恢复, 数目的恢复都可以实现, 直到返回第一次编辑的状态。Redo 功能恢复最后一次 Undo。 ZEMAX 保留一个 Undo 文件目录, 它是在 ZEMAX 目录下缺省为 \UNDO 的子目录。当文件被保存,新文件打开或 ZEMAX 正常中断 时, Undo 文件会自动删除。如果 ZEMAX 非正常中断,操作系统失 败,计算机电源被中断,或其它原因使数据丢失, ZEMAX 将通过 恢复最后的 Undo 文件来恢复丢失的数据。 ZEMAX 开始时, 如果存 在 Undo 文件,将会看见一个选项。由于这些文件在正常中断时被删 除,Undo 文件的存在表示先前是非正常中断。 ZEMAX 将发出一个 恢复最后的 Undo 文件选项的警告信息。若恢复,因为旧的文件名内 没有存储镜头,新文件立即被保存在新文件名内。 因为每一个编辑跟随一个保存操作,所以 Undo 功能会减慢编辑 的速度。 保存不减慢光线追迹和优化的速度, 只减慢镜头数据的编辑。 如果 ZEMAX 有不止一个操作同时运行,每个操作都有自己的 Undo 文件。 但是从一个系统事故或非正常程序中断中恢复所有文件, 需要运行相同数目的 ZEMAX 操作。例如,如果 ZEMAX 的两个操作 在运行,电源中断, ZEMAX 的第一个新操作将恢复先前的第一个 操作文件。 ZEMAX 第二个操作将需要运行来恢复先前的第二个操 作文件。

