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- 素材授權：
- 免費下載
- 素材格式：
- .ppt
- 素材上傳：
- ppt
- 上傳時間：
- 2016-06-08
- 素材編號：
- 51981
- 素材類別：
- 培訓教程PPT
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這是一個關于ZEMAX軟件培訓教程PPT（部分ppt內容已做更新升級）課件，主要介紹了國內外光學設計軟件情況、ZEMAX已經成為當今使用最普遍的光學設計軟件、市場應用等內容。ZEMAX是Focus Software 公司產品——光學鏡頭設計和光學系統(tǒng)分析軟件，版本有三個等級；每年有數次版本更新，可以到ZEMAX的網站或者訊技光電科技公司的網站上下載更新，界面友好，容易上手；資料豐富，既可以直接選擇，又可以自定義，更多內容，歡迎點擊下載ZEMAX軟件培訓教程PPT（部分ppt內容已做更新升級）課件哦。
ZEMAX軟件培訓教程PPT課件是由紅軟PPT免費下載網推薦的一款培訓教程PPT類型的PowerPoint.
ZEMAX簡介（I）
Focus Software 公司產品——光學鏡頭設計和光學系統(tǒng)分析軟件
版本有三個等級：
＊ZEMAX—SE(標準版)
＊ZEMAX—XE(完整版)
＊ZEMAX—EE(專業(yè)版)
每年有數次版本更新，可以到ZEMAX的網站或者訊技光電科技公司的網站上下載更新
www.infotek.com.tw
ZEMAX簡介（II）
界面友好，容易上手；資料豐富，既可以直接選擇，又可以自定義；
可建立反射、 折射、衍射及散射等光學模型；
可進行偏振、鍍膜和溫度、氣壓等方面的分析
具有強大的像質評價和分析功能；
豐富的資料庫，有現成的鏡頭和玻璃、樣板數據，可供用戶選擇；
大部分窗口都提供在線幫助，方便隨時獲取相關功能的在線解釋和幫助；
系統(tǒng)要求
WIN98，NT，2000，XP
200Mb 以上的硬盤空間
最小的分辨率為：1024*768
一個并行口或者USB接口用來接KEY
64Mb以上內存；如果進行對象非常復雜、物理光學或散射和照明分析時，最低要求是256MB，最好是512Mb
What is ZEMAX
ZEMAX是一個光學設計軟件，它使用sequential和non-sequential的方法模擬refractive，reflective和diffractive光線追跡。
ZEMAX用“surface”為sequential ray tracing建模；用“component”或solid object model為non-sequential ray tracing建模。
Purely sequential ：
傳統(tǒng)的鏡頭設計，和大多數成像系統(tǒng);
Hybrid sequential/ non-sequential(aka NSC with ports)
同時有sequential組件和non-sequential組件（如prism，pipe）的系統(tǒng);
用“ports”為光線進入和離開NS group的出入口;
Purely non-sequential(aka NSC without ports)
用于illumination，scattering，stray light analysis;
不用“ports”。
Ray Tracing的3種方式（I）
（1）Purely Sequential：用于傳統(tǒng)的透鏡成像系統(tǒng)設計；
•以光學面（surface）為對象來構建光學系統(tǒng)模型；
•光線從物面開始（常為surface 0）
•按光學面的順序計算（surface 0，1，2…），對每個光學面只計算一次；
•每個面都有物空間和像空間；
•需要計算的光線少，計算速度快；
•可進行analysis，Optimization及Tolerancing；
Sequential system例子
Ray Tracing的3種方式（II）
（2）Hybrid sequential/non-sequential(aka NSC with ports)
•所有object都是3D shell or solids；
•每個object都在一個空間坐標系中定義了其特性；
•光線從input port進入non-sequential group；從exit port 離開NS group；
•光線在NSC中一直追跡，直到它遇到下列情況才終止：
Nothing
Exit port
能量低于定義的閾值。
•忽略NS group內的光源和探測器；
•進入NS group的光線的特性，由序列性的系統(tǒng)數據，如視場位置和瞳的大小等決定。
NSC with ports system例子
Ray Tracing的3種方式（III）
（3） Purely Non-sequential(aka NSC without port)
•所有object都是3D shell or solids；
•每個object都在一個空間坐標系中定義了其特性；
•需要定義光源的發(fā)光特性和位置，定義detector收集光線；
•光線一直追跡，直到它遇到下列情況才終止：
Nothing，
能量低于定義的閾值。
•計算時光學元件的相對位置由空間坐標確定；對同一元件，可同時進行穿透、反射、吸收及散射的特性計算；
•無法作優(yōu)化及公差分析；
這種情況下，可以對光線進行分光，散射，衍射，反射，折射。
NSC without ports system例子
ZEMAX用戶界面
ZEMAX用戶界面類型
ZEMAX有4種主要類型的用戶界面：
Editors:定義和編輯光學面和其他數據；
Graphic windows：顯示圖形數據；
Text windows：顯示文本數據；
Dialog boxes：編輯和回顧其他窗口或系統(tǒng)的數據，或者報告錯誤信息等。
ZEMAX Editors界面
有很多種：
Lens data editor: 基本的lens data，包括surface type， radius， thickness， glass，etc.