第七章 系统菜单
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§1 全部更新(Update All) 这个选项更新全部窗口以反映最新镜头数据。 ZEMAX 不能在图 形和文件窗口自动改变最后形成的镜头数据。 这是由于新数据在镜头 数据编辑器中被键入时, ZEMAX 如果不断地计算 MTF,光线特性 曲线,点列图和其它数据,那么程序反应会变得很慢。对镜头做所有 需要的改变,然后选择“Update All”来更新和重新计算所有的数据 窗口。 单个曲线和文本窗口(非编辑器)也可以双击窗口内的任意位置 更新。 §2 更新(Update) 这个选项只更新镜头数据编辑器和附加数据编辑器中的数据。更 新功能用来重新计算一阶特性,如光瞳位置,半口径,折射率和求解 值。只影响镜头数据编辑器和附加数据编辑器中的当前数据。参见本 章中§1 全部更新“Updata All”的内容。 §3 通用数据 (General) 这个选项产生通用系统数据对话框,它用来定义作为整个系统的 镜头的公共数据,而不是与单个面有关的数据。参见“Advanced” 部分。 镜头标题 (Lens Title) 镜头标题出现在曲线和文本输出中。标题是通过将题目输入到所 需位置得到的。附加的文本数据可以放在大多数图形输出中,参见本 章后面“Configuring the environment”的说明。 光圈类型 (Aperture Type) 系统光圈表示在光轴上通过系统的光束大小。要建立系统光圈, 需要定义系统光圈类型和系统光圈值。 用光标在下拉列表中选择所需 的类型。系统光圈类型有如下几种: 入瞳直径 (Entrance Pupil Diameter) :用透镜计量单位表示的
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物空间光瞳直径 : 与无穷远共轭的像空间近轴 F/# 像空间 F/# (Image Space F/#) 物空间数值孔径(Object Space Numerical Aperture)物空间边 缘光线的数值孔径(nsinθm) 通过光栏尺寸浮动(Float by Stop Size) :用光栏面的半口径定义 近轴工作 F/#(Paraxial Working F/#) :共轭像空间近轴 F/# 物方锥形角 (Object Cone Angle) :物空间边缘光线的半角度, 它可以超过 90 度 这些术语在第三章 “约定和定义” 中进一步定义。 若选择了 “Object Space N.A”或“Object cone angle”作为系统光圈类型,物方厚度 必须小于无穷远。上述类型中只有一种系统光圈类型可以被定义。例 如, 一旦入瞳直径确定, 以上说明的所有其它光圈都由镜头规格决定。 光圈值 (Aperture Value) 系统光圈值与所选的系统光 圈类型有关。例如,如果选择 “Entrance Pupil Diameter” 作为系统光圈类型,系统光圈值是用 透镜计量单位表示的入瞳直径。 ZEMAX 采用光圈类型和光圈数值 一起来决定系统的某些基本量的大小, 如入瞳尺寸和各个元件的清晰 口径。 选择“Float by Stop Size”为系统光圈类型是上述规律的唯一 例外。 如果选择“ Float by Stop Size” 作为系统光圈类型, 光栏面 (镜 头数据编辑器中设置)的半口径用来定义系统光圈。 镜头单位 (Lens Units) 镜头单位有四种选择:毫米,厘米,英尺,或米。这些单位用 来表示数据,如半径,厚度,和入瞳直径。许多图形(光学特性曲线, 点列图)使用微米做单位,波长也是用微米表示。 玻璃库 (Glass Catalogs) 本控件组有一个列出当前被使用的玻璃库(无扩展名)名称的 可编辑栏。栏的缺省值是”schott”,它表示镜头可以从库中使用玻璃。 如果需要不同玻璃类别,可以用按钮或键入玻璃类名来选择。若要使
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用不在按钮列表中的玻璃库,可以在在编辑栏键入类名。多个玻璃库 之间可以用空格来分隔。 关于改变玻璃库的内容参见 “使用玻璃目录” 一章。 注解 (Notes) 注解部分允许输入几行文本,它们与镜头文件一起被存储。 §4 高级数据(Advanced) 这个选项产生 Advanced System Data 对话框,它不是定义与 而是用来定义作为整个系统的镜头的少数公共数 单个面有关的数据, 据。参见 “通用” 部分。 光线定位 (Ray Aiming) ,近轴光线参考 光线定位选择框由三种状态 :无 ( None ) 。如果光 (Paraxial Reference)和实际光线参考(Real Reference) 线定位状态为 “None” , ZEMAX 用近轴入瞳尺寸和位置来决定从物 面发出的主波长光线,而入瞳由光圈设置确定并用主波长在轴上计 算。这表示 ZEMAX 忽略入瞳像差。对于有中等视场的小孔径系统, 这是完全可以接受的。但是,那些有小 F 数或大视场角的系统,具有 很大的入瞳像差。 光瞳像差的两个主要影响是光瞳位置随视场角的漂 移和光瞳边缘的变形。 如果光线定位被选定,ZEMAX 则考虑像差。光线定位后,每 根光线在追迹时被迭代,同时,在程序运行时校正光线定位以便使光 线准确通过光栏面。 光栏面的正确位置是首先由计算的光栏面半径决定的。正确的 光栏面坐标是用光瞳坐标线性缩放计算得到。例如,边缘光线的归一 化的光瞳坐标为P y =1.0。光栏面的正确坐标是光栏面半径乘以P y。 可以用近轴光线或实际光线计算光栏面半径。若选择 “ Real Reference”那么主波长边缘光线从物面中心向光栏面追迹。光栏面 上的光线高度就是光栏半径。若选择” Paraxial Reference”,那么使 用近轴光线追迹。当选择“Real Reference”时,所有的实际光线被 调整以便在以实际光栏半径为基准的光栏面上正确定位,相应地,近
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轴光线以近轴光栏半径为基准。 当使用光线定位时,光栏面(而不是入瞳)是被均匀照明的面。 这会产生意外的结果。例如,当使用物方数值孔径作为系统光圈类型 时, ZEMAX 用正确的数值孔径追迹近轴入瞳的位置和尺寸。如果 光线定位随后被设置为 “Paraxial Reference”,实际光线追迹将影响 近轴光栏尺寸。这会产生一个与系统光圈值的不同的数值孔径。这是 由于为消除光瞳像差而调整了光线角度之故。 解决这个问题的办法是 使用实际光线参考(Real Reference) 。 通常,首选设置为近轴光线参考 “Paraxial reference”。 虽然光线定位比近轴入瞳定位更精确,但在运行的时候,大多数 (参见后面“Tolerance” 选项的说 的光线追迹将使用 2 到 8 倍的时间。 明) 。因此,只有需要时才使用光线定位。为确定系统中的入瞳像差 量, 关闭光线定位, 然后查看光瞳像差曲线 (参见分析菜单 “Analysis menu” 这一章中的这一功能的说明) 。小于一定百分比的光瞳像差通 常忽略不计。若系统中有较大的光瞳像差,选择光线定位打开,反复 计算。像差将减少到零或接近零。 使用光线定位贮藏器 (Use Ray Aiming Cache) 若选取光线定位贮藏器, ZEMAX 贮藏光线定位坐标以便新光线 追迹能利用先前光线定位结果进行迭代运算。 使用贮藏器能明显加速 光线追迹。但是,使用贮藏器需要精确追迹主光线。对于主光线不能 被追迹的许多系统, 贮藏器应被关闭。 加强型光线定位(慢) (Robust Ray Aiming (slow) ) 若选取本功能,ZEMAX 使用一种更可靠但较慢的运算来定位光 线。只有在即使贮藏器打开,光线定位也失败时,此选项才被设置。 除非光线定位贮藏器打开,否则此开关不起作用。加强模式执行一个 附加检查来确定现存的同一光栏面是否有多重光路, 只有正确的一条 被选择。这在大孔径,广角系统中特别成问题,在这种系统的轴外视 场中也许会发现一条通过光栏的实际光线会混淆光线定位迭代。 光瞳漂移:X,Y,Z (Pupil Shift:X,Y,and Z)
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对于多数系统,单纯选择光线定位时,尽可能少地追迹正确通过 系统的光线就可以消除光瞳像差的影响。当然,它并不是实际消除像 差,仅仅是考虑它。对于广角或大的倾斜或偏心的系统,若不帮助的 话,光线定位功能将失效。因为是把近轴入瞳作为第一个估计值来追 迹光线。如果光瞳像差很严重,可能连第一个估计值都无法被追迹, 更无法得到第二个更好的估算值,从而使算法中断。 本方法为光瞳关于近轴光瞳偏移量提供粗略的推测。这称为”光瞳 漂移”,由三个分量:x,y,和 z 组成。三个量的缺省值为 0,可以通 过修改三个缺省值来帮助算法寻找光线成功定位的第一估算值。 漂 移量 z 的正值表示实际光瞳在近轴光瞳的后面 (即在通用光学坐标系 统右面) , 漂移量的负值表示光瞳向前漂移。多数的广角系统有向前 漂移的光瞳。 所提供的光瞳漂移量 z 与所追迹光线的视场角成线性比例,因此 光瞳漂移指的是全视场光瞳的偏移量。 漂移量 x,y 说明物平面倾斜 或光栏偏心时光瞳位置的改变。若选择了“视场光瞳偏移比例因子” (Scale pupil shift factors by field) ,光瞳漂移量 x,y 也随视场缩放, 否则, 漂移量未经缩放地用于所有视场。所有漂移量用镜头计量单 位表示。 需要理解的是:知道光瞳漂移的精确值并非重要。一旦第一条估 算光线可以被追迹, 光线定位算法将粗略地找到精确的光瞳位置。 光瞳漂移值只是光线定位的开始。通常,推测光瞳偏移量是决定其适 合值的可用方法。 变迹法 (Apodization Type) 缺省时,光瞳是均匀照射的。但是,有时光瞳必须使用非均匀照 射。由于这个原因,ZEMAX 支持光瞳变迹,这种变迹是光瞳上振幅 的变化。有三种光瞳变迹类型:均匀、高斯和正切。均匀表示光线均 匀地分布在入瞳上,模拟均匀照射。 高斯变迹是在光瞳上振幅以高斯曲线形式变化。变迹因子表示径