Merit function editor:優(yōu)化時，定義和編輯merit function；
Multi-Configuration editor：為變焦鏡頭和其它多重結構系統(tǒng)定義多重結構參數；
Tolerance Data editor：定義和編輯公差數據；
Extra Data editor:需要很多參數的surface data的擴展；
Non-sequential component editor:定義和編輯NSC sources， objects， detectors。
ZEMAX Editors
Graphic and Text 界面
有些功能（如layout）只支持圖形，有些只支持文本（如Seidel像差系數），有的都支持（如fan plot）；
如果二者都支持，一般先給出圖形輸出，如果需要顯示text的內容，需要點一下菜單欄中的“Text”；
Graphic and Text windows例子
Graphic and Text windows例子
點Text菜單欄，可以看到圖形窗口中的文本信息。
Graphics windows菜單功能
Update：更新窗口中的數據；
Setting：設置窗口的屬性；
Print：打印窗口的內容；
Windows：
Annotate：往圖形上加lines，boxes，text；
Copy clipboard:將內容拷貝到剪切板中；
Export:將內容轉換為WMF，EMF，JPG，BMP文件保存；
Lock:鎖定窗口；
Clone:Clone窗口；
Aspect ratio:設置窗口的長寬比；
Active cursor:對圖形窗口顯示鼠標所指位置的數據；
Configuration:選擇要顯示哪個結構的數據；
Overlay：不同圖形重疊顯示；
Text windows菜單功能
Text:產生圖形所對應的文本數據；
Zoom:對圖形放大和縮小控制
Update:更新窗口中的數據；
Setting：設置窗口的屬性；
Print：打印窗口的內容；
Windows:
Copy clipboard:將內容拷貝到剪切板中；
Save: 保存ASCII TXT文件；
Lock:鎖定窗口；
Clone:Clone窗口；
Configuration:選擇要顯示哪個結構的數據；
Dialog boxes
ZEMAX的大部分圖形和文本窗口都包含有設置對話框。
數據輸出
輸出到到剪貼板，可以再到其它windows應用程序，如Excel等；
輸出到CAD程序：支持DXF，IGES，STEP，SAT格式。
DXF：
因為不是標準格式，對其支持比較差一些；
只有在wireframe的設定中才支持。
IGES，STEP，SAT：
真正的標準；
可以輸出3D solids；
可以輸出為lines;
在Tool菜單欄中。
Session file的概念
Session file ：在保存文件時，如果選擇Session file，則它包括lens file， 所有圖形和文本窗口，editors，它們在屏幕上的大小和位置，及每個窗口的設置。此時，除了一個ZMX文件以外，還有一個SES文件。
Lens Data
Lens data的組成
Sequential lens data-Surface data:
面的序號;
每個面的相關結構數據;
光學系統(tǒng)的孔徑;
波長;
視場。
進行優(yōu)化時，還需要：
變量;
優(yōu)化函數。
For NSC without port system，還需要：
所有object的結構參數和位置參數;
所有source和detector的特性參數和位置參數;
波長。
Surface data的組成
The radius of curvature:面的曲率半徑，根據符號規(guī)則確定符號；
The thickness of the surface:到下個面的相對距離，滿足符號規(guī)則（用local坐標系）；
The glass type of the surface:可以直接輸入玻璃的名稱，也可以輸入折射率和色散系數（如果是空氣，則為空格）；
The semi-diameter of the surface(optional)：面的孔徑；
Other data（parameter or extra data）:描述面形的參數。
Surface data的符號規(guī)則
Surface Type
（1）提供了近60種的光學曲面面形。主要類型有：平面、球面、標準二次曲面、非球面、光錐面、輪胎面、折射率漸變面、二元光學面、光柵(固定周期和變周期)、全息衍射元件、Fresnel透鏡、波帶片等。
（2）還提供了User Defined Surface。用戶只需要按照它的語法規(guī)定，用C++語言編寫DLL文件與ZEMAX相連接就可以建立自己需要的面形。
The system aperture
它是很重要的一個參數，決定入瞳的大小，它決定光學系統(tǒng)在物空間收集多少光線。
System aperture types
•Entrance Pupil Diameter(EPD):直接指定入瞳的大小；
•Image Space F/#:無限共軛像空間近軸F數（f/D，只用于物距無窮遠）；
•Object Space Numerical Aperture：物空間邊緣光線的數值孔徑nsinθ（物在有限遠處，保持N.A.為常數）；
•Float by Size：EPD的大小由光欄的半徑決定；
•Paraxial working F/#:像空間中定義的共軛近軸1/2ntan，忽略像差；
•Object Cone Angle:物空間邊緣光線的半角，最大可以達到90度（物在有限遠）。
Field points
ZEMAX常常用點光源定義視場或物的大�。�
定義了點光源以后，可以建立擴展光源的模型；
對每個系統(tǒng)最多可以定義12個視場點。
ZEMAX支持4種不同視場形式：
Field angle:投影到入瞳上XZ和YZ平面上時，主光線與Z軸的夾角。大多用在無限共軛系統(tǒng)。
Object height:物面上X，Y高度。大多用在有限共軛系統(tǒng)。（注：如果物面為曲面，則X，Y坐標包含Z坐標）
Paraxial Image height:像面上的近軸像高。用于需要固定像的大小的設計中。（只用于近軸光學系統(tǒng)中）
Real image height:像面上實際像高。用于需要固定frame size的設計中（如camera lenses）。
Field points示例
Wavelengths
ZEMAX對每個系統(tǒng)最多允許定義12個波長。并且必須指定主波長，根據不同波長的重要性，權重可以不同。
波長的單位為微米。
Variable parameters
在進行優(yōu)化設計時，需要設置變量，ZEMAX會調整這些變量，以找到最佳設計結果。
變量可以是任何量，包括radii， thicknesses， indices， V numbers， partial dispersions， conic constants， tilt angles， 甚至fields and wavelengths。
Merit functions
優(yōu)化函數是用來定義優(yōu)化控制目標項目。它包括設計目標，邊界條件和計算結果的總結。
在優(yōu)化過程中，用merit function的值來評價一個系統(tǒng)的優(yōu)劣。
Merit function由optimization operands組成，ZEMAX提供了200多個這樣的操作數，涵蓋了各種目標控制條件。
Tolerancing
ZEMAX可以對光學面的參數和群組的參數進行公差分析。它提供了二種公差分析模式：
(1)sensitivity：給定結構參數的公差范圍，計算評價標準的影響，
(2)inverse sensitivity：給出評價標準量的允許變化范圍，反算出結構參數的公差。
結果報告
可以給出各種數據的結果報告，可以是圖形、曲線或表格的形式：
(1)surface data
(2)system data
(3)prescription data
(4)report graphic
可以輸出零件圖、固體圖
或網格圖。
可以輸出SAT/STEP/IGES
等文件格式。
其他
包含有很多公司的玻璃材料庫，
可以進行鍍膜分析，可以編輯薄膜，
可以進行熱分析，
可以進行偏振光計算，
可以進行物理光學分析和計算，
可以進行樣板比對。
練習：Singlet
目的：練習如何建立初始結構、設定視場和工作波長。
題目：
建立一個單透鏡，入瞳直徑為40mm，二個面的曲率半徑分別為50mm，-60mm，中心厚度為4mm
視場0，7，10度
波長：可見光
玻璃材料：BK7
Solves
What are solves?