A( p)a ? e

2 ?Gp

向的光瞳坐标函数的光束振幅递减率。 光束振幅在光瞳中心归一化为
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1 个单位,入瞳其它点的振幅由下式给出: 这里 G 是变迹因子, p 是归一化的光瞳坐标。 如果变迹因子是 0, 那么光瞳照射是均匀的。 如果变迹因子是 1.0, 那么光束振幅在入瞳 边缘的 1/e。 (它表示光强度为 e 的平方分之 1, 大约是峰值的 13%) 。 变迹因子可以是大于或等于 0.0 的任意值。 不建议采用大于 4.0 的值。 因为如果光束振幅离轴下降很快,在许多计算中取样的光线太少,以 至于不能产生有意义的结果。 正切变迹恰当地模拟了点光源照在平面上的强度衰退特点(如入 瞳通常是平面) 。对于一个点光源,偏离点光源距离为 Z 的面上的强 度为:

I (r ) ?

Z Z
2

2

? r

2

这里 r 是平面上一点到光源的距离,强度在轴上已经归一化为一 个单位。 如 r 用归一化的光瞳坐标来表示, 振幅变迹可用平方根产生:

A( p ) ?

1 1 ? p 2 tan 2 ?

这里 tanθ是入瞳顶部的光线与 z 轴的夹角的正切。 对于正切变迹,tan θ是变迹因子。特殊情况下变迹因子为 0,当计算变迹时,ZEMAX 用 入瞳位置和尺寸会自动计算出 tanθ。 除了在入瞳面一外,ZEMAX 也支持用户在任意面上自定义的变 迹,用户自定义变迹用在“表面类型”这一章所讲的用户自定义面型 来完成。 变迹因子 (Apodization Factor) 变迹因子表示光瞳上振幅的衰减速度。参见前一节关于变迹类型
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的说明。 光程差参数 (Referece OPD) 光程差或 OPD,在光学设计计算中很有意义,因为光程差表示成 对零光程的任意偏离都会在光学系统中形成衍射 像的波前位相误差。 图像时产生误差。 因为出瞳是光栏在像空间的像,出瞳表示像空间光束有清晰边界 的位置。出瞳处的照度,其振幅和位相通常是平滑变化的,零振幅和 非零振幅区域有明显的界限。换句话讲,在出瞳处观察,可以合理地 假定波前没有明显的衍射影响。 如果光学系统中的所有面的通光孔径 比受光栏限制入射到每一面上的光束尺寸大,这一假定基本上是事 实。甚至如果出瞳是虚拟的(这是常有的) ,出瞳仍然定义了像空间 光束无衍射影响的唯一位置。 关于衍射像形成的其它信息和出瞳的重 要性,参见第一章的参考书。 当波前从出瞳传播到像平面时,光束外形在振幅和位相上变得很 复杂,由于衍射的影响,波前扩展到整个空间。因此,为了精确地描 述了波前和像的质量, 在出瞳上测量位相误差是唯一有效和非常重要 的。 ZEMAX 缺省时,使用出瞳作为计算 OPD 的参考面。因此,对一 条给定的光线进行 OPD 计算时,光线通过光学系统追迹,自始至终 到达像平面,然后反向追迹到位于出瞳处的参考球面。这个面后得到 的 OPD 是有物理意义的位相误差, 它对于如 MTF, PSF 和环带能量 等衍射计算是很重要的。由光线向后追迹到出瞳而得的附加路程,从 参考球面的半径中减去,得到 OPD 的微小调整,称之为”校正项”。 这种计算对于所有实际应用是正确和需要的。 但是,ZEMAX 也允许选择两种其他参考方法。 无限远参考面: “Infinity”参考面假定出瞳在很远的地方(即使它 ,OPD 校正项用光线中的角误差严格给定。只在一种可 也许不太远) 能时使用这个设置:即 ZEMAX 不能正确计算出瞳位置。这发生在 一些在光栏面不能成像 (实像或虚像)的不常见的光学中。在这种 情况发生时, ZEMAX 用特殊程序代码处理所有已知的可能发生这种 情况的场合,因此,除非 Focus Software 技术支持时特殊推荐它,