Solves 是ZEMAX中可以主動調整特定值的功能�？梢詾� curvatures， thicknesses，glasses， semi-diameters， conics， and parameters等參數指定solve。
Solves的設置，只需要在希望放置solve功能的欄中點右鍵或雙擊左鍵就可以了。
Solves的應用有很多：
Maintaining F/#:用MRA或F/# curvature solve；
Maintaining paraxial focus:用MRH；
Maintaining edge thickness;
Linking values together:pickup solve;
Holding a distance between surfaces:position solve。
Curvature solves
Marginal ray angle or F/#
Marginal ray angle θm(r/f)決定F/#：
F/#＝1/2NA=1/2nsin (θm)
如果系統(tǒng)為slow（即F/#大，如F/10或更慢）時，
F/#=1/2nsin (θm)＝1/(2 nθ)
MRA solve可以調整任何面（一般是最后一個glass-air面）的曲率半徑，在優(yōu)化時，保持F/#固定不變。 θm （r/f，-號表示是會聚光，+號表示是發(fā)散光），可以控制透鏡的有效焦距f(EFL)；
Curvature solves
Chief ray angle:控制特定的放大率或使出射光線保持準直（maintaining collimation）；
Pick up:指定前面某個面，使當前面的曲率半徑和指定的面保持確定關系；
Marginal ray normal：迫使光學面與近軸邊緣光線垂直，也叫image-centered surface。產生沒有球差或彗差的光學面；
Chief ray normal: 迫使光學面與近軸主光線垂直，也叫pupil-centered surface。產生沒有彗差、像散或畸變的光學面；
Alplanatic(齊明的): 迫使光學面對近軸邊緣光線齊明的（消球差）。產生沒有球差、彗差或像散的等光程光學面。
Curvature solves
Element power:光學系統(tǒng)的光焦度（n/f）。使指定的光學元件的光焦度保持不變，可以控制有效焦距；
Concentric with surface:控制面的曲率，使這個面的曲率中心落在前面某個面上；
Concentric with radius:控制面的曲率，使此面的中心與指定的面（前面）的中心為同一點。
F/#(F number):控制面的曲率，使從這個面出射的邊緣光線角為 -1/2F（F即為D/f， D為入瞳直徑， f為有效焦距）�？梢钥刂葡到y(tǒng)的有效焦距。
Thickness solves
Thickness solves
• Marginal ray height:定位像平面（常用控制近軸邊緣光線在后一個面上的高度，使像面處在近軸焦點上）；還可以約束特定的光束；
• Chief ray height:定位pupil plane（近軸主光線高度）�？梢詫⒐鈱W面移到瞳面上；（應用：1、它可以將參考面固定地處在pupil上，2、定位入、出瞳）；
• Edge thickness:控制二個面之間的距離，使其在半徑為某個值處為規(guī)定的值。可以避免邊緣厚度為負或邊緣太尖銳；
Pick up：使這個面的thickness值隨指定的面按一定規(guī)律變化；（主要用于：double pass system， endoscopes，relay lens等包含多個相同元件的系統(tǒng)中），
Thickness solves
Optical path difference:調整thickness，使指定光瞳坐標處的光程差維持一個指定的值；例如：在焦點上，邊緣光線和主光線的光程差相等，可以在像面前面的一個面的厚度處設置OPD Solve。
Position:使這個面到指定參考面的距離（厚度的總和）保持為定值。在變焦鏡頭設計中，可以控制它的某一部分保持固定的長度。也可以約束整個透鏡的長度。
Compensator:與position非常類似，顯示的是所要控制的厚度與參考面厚度之差。表達式為：T=S-R。S為二個面的厚度之和，R為參考面的厚度。參考面必須在前面。
Center of Curvature:調整thickness的值，使后面一個面處在前面某個面的曲率中心上。
Glass solves
Glass solves
Model: 用于玻璃的優(yōu)化。用三個參數：d光的折射率、Abbe數和部分色散項。只能用于可見光，可能得到不存在的玻璃；(不常用)
• Pick up：隨某個指定的面一起變化；
• Substitute：用于glass optimization，它更容易且可靠。在優(yōu)化時，用hummer優(yōu)化算法查到合適的玻璃。
Offset：允許在折射率或者Abbe數上增加一個小的偏移量。用于公差計算。
Semi-Diameter solves
Semi-Diameter solves
Automatic：根據入瞳自動調整孔徑大小
Fixed：輸入為固定的值
Pick up
Maximum：在multiple configuration中，計算所有結構中的半徑值，然后使用最大的一個值。
其它solves
Conic， Parameters也可以設置solve，但一般只有Fixed， Variable和Pick up三種類型。
Coord break的Parameters可以設置chief ray的求解類型。只用于coordinate break面的前4個參數。
Solve使用建議
Solve的計算是從第1個面到像面順序進行的，對參數計算的順序是：curvature， thickness， glass， semi-diameter， conic， parameter；
因為curvature和thickness的求解會影響入瞳的位置，所以不允許將依賴于光線追跡的求解放在光欄的前面（如marginal ray height）；
Solve是高效的，在設計過程中盡可能用它來代替優(yōu)化變量控制一些參數。
練習
用Solve求解的方法，將前面設計的單透鏡的焦距控制為100mm，
用Solve將像面移到焦點上。
Analysis
像質評價與分析
※ ZEMAX提供了豐富的像質評價指標，評價小像差系統(tǒng)的波像差、圓內能量集中度；評價大像差系統(tǒng)的點列圖、彌散圓；MTF、PSF;幾何像差評價方法。
※可以給出Seidel和ZERNIKE像差系數
※可以進行擴展光源的分析
※像質評價結果表現形式多種多樣，既有各種直觀的圖形表示方法，也有詳細的數據報表。
像質評價報告結果示例
像質評價指標
※Fans(扇形圖，垂軸幾何像差等)
※Spot Diagram(幾何點列圖，彌散斑)
※MTF（調制傳遞函數）
※PSF（點擴展函數）
※Wavefront(波像差)
※能量分析
※Miscellaneous(雜項，幾何像差)
※像差系數
※擴展光源分析
Layout
• 2D，3D：系統(tǒng)的2維和3維圖。如果系統(tǒng)不是旋轉對稱的，則只能用3D layout；
• Wireframe：3維網格圖；
• Shaded Model，Solid Model：3維固體圖。solid model plot 對一些自定義的apertures or obscurations不能正確畫出地surface;
• Zemax Element Drawing：用于車間加工的工程圖�？梢允莝urface， singlet， doublet；
• ISO Element Drawing：按照ISO 10110標準�？梢允莝urface， singlet， doublet。
• NSC Layout
Fan
• Ray Aberration：子午和弧矢垂軸像差，它全面反映了細光束和寬光束的成像質量。它是光線在理想像面上的交點和主光線在理想像面上交點間的距離，可以看出理想像面上像的最大彌散范圍。橫坐標是歸一化入瞳坐標。
• Optical Path：實際光線和主光線的OPD之差(波像差)。OPD vs. 歸一化出瞳坐標曲線圖；只能對光欄后的面進行計算。
• Pupil Aberration：光欄面上實際光線交點和軸上主波長近軸光線交點坐標之差與近軸光欄半徑之比。光欄面上入瞳畸變 vs. 歸一化入瞳坐標�？梢灾笇欠褚胷ay aiming。
Spot Diagrams
• Standard：顯示不同視場的Spot Diagram，給出GEO 和RMS spot size及Airy Disk；
• Through focus：離開焦平面不同距離的spot diagram�？梢怨罍y像散，或者分析最佳焦點或者焦深；
•Full Field：所有視場的點列圖�？梢源_認二個很近的像點是否能夠被分辨；
•Matrix， Configuration Matrix：同時列出不同結構的所有視場的點列圖。
FFT MTF
• FFT MTF:用FFT算法計算所有視場的衍射MTF(OPD<10wave)。假定在出瞳上的光線分布是均勻的。截止頻率為1/(λF/#)=1/2λnsinθ；物的類型有：正弦波(real， imaginary， phase)和方波(square)響應。
•FFT Through Focus MTF:在指定空間頻率下，FFT MTF vs. focus shift；
•FFT Surface MTF：顯示MTF數據的3D surface， contour， grey scale 或Color map；
•FFT MTF vs. Field:以圖的形式顯示FFT MTF vs. Field position；
•FFT MTF map:在一個矩形視場區(qū)域內，計算不同視場點的FFT MTF。
Huygens MTF
• Huygens MTF：計算Huygens PSF的FFT。出瞳存在嚴重的拉伸時，在出瞳上的光線分布不均勻，比FFT MTF更普遍使用。
•Huygens Through Focus MTF: vs. focus shift：在不同離焦距離下的Huygens MTF的變化曲線；
•Huygens Surface MTF:用MTF的surface， grey scale， false color 或者contour plot顯示數據。
Geometric MTF
• Geometric MFT：是衍射MTF的近似。當OPD比較大時（如10個波長），或者不接近衍射極限時，計算幾何MTF；
• Geometric Through Focus MFT：在指定的空間頻率下，離焦點不同距離處的MTF分布。
• Geometric MFT vs. Field：MTF隨視場的分布曲線。
• Geometric MTF Map:MTF vs. X，Y視場。X，Y坐標表示二個方向的視場，用偽彩色表示MTF隨視場的分布情況
PSF
• FFT PSF:用FFT的方法計算衍射的PSF。出瞳上波前復振幅的FFT，計算系統(tǒng)中單個點光源通過系統(tǒng)所成衍射像的強度，計算速度快。
• FFT PSF Cross Section：FFT PST剖面圖；
• FFT Line/Edge Spread：FFT線/刀口擴散函數；
• Huygens PSF：根據Huygens原理，用Huygens子波直接積分的方法計算。認為波面上每個點是一個理想的點光源，即子波（wavelet）。唯一不足是計算速度慢。
• Huygens PSF Cross Section： Huygens PST剖面圖
Wavefront
• Wavefront Map:顯示波像差圖。
• Interferogram（用于干涉系統(tǒng)分析中）：產生和顯示干涉圖；
• Foucault Analysis(傅科刀口分析)：產生和顯示Foucault刀口陰影圖。模擬焦點附近任何位置上x或者y方向的刀口，然后計算由刀口漸暈光束回到近場的陰影圖。
Surface
• Surface Sag：在XY平面上均勻網格點上計算的，顯示z方向的sag值。
• Surface Phase：顯示某個面對通過的光線的位相改變情況，單位為周期。
RMS
RMS vs. Field：RMS radial， x， and y spot radius， RMS wavefront error， or Strehl ratio對視場角的變化曲線；
RMS vs. Wavelength：RMS radial， x， and y spot radius， RMS wavefront error， or Strehl ratio對波長的變化曲線；
RMS vs. Focus：RMS radial， x， and y spot radius， RMS wavefront error， or Strehl ratio對焦點位置變化的曲線。
Encircled energy
• Diffraction:點物的像面上，某個半徑范圍內包含的能量占整個能量的百分比 vs. 到主光線或像的質心的距離；
• Geometric:用光線-像面交點數目的方法計算園內能量；
•Line/Edge Response:計算線物或者邊緣物（半無限大平面）的像的光強分布圖的截面圖；
•Extended Source:用擴展光源分析。
Illumination
• Relative Illumination：在均勻的Lambertian照明下，出瞳上相對照度 vs. radial y field 曲線；
• Vignetting Plot：漸暈光線比例 vs.視場角曲線;
• Illumination XY scan：擴展光源，沿像面截面照度的分布曲線;
• Illumination 2D surface：在一個二維面上計算擴展光源的照度分布的像。
Image Analysis
Image Analysis實際上就是擴展光源成像分析。主要目的是顯示物通過光學系統(tǒng)后的直觀像。這個物可以是自定義，也可以是標準的24－bit彩色BMP或JPEG文件，可以是任何形狀。
有三類image analysis:
（1）Geometric using IMA file:適合看大視場的效果和大像差系統(tǒng)，如畸變；
（2）Geometric using BMP file:同（1）
（3）Diffraction using IMA file:適合看小視場和中等像差的系統(tǒng)效果，如外形邊緣的衍射模糊。
Image Analysis
•Geometric Image Analysis:可以對擴展光源建模、分析分辨率、表示所成像的物的外貌及直觀地看到像的旋轉情況；用特殊的IMA or BIM文件。
•Geometric bitmap Image Analysis:用RGB bitmap文件作光源，產生RGB彩色像。用幾何光線追跡；
• Diffraction Image Analysis：基于Fourier光學，用OTF計算擴展光源的像的外觀。OTF不變；這種方法考慮有限通帶和其它在像面上與衍射有關效應。
• Extended Diffraction Image Analysis：用OTF計算擴展光源的像的外觀。 像面上不同視場上的OTF不同。
Miscellaneous
• Field Curvature：不同視場的場曲曲線；當前焦平面到近軸焦面的距離，縱軸為歸一化視場，(S，T曲線之間的橫向距離就是象散)
• Distortion：不同視場的畸變曲線；
• Grid Distortion:網格畸變圖；
• Footprint Diagram：足跡圖分析。光線在不同面上的分布情況圖；
• Longitudinal Aberration：縱向像差，即球差�？v軸是歸一化入瞳坐標，橫軸是像面到光線與光軸交點之間的距離。僅用于旋轉對稱系統(tǒng)。
• Lateral Color：橫向色差，即垂軸色差(或放大率色差) Vs. 視場。僅用于旋轉對稱系統(tǒng)。
Miscellaneous
•Y-Ybar圖：每個面上邊緣光線高度 Vs.近軸斜入射主光線高度；
•Chromatic Focal Shift:彩色焦移曲線。后節(jié)距隨波長的變化曲線；
• Dispersion Diagram：玻璃色散曲線。折射率 vs.波長；
•Glass Map:根據折射率和Abbe數畫出的玻璃分布圖；
• Int. Transmission vs. Wavelength：不同厚度的玻璃透過率情況。