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否则这个设置不使用。当前尚没有已知的场合需要推荐这种设置。 绝对参考面: “Absolute”参考面表示 ZEMAX 根本不能在 OPD 计算中加上任何校正项,只加上光线的总光程并从主光线中减去它。 这种方式并不是实际有效的,它的目的是用来调试和检查 Focus Software 公司的 OPD 算法。 总之, 除非 Focus Software 公司的软件工程师明确地通知改变设 置,你必须一直使用“出瞳”参考面。若不选择“出瞳”参考面,则 很容易产生错误数据。 近轴光线 (Paraxial Rays) 近轴光线特性通常不用于定义非旋转对称系统。由于这个原因, 在追迹近轴光线时, ZEMAX 缺省忽略由于坐标转折引起的所有倾斜 和偏心。通过忽略倾斜和偏心,ZEMAX 能计算等效的同轴系统的近 轴特性,这种处理方法即使对非对称系统也是正确的。 因此, “Ignore Coordinate Break” 的缺省设置是很受欢迎的。 选择与此不同的设置会导致 ZEMAX 计算失败,象精确计算所有的 近轴数据,光线定位,OPD 计算, 。 只有一种情况需要“Consider Coordinate break” 。对通过陡峭倾 斜光栅的光线追迹,甚至近轴光线也需要坐标转折,否则,光线不能 满足光栅方程。这是因为衍射光栅是严格按照入射界角来弯曲光线 的。 快速非球面追迹 (Fast Asphere Trace) 当追迹的光线通过某一非球面时, 如果光线与该面交点不存在近似解 的公式,则需要迭代。 ,ZEMAX 为加快迭代的收敛性,将为光线 此框被选中(缺省条件) 交点的解设一个初始假定值。但是,若选用“fast Guess” ,许多不 规则弯曲的非球面不收敛。使用这种面的系统。此选框不应选取,因 为这时 ZEMAX 将使用速度慢的但加强型的算法来寻找解。不管此 选框选取与否, ZEMAX 将寻找精确的光线交点的解或显示错误信息 标识。 检查梯度折射率元件的口径 (Check GRIN Apertures)
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若选取,此设置将命令 ZEMAX 为渐晕口径面检查所有梯度折射 率光追。 介质中的每一条梯度光线追迹都被检查以判别光线是否落在 后一面的通过口径边界外,若是,那么光线是渐晕的。若未选中该设 置,在光线通过该面口径时,光线也许会落在后一面边界之外。 使用T,P (Use T,P) 若镜头使用时,温度不是 200C,压力不是一个大气压,则这个选框应 被选取。若此选框未选取。则忽略所有温度和压力影响。这可以加速 折射率数据的计算,如果使用正常的温度和压力,此选框不选。参见 “热分析” (Thermal Analysis)一章。 此特性只在ZEMAX-EE版本 中可用。 温度 (Temperature) 用摄氏度表示的外界温度 。 参见“热分析 ZEMAX ( Thermal Analysis)一章。 此特性只在 ZEMAX-EE 版本中可用。 压力 (Pressure) 大气中的空气压力。真空值为 0,海水中为 1.0。 参见“热分析” (Thermal Analysis)一章。 此特性只在 ZEMAX-EE 版本中可用。 半口径余量% (Semi Diameter Margin in %) 通常,用自动模式给定的各面的半口径是ZEMAX用没有阻拦的 通过所有光线所需的径向口径计算得到的. 对于有密集元件或边缘靠 近的元件的系统,本缺省设置会产生明确的口径,而不为抛光和安装 留下余量。通常,光学表面能很好地抛光的尺寸只能占全口径的一部 分,根据零件大小不同,这一部分约在90%到98%之间。 半口径余量控制允许以一定的百分比确定径向口径的余量。缺省 值 0 没有余量,”自动控制”下的 5%余量是在所有面的半口径值上增 加 5% 。 这种控制简化了陡峭面的密集元件和边缘接触点的系统的设计。 最大允许余量为 50%。