Aberration coefficients
Seidel Coefficients：顯示每個面的Seidel系數，包括總的，橫向的，縱向的和波像差的系數；只能適用于所有面都是standard surface的系統(tǒng)；
Zernike Fringe Coefficients：用條紋多項式表示的Zernike系數，共37項；
Zernike Standard Coefficients：正交的Zernike coefficients，共28項；
Zernike Annular Coefficients：正交的Zernike coefficients，共22項；
Calculations
•Ray Trace:單根近軸和真實光線追跡時，光線在各個面上的交點坐標（光線的方向余弦、角的正切、近軸邊緣光線和主光線的夾角）；
•Fiber Coupling Efficiency:計算單模光纖耦合系統(tǒng)的耦合效率。
•YNI Contributions:列出每個面的近軸YNI（Y：近軸像高；N：折射率，I：入射角）貢獻值；拉赫不變量。
• Sag Table：列出所選面上，距頂點不同距離處的surface sag(z坐標)。給出最佳擬合球面的數據及偏差，在鏡頭制造時有用。只考慮y坐標，所以對非旋轉對稱系統(tǒng)會無意義。
• Cardinal Points：基點。給出所選擇的面范圍內的子系統(tǒng)對所選波長的焦面、主（反主）平面、節(jié)（反節(jié)）平面。
Polarization
Polarization Ray Trace：顯示單根光線的偏振數據；
• Polarization pupil map：顯示瞳上偏振狀態(tài)的變化情況；不同面上偏振橢圓 vs.瞳位置圖；
• Transmission:考慮偏振時，主光線在各個面上的透射率；
Phase Aberration：計算偏振引起的光學系統(tǒng)的像差，主要是電介質折射和導體及電介質的反射引起的。指定視場和波長，像面上X和Y方向的偏振位相像差。
Transmission Fan：每個視場和波長上，透過率vs.瞳上弧矢或子午光瞳像差�？梢源_定瞳上透過率對視場和波長的變化情況。
Coatings
• Reflection:反射光線，計算電場的S，P分量及其平均偏振強度系數對入射角及波長的關系曲線；
• Transmission:透射光線，計算電場的S，P分量及其平均偏振強度系數對入射角及波長的關系曲線；
• Absorption:吸收光線，計算電場的S，P分量及其平均偏振強度系數對入射角及波長的關系曲線；
• Diattenuation: 反射R和透射T的二次衰減對入射角和波長的關系曲線；
• Phase: 反射或者透射光線的S和P偏振的位相對入射角和波長的關系曲線；
• Retardance:計算指定面的位相延遲。
Optimization
內容提要
Optimization概述
Damped least squares
Constraints
Default Merit functions
Operands
Optimization概述
optimization是ZEMAX最重要的功能之一。
optimization是通過改變光學系統(tǒng)中的結構參數（變量）的值，提高系統(tǒng)的成像質量。 這些變量可以是 surface curvatures， element and air-space thicknesses， tilt angles， etc.
用Operands定義Merit function，通過比較給定光學系統(tǒng)和滿足所有設計要求的系統(tǒng)的MF值，來評價系統(tǒng)的好壞。
一般用迭代（iterative）的方法， 為變量選定一個起始點和一種優(yōu)化算法，迭代地改變變量的值，以找出最小的MF值。
Local Optimization
這種近似與初始點的選擇有關 ：如果起始點選在Region A or Region C， 則可以在x = a or x = c到達 local 最小值，而不是在x = b處的 global 最小值。
Local VS. Global Optimization
Local optimization：從給定的起始點，找到能夠達到的最佳設計；上圖中的a，b，c都是Local最佳設計值；
Global optimization：在一個范圍內找到最佳設計。上圖中只有b是Global 最佳設計值。
Optimization過程
Damped Least Squares(DLS)
DLS算法是所有光學設計軟件中的基本優(yōu)化算法。
假定Merit function定義為如下形式：
式中W為操作數的權重的絕對值， V為當前值， T 是目標值，下標i是操作數的號碼 (row number in the spreadsheet).
目標：找出x使MF的值最小。
Constraints
要約束某個量，可以有三種方法：
Solves：可以精確地對一些近軸特性進行控制。如在鏡頭的最后一個面設置axial ray angle solve為–0.1，則可以使 f–number保持常數 5；
在 Merit function用操作數控制變量的范圍:在Merit function中增加operand，控制某個量的最大值或最小值。如厚度＞10;
Constraint operands：控制Operand，使控制的量為定義的精確數值。
Common constraints
Lens 要有一定的size，cost，weight
Edge和center thickness必須為正
Minimum number of elements desired
加工制造盡可能簡單
盡可能用便宜的材料
Default Merit functions
Default Merit functions
支持20多個不同的Default Merit functions：
Optimization type：RMS or Peak-To-Valley
Data type: Wavefront， spot radius， spot x， spot y， or spot x plus spot y
Reference point：Reference to Centroid ，Chief Ray or Mean
Pupil integration method：Use Gaussian Quadrature or Rectangular Array
上面的優(yōu)化函數可以自由組合。
Gaussian Quadrature：幾乎所有的情況下都用GQ，因為它比其它方法精確得多，而且用的光線的數目也很少；不能有漸暈系數。
Rectangular Array：GQ的唯一缺點是不能用在帶孔的光學系統(tǒng)中，這時候只有用RA。RA算法的優(yōu)點是能夠精確計算優(yōu)化函數中的漸暈效應。
Default Merit functions
Optimization type:系統(tǒng)缺省的優(yōu)化類型：
1）RMS（common use）；
2）PTV（rare use）：如，如果所有的光線需要落在Fiber或detector的一個園形區(qū)域內，這時 Peak-To-Valley (PTV)會更好。它使誤差的PTV的范圍最小。
Data type:系統(tǒng)給出的構建評價函數的數據類型：
1) Wavefront：波像差（像差小于2個波長的系統(tǒng)）
2) Spot Radius(彌散圓半徑)（像差大于2個波長的系統(tǒng)）
3）Spot X（x方向彌散圓的大�。�
4）Spot Y（y方向彌散圓的大�。�
5）Spot X and Y（x和y方向彌散圓的大�。�
Default Merit functions
Reference point：缺省優(yōu)化時RMS和PTV的參考點。
1）Centroid (質心)：常用。特別是數據類型為波像差時；當出現彗差時，用質心作參考點更有意義，因為彗差使像的質心偏移主光線。
2）Chief Ray(主波長的主光線)；
3）Mean(平均值)：只能用于數據類型是波像差的情況；
Rings and Arms
對光學設計，積分是在入瞳上的。
GQ 算法需要指定 “Rings”和“Arms”的數目。
“Rings”指定每個視場和波長追跡多少光線；對旋轉對稱系統(tǒng)和非旋轉對稱系統(tǒng)，光線的數量不同。
“Arms”指定多少radial arms。指定在pupil中追跡的光線的radial arms 數目。
對大多數光學設計，3rings足夠了；對非球面用4個rings。
缺省值，追跡6個等間隔的(in angle) arms (對旋轉對稱系統(tǒng)追跡3個)�？梢愿臑�8，10，12。但對大多數的光學系統(tǒng)，6個足夠了。（因為pupil aberration對角度變化很慢）。
Rings and Arms
這里是缺省的3 rings ，6arms的pupil sampling。對LR對稱系統(tǒng)，只追跡一半的pupil，對園形對稱系統(tǒng)，只追跡一個arm。
Grids
“Grid“只能用于RA 算法。其值決定所用的光線的數目�？梢允� 4x4 (16 rays per field per wavelength)， 6x6 (36 rays per field per wavelength)等；
如果光線跑到入瞳外面去了，則這個grid中的光線自動略去，所以用的光線的實際數目要比grid size中的少 ；
應用時，選擇大的grid density，然后選擇“Delete Vignetted”（merit function中的所有光線都會通過系統(tǒng)追跡）比較好。因為這樣光線可以充滿pupil，會刪除漸暈操作數。光線的數目可以精確反映系統(tǒng)的孔徑。
Boundary value
Thickness Boundary value：
1）正透鏡邊緣厚度；2）負透鏡中心厚度；3）空氣間隔
Assume Axial Symmetry:可以減少追跡的光線數目，加速優(yōu)化過程，但不降低精度；
Relative X Weight：另外增加一個像差的X分量權重，象光譜儀中，要用到狹縫像時，可以用這個進行控制；
Overall Weight:一般設置為1。
Ignore Lateral Color：對不同的波長按不同的參考點計算。用于按波長來分光分色系統(tǒng)設計中，如棱鏡或者光譜儀等。
Weight
操作數的權重：絕大部分為正。
1）<0，相當于權重為無窮大；
2）=0，不考慮這個操作數；
3）>0，使MF最小。
Default Merit functions的不足
如果field 、 wavelength values 、 weights改變了，則必須重新構建 default merit function.
如果用RA 算法，如果在優(yōu)化過程中漸暈有一點變化，也需要重新構建 default merit function.
Operands
ZEMAX提供了200多種操作數(用4個大寫字母縮寫組成)，如EFFL，可以控制包括系統(tǒng)參數、像差、MTF、圓內能量集中度、光線約束、邊界約束條件、玻璃材料的范圍等。
Defining complex operands
ZEMAX缺省的MF不能滿足用戶需要時，用戶可以自己構建評價函數，有兩種方法：
對缺省的merit function進行重新定義；
用operands手動編輯merit function，
用 MTF操作數優(yōu)化MTF
MTF操作數能夠直接優(yōu)化MTF的值 ，這個功能很強。但使用時需要注意：
對不接近diffraction limit的系統(tǒng)（波像差大于2－5個波長），用 geometric等效的 MTF operands： GMTT， GMTS和 GMTA.
如果sampling太低，則MTF的返回值為0。
初始系統(tǒng)為平行平板時，不能得到精確的MTF。
用MTF操作數時，int 1為采樣密度；int 2表示波長；Hx為視場點的號；Hy為空間頻率（cycle/mm），如果超過截止頻率，則返回值為0。
對zoom和multi-configuration lenses的優(yōu)化
這種情況的優(yōu)化與一般的single-configuration lenses的優(yōu)化是一樣的。
在優(yōu)化時，所有的結構會一起優(yōu)化。
Optimization使用建議
在設計的初期，優(yōu)化時不需要追跡所有視場和波長的光線。這可以節(jié)省計算時間。權重設置為0的視場或波長不進行追跡。
使用視場點平衡
用solve代替variables+constraints
盡可能用缺省優(yōu)化函數
使用邊界條件控制操作數
使用對稱性可以只用Y視場
嘗試交換Merit functions：在spot radius和wavefront之間交換一下，可能會使其起始點發(fā)生一些改變
查看無用的變量
要搞清楚哪些量在變
用Hammer優(yōu)化
使用視場點平衡
選擇適當的視場點數目，使視場劃分為等面積的園環(huán)。
對比較小的視場，就用0，1二個視場；
對中等視場（小于20度），用0，0.7和1三個視場；
對大的視場，用0，0.577， 0.816和1四個視場。
使用solve
盡量用solve的功能。例如：有二種方法去控制邊界條件：
1）使所有的量都為變量，然后在merit function中加入操作數；
2）去掉一個沒用的變量，用solve代替。
例如：
在curvature上用MRA或F/# solve控制F/#或EFL；
用thickness上MRH solve控制焦點位置；
用Pick-Up solve使不同面的對應量之間保持聯系；
用Position solve控制長度。
盡可能用缺省優(yōu)化函數
ZEMAX的default merit function很好用。
對瞳為園形（或者是考慮漸暈因子的橢園形）的系統(tǒng)，用GQ算法；
如果光學系統(tǒng)的接近衍射極限，則用RMS Wavefront（PTV OPD<2波長）；否則用RMS Spot Radius;
用Centroid作為參考點比用Chief ray要好一些；通常可以用不同的優(yōu)化函數進行優(yōu)化，再看看哪一個設計結果更好。
要知道哪些量在變化
如果不知道哪里有問題，就無法去解決它。
了解像差和系統(tǒng)的聯系，及對系統(tǒng)的影響；
看Ray fan圖最重要；
有些圖，如MTF和encircled energy告訴你系統(tǒng)的好壞，但不能告訴你哪些變化可以使系統(tǒng)更好；
一旦知道了需要確定哪些量，就要用相應的工具去優(yōu)化：
如果要校正球差，可以在pupil面附近增加asphere，binary optic，gradient index， 或element；
如果要校正視場像差，可以考慮移動光欄，或者上面的方法；
如果要校正色差，用新玻璃；
如果要校正場曲，Petzval， F-theta，也要換玻璃。
用比較好的初始結構
一般來說，新的設計都是基于原來的已經有的結構的，所以采用合適的初始結構很重要。
有一些好的光學設計的資料：
書籍：1）Milt Laikin:<Lens design>；2）Warren Smith:<Modern Lens Design>
軟件數據庫：1）ZEBASE:500多個設計，有些來自Laikin的書上；
2）LensVIEW:大約60000個光學設計專利。
這些設計是ZEMAX的形式或者可以直接供ZEMAX讀取的文件格式。
Tolerancing
Tolerancing概述
一個好的設計是要求能夠實際制造出來的。
設計好的光學系統(tǒng)需要進行公差分析才算真正完成。需要在制造誤差的范圍之內能夠滿足要求；
一個好的設計沒必要完全和設計要求一致，應該是能夠制造出來，并盡量滿足設計要求。
公差分析是將各種擾動或像差引入到光學系統(tǒng)中去，看系統(tǒng)在實際制造各種誤差范圍內的效果。也就是在能滿足設計要求的情況下，系統(tǒng)中各個量允許的最大偏差是多少。
誤差來源
有很多方面需要考慮：
Errors in fabrication
Errors in materials
Errors in assembly
Errors due to environment
Residual design errors
Fabrication Errors
制造方面的誤差包括：
曲率半徑有誤差(radius of curvature)