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半口径的快速计算法(Fast Semi-Diameters) ZEMAX 能“自动”计算半口径。它估算为让所有视场点和波长 的光线通过,各面所需要的明确的口径。对于共轴系统,可以通过追 迹每个视场和波长的两条光线而精确计算。 这两条光线是上下两条边 缘光线。 对于非共轴系统,除了沿渐晕光瞳周边追迹大量的光线外,没有 通用的方法来精确计算半口径。虽然这种算法很精确,但速度很慢, 因为 ZEMAX 需要不断的更新半口径数据,尤其在优化时。速度和 精确之间是要折衷的。 对于非共轴系统,缺省时,ZEMAX 追迹每个视场和波长渐晕光 瞳的实际子午面上的两条光线, 然后用每条光线在每个面上的径向坐 标估算所需的半口径。对于许多系统,估算结果不够精确。这主要包 括具有较小边缘和明显口径限制的系统或具有偏心元件和只有少数 视场点的系统。 如果“ Fast Semi-Diameter”选项被选择“off ” ,那么对这些非 共轴系统,ZEMAX 将反复追迹所需的光线来决定半口径, 其精度为 0.01% (5 个有效数字) 。将“Fast Semi-Diameter”关闭可以明显 减慢优化速度,但对于具有复杂评价函数的系统,上述间接操作相对 较小。 全局坐标参考面 (Global Coordinate Reference Surface) 全局坐标是由每个面的局部坐标旋转和转化而来的。此换算可以 写为

? x g ? ? xo ? ? R11 R12 R13 ? ? xl ? ? ? ? ? ? ?? ? ? y g ? ? ? yo ? ? ? R21 R22 R23 ? ? yl ? ?z ? ? ? ? ? R31 R32 R33 ? ?? ? zl ? ? ? g ? ? zo ?
这里下标“g”表示全局坐标, “0”表示坐标的偏离量(转变) “l ” 表示局部坐标。任意一个面的旋转矩阵 R 和偏离向量可以用其他面 作为全局参考面来计算。 用旋转矩阵可对该面坐标系统在以全局参考面定位时得出重要的
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结论。在局部面,沿 x 轴确定方向的单位向量是(1,0,0) 。这 个向量可以用 R 矩阵旋转来产生全局坐标系统的 x 方向。将单一矩 阵分别乘上三个单位矩阵矢量可得:

? R13 ? ? R11 ? ? R12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? xl ? ? R21 ?, yl ? ? R22 ?, zl ? ? R23 ? ? ? ? ? R31 ? ? ? R32 ? ? ? R33 ? ?
注意沿局部坐标轴定方向的单位向量只是 R 矩阵的列向量。在性 能报告中的全局顶点清单中列出了 R 矩阵分量和每面的偏离向量, 它们以全局参考面为参照的。如果该面是坐标转折点,那么 R 矩阵 包括坐标变换和旋转的影响。如果参考面是坐标转折点,坐标参考系 统是由局部坐标系统偏离和旋转来定义的。如果计算 R 矩阵的面先 于参考面,这面是坐标转折点,系统的 R 矩阵计算先于坐标变换。 当有怀疑时, 在有怀疑的位置插入一个没有坐标转折的虚拟面来检查 全局方位。 缺省参考面是 1,虽然其它面也可以选为参考面,除非物在无 穷远,否则 0 面不能作为参考面。 参考面也用于定义多重变焦位置在 3 维外形图中点的重叠。 §5 视场 (Fields) 视场对话框允许确定视场点。视场可以用角度,物高 (有限共轭 系统) ,或像高来确定。可通过用来启动或停止按钮来选择视场位置, 也可以捡取数据。关于视场的规定,参见第三章“约定和定义” (Conventions and Definition) 。 ZEMAX 也提供定义渐晕系数的数据栏。4 个渐晕因子为:VDX, VDY,VCX,和 VCY。 如果系统中没有渐晕,这些渐晕因子被设为 0。这些因子在第三章“约定和定义” ( Conventions and Definition) 的“渐晕系数”中有说明。 在视场对话框中也有一个标为“Set Vig”的按钮。点击此按钮将 重新计算当前数据下每个视场的渐晕因子。 用设置渐晕的算法估算渐 晕偏心和压缩因子以便光瞳边缘的上,下,左,右四条边缘光线能通
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过每个面的用户自定义半口径。计算时只使用主波长。若要使渐晕因 子成为缺省值 0,单击: “Clr Vig” 。 该算法通过从光瞳发出一网格光线来开始运算。在使用用户自定 义半口径的每一个面,光线被测试是否在确定的口径内通过。通过所 有面的所有光线用于计算无渐晕的光瞳中心。注意只有用户自定义 (非自动) 半口径被使用时, 面孔径(如长方形或环形口径) 被忽略。 无渐晕的光瞳边缘用迭代方式精确计算到 0.001% 。 这种算法不是在所有场合中都能起作用。对于设置渐晕失败的系 统,渐晕因子需要手工调整。设置渐晕运算的精度可以用追迹少数边 缘光线检测。 §6 波长 (Wavelength) 波长对话框用于设置波长,权因子,和主波长。按钮可以用来启 动或停止输入波长和捡取数据。包括常用的波长列表。要使用列表中 的项目,选择所需的波长,点击”Select”按钮。 其它信息参见第三章“约定和定义” ( Conventions and Definition) 。 §7 偏振状态 (Polarization State) 偏振状态对话框用于设置使用偏振光线追迹的许多分析计算的 缺省输入状态。许多分析功能“Use Polarization”开关来使用偏振 光线追迹和变迹,如点列图和作为视场函数的均方根 RMS 。本对话 框是设置初始偏振状态的唯一工具。对于这些功能,当考虑菲涅尔衍 射,薄膜和内部吸收影响时,偏振光线追迹只被用来决定光线的透过 强度。 在这里电磁场的矢量方向被忽略, 而假定只有标量理论可适用。 光线只是在强度上衰减,加权计算被应用。 偏振是由 4 个数值定义的:表示电磁场X和Y方向模值的E x 和 E y ,用度表示的X-位相和Y-位相的相位角。ZEMAX 将电磁场向量 归一化为 1 个强度单位。 有一个标签为“Unpolarized”检查框。若选取,那么偏振值E x , E y ,X-位相,Y-位相被忽略。这时使用非偏振计算。非偏振计算用正 交偏振的两条光线追迹并计算最终透过率的平均值。注意,非偏振计
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算比偏振计算所需的时间长, 而偏振计算也比完全忽略偏振的计算所 需的时间长。 偏振光线追迹只在 ZEMAX-EE 版本中使用。 §8 下一重结构 (Next Configuration) 当要更新所有的图表以便反映下一个结构(或变焦位置)时,本 菜单选项提供了快捷方式。若选中,所有的电子表格,文本和图解数 据都将被更新。 §9 最后结构 (Last Configuration) 当要更新所有的图表以便反映最后一个结构(或变焦位置)时,本 菜单选项提供了快捷方式。若选中,所有的电子表格,文本和图解数 据都将被更新。

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第八章 §1 导言(Introduction)

分析菜单

这一章将详细介绍 ZEMAX 种的所有分析功能。分析镜头数据的 曲线和文本通常包括像差、MTF、点列图、以及其他的计算结果。程 序修改镜头数据和处理其它数据(如玻璃数据库)的特性将在工具菜 单“Tools Menu” 一章中讲述。 选择了一个菜单选项立刻执行一个需要的计算。一旦曲线和文本 窗口被显示,可以用选择设置菜单选项来修改缺省设置。一旦你已经 作了适当的改变,敲击“OK”,程序将重新计算和显示当前窗口种的 数 据 。 如 果 你 要 在 曲 线 和 文 本 数 据 显 示 前 改 变 设 置 , 在 File : Environment:Graphics 中使用“Show Options First”选项框。 在设置窗口中的“OK” , “Cancel” , “Save” , “Load” , “Reset” 和“Help”的功能参见用户界面一章。 每个分析窗口都有一个“ Updata ”菜单项。更新功能会强迫 ZEMAX 重新计算和重新显示当前窗口中的数据。当镜头数据改变和 当前显示的曲线不能用时,这个功能是很有用的。在窗口双击会执行 与选择更新选项相同的功能。敲击鼠标右键与敲击“Setting”相等。 还有许多信息参见用户界面一章。 §2 外形图(Layout) 二维外形图(2D Layout) 目的: 通过镜头 YZ 截面的外形曲线。

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