厚度有誤差(element thickness)
面形誤差(surface shape)
曲率中心與機械中心有偏差(center offset)
二次項或其它非球面項系數誤差
Material Errors
材料誤差包括：
折射率的精度誤差
折射率均勻性誤差（homogeneity）
折射率分布誤差(distribution)
Abbe 數（dispersion）
Assembly Errors
裝配誤差包括（Element error）：
元件對機械軸（X，Y）的偏差
元件在Z軸上的位置有偏差
元件的排列的偏差
元件對光軸傾斜的偏差
Environment Errors
環(huán)境方面的包括溫度，濕度，氣壓：
光學和機械材料的熱脹冷縮
濕度對折射率的影響
壓強和濕度對折射率的影響
系統(tǒng)受振動的影響
機械方面的應力
Design Error
一般來說，光學系統(tǒng)都有剩余誤差（即MF0）。
設計誤差一般因系統(tǒng)的視場而不同
設計結果必須超過設計要求，這樣才能在公差的影響范圍內，制造出來的系統(tǒng)能夠滿足使用要求。
Error Budget
公差預算主要是考慮所有可能誤差因素對系統(tǒng)性能的影響�？梢宰屧O計者在一定的限制范圍內預估裝配后的鏡頭的性能。
要建立公差預算，設計者必須：
選擇合適的性能指標（MF）
確定可接受的最小公差水平
計算所有可能的公差影響，包括單個組件、多個組件和裝配等
指定所有公差項的容限。即在設計、制造、裝配和操作中，每一步引入的公差的最大值。
公差范圍
Operand Commercial Precision High Precision
Wavefront error 0.25 RMS 0.1 RMS <0.07 RMS
2 P-V 0.5 P-V <0.25 P-V
Thickness 0.1mm 0.05mm 0.005mm
Radius 0.5% 0.1% 0.02%
Index 0.001 0.0002 0.00001
Surface Decenter 0.1mm 0.01mm 0.001mm
Surface Tilt 1 arc min 30 arc sec 3 arc sec
Sphericity 2 fringes 0.5 fringes 0.1 fringes
Irregularity 1 fringe 0.25 fringe < 0.1 fringe
Aspherics 1% 0.5% 0.1%
Element Tilt 5 arc min 3 arc min 1 arc min
Element Decenter 0.254mm 0.0254mm 0.005mm
Basic procedure
對鏡頭進行公差分析的基本步聚如下：
1) 定義適當的公差。一般最好從default tolerance開始，可以在Tolerance Data Editor中定義和修改。
2)修改default tolerances or add new ones，以適合系統(tǒng)要求
3) 增加compensators，設置compensators允許的范圍。 缺省的為后節(jié)距，其它的還有image plane tilt。對compensators的數量沒有限制。
4) 選擇合適的標準，有RMS spot radius， wavefront error， MTF， or boresight error等。用自定義merit function還可以定義更復雜的標準或全面的標準。
Basic procedure
5) 選擇希望的模式， sensitivity or inverse sensitivity。
6) 進行公差分析。
7) 查看公差分析數據，考慮公差預算，如果需要，還可以再次進行分析。
三種計算和分析方法
Sensitivity Analysis:給定公差，計算出各評價標準的變化。也可以單獨對各個視場和結構進行計算。
Inverse Sensitivity:給定允許的評價標準變化范圍，計算出各公差量的容限。 標準可以為所有視場和結構的平均值，或每個結構每個視場上的值
Monte Carlo ：Monte Carlo仿真是評估公差的總體影響。仿真過程中，它會產生一系列的隨機lens，它們滿足指定的公差，然后再按標準評估�？梢杂镁鶆蚍植�，正態(tài)分布和拋物線分布（normal， uniform， parabolic， or user defined） 的統(tǒng)計方法產生任何數量的設計。
對每一個操作數，調整compensator的值，使MF最小。
Defining default tolerances
Editors>>Tolerance Data Editor>>Tools>> Default Tolerances
Surface tolerances
Radius: 單位為lens units 或 fringes of power（ at the test wavelength） (由TWAV定義）。它只適用于有optical power的面，不包括二邊折射率相同的dummy surfaces。如果面為plano， 則缺省的公差單位只能為fringes。
Thickness:假定厚度變量只影響surface 和與element接觸的面。
Decenter X/Y:單位為lens units，對單個面計算。
S + A Irreg:對每個標準類型面指定球差和像散不均勻性。
Zern Irreg:對每個標準類型面指定Zernike不規(guī)則性。
Index: 用TIND表示折射率的變化。
Abbe: 用TABB表示 Abbe number的變化。
Element tolerances
Decenter X/Y:對lens group的公差分析，單位為lens units。
Tilt X/Y: 對lens group和surface，單位為度。 用TETX 和TETY。
TOLERANCE OPERANDS
全部由4個字母組成，如： Tolerance Radius 用TRAD。 每個公差操作數都有一個最小和最大值，各個量的公差容限。還可以通過comment對它進行注釋。
SURFACE TOLERANCE OPERANDS
公差分析過程中，需要考慮下列參數：
TRAD，TCUR，TFRN：關于surface power的公差
TTHI：關于thickness或spacing的公差
TCON：關于conic的公差
TSDX，TSDY：關于Surface decenters(lens units)的公差
TSTX，TSTY：關于surface tilts(degrees)的公差
TIRX，TIRY：關于Standard surface tilt (TIR)(lens units)的公差
TIRR：關于Standard surface irregularity(wave)的公差
TEXI，TEZI：關于surface irregularity(用Zernikes多項式)的公差
TIND，TABB：關于index， Abbe number的公差
TPAR，TEDV：關于paramters或extra data value的公差
TCMU:關于coating multipler的公差
TOLERANCE OPERANDS
Element Tolerance
TEDX，TEDY：關于element decenters的公差。
TETX，TETY，TETZ：關于element tilts的公差。
User Defined Tolerance
TUDX，TUDY，TUTX，TUTY，TUTZ：自定義coord breaks
Non-Sequential Component Tolerances
TNPS:關于NSC object position的公差。
TNPA：關于NSC object parameter的公差。
Multi-Configuration Value Tolerances
TMCO：關于multi-configuration editor value的公差。
Defining compensators
將像面定位到新的最佳焦點上。它是一個設計參數，用來抵消其他參數中的誤差。
用compensator可以大大地放松公差的要求，缺省時選擇Use Focus Comp，用后節(jié)距你為補償。
可以自定義很多類型：任何面的thicknesses (most commonly used)， curvature， conic constants， any parameter or extra data value，也可以是 Multi-configuration operands。
一般來說，用的compensators多，則可以使公差更松，但會使系統(tǒng)復雜。
所有compensators用COMP， CPAR， CEDV， CMCO來定義，需要用宏ZEMAX語言編程（tolerance script）。
Tolerance control operands
公差控制操作數用來定義compensators，保存中間結果，定義statistical properties和為fringe tolerances 定義test wavelength。
CEDV：將extra data value定義為compensators
CMCO：將multi-configuration operand value定義compensators
COMP:設置compensator， Code=0，1，2分別表示 thickness， curvature，conic
CPAR：設置parameter 為compensator
SAVE：保存文件來評估前一行中的tolerance
SEED：為Monte Carlo分析產生隨機數
STAT：為Monte Carlo分析選擇分布類型
TWAV：設置試驗波長。
進行tolerance analysis
Tools>>Tolerancing
Mode
Sensitivity:計算公差極端情況下評價標準的改變量
Inverse Limit：計算評價標準變化量為指定值時的公差。標準的變化值由Limit定義。
Inverse Increment：計算標準的變化量為由Increment 定義值 時的公差。
Skip Sensitivity：進行 Monte Carlo 分析。
Limit和Increment
Limit: 用Inverse Limit時，用來定義評價標準的界限。例如，標準是 RMS Spot Radius， 系統(tǒng)標稱的RMS是0.035，如果Limit設置為0.050，則ZEMAX計算RMS＝0.050時每一個公差的最大和最小值。這個標稱值可以點Limit邊上的“？”號計算出來。
Increment: 用Inverse Increment時，用來定義評價標準的增量。 Increment必須為正，表示系統(tǒng)性能下降。
# Monte Carlo Runs:定義運算的周期數。
Criteria
評價標準有6種情況：
RMS spot size (radius， x或y):適于不接近衍射極限的系統(tǒng)(最快)。
RMS wavefront: 適于接近衍射極限的系統(tǒng)(很快)。
Merit Function: 適合于user-defined tolerancing criteria。
Geometric or Diffraction MTF (average， tangential， or sagittal):適合于需要指定MTF的系統(tǒng)（計算最慢）。average表示tangential和sagittal的平均值。如果系統(tǒng)的OPD太大，則無法計算衍射MTF，所以有時候會有問題。
Boresight error:瞄準誤差是軸上視場主光線的徑向角偏差。用 BSER operand表示。 只用于radially symmetric系統(tǒng)。User Script:macro-like command file。
Tolerancing
MTF Frequency:MTF的頻率。單位line/mm。
Sampling:設置追跡的光線的數目。
Config:multi-configuration lenses公差分析
Comp: 控制如何評估compensators。“Optimize All” 用優(yōu)化功能確定所有定義的compensators的最佳值。“Paraxial Focus”只用于近軸后節(jié)距為compensator的情況中。
# Opt Cycles: 確定優(yōu)化的周期數。只有Comp中設置為 “Optimize All”才有用。
Fields
在構建公差分析的merit function時，有3種不同的視場設置：
Y-Symmetric: 缺省旋轉對稱系統(tǒng)。先計算最大視場，然后定義Y方向上的+1.0， +0.7，0.0， -0.7， 和-1.0視場。
XY-Symmetric: 9個視場：5個Y視場再加4個X視場： -1.0， -0.7， +0.7，和+1.0。
User Defined:自定義的所有視場。有vignetting factors，分析多重結構或使用tolerance scripts，非旋轉對稱系統(tǒng)，自定義的視場的權重比較復雜時，選擇這一項。
其 它
Separate Fields/Configs:單獨計算所有結構的所有視場的評價標準。否則計算它們的平均值
Script: User script文件名。
Force Ray Aiming On:計算更精確，但更慢。
Show Compensators: 打印compensator values。
Statistics: 在Monte Carlo 分析時，選擇 Gaussian “normal”分布，“uniform”， or “parabolic” 分布
Summary
公差分析程序非常靈活，功能強大。在計算公差時，ZEMAX不用任何的近似、外推或估算。因此對常規(guī)系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)都可以給出很好的結果。
因為公差分析是個復雜的過程，所以ZEMAX也不敢保證完全正確，所以設計者有必要 對結果進行校驗。
公差分析練習
打開ZEMAX中的cooke.zmx鏡頭，分別用二種模式分析其公差。
(1)用Sensitivity模式分析各個曲率半徑公差為0.2mm時， RMS Spot Radius的變化范圍；
(2)用Inverse limit模式分析RMS Spot Radius為8時，各個參數的公差容限值。
COORDINATE BREAKS
Local vs. Global coordinates
在ZEMAX的Lens Data Editor中，即Sequential中時，各個面的數據：
只用Local coordinates；
每個面的位置都是通過沿z方向的距離（即thickness）定義的；
盡管ZEMAX能夠計算任何面對其它面的global coordinates，但所有的面都是用local coordinate定義的；
在Non-sequential Editor中：
所有的objects處在global coordinate坐標系中。
什么是COORDINATE BREAKS
COORDINATE BREAKS（CB）是一個特殊的虛擬面，用它定義一個新的坐標系，替代現有坐標系，定義新的光軸。
CB有6個自由度：
(1)Decenter X
(2)Decenter Y
(3)Tilt about X
(4)Tilt about Y
(5)Tilt about Z
(6)The order flag
所有的Decenter和Tilt是按上面的順序從上到下進行的，如果flag是非0數，則順序相反。
Decenter
打開file :cooke.zmx，假定要把最后一個透鏡往Y方向移2mm。
做法如下：
（1）在surface 5前面插入一個面，其surface type 為coord break；
（2）在decenter Y中輸入2；
（3）在surface 7前面插入一個面，其surface type 為coord break；
（4）在decenter Y中輸入－2。
注：第2個coord break是將偏移的透鏡后面的系統(tǒng)回歸到原位。
Before and After decenter
下面是偏移前后的系統(tǒng)3D layout圖。
Tilts
打開file :cooke.zmx，假定要把最后一個鏡片傾斜。
做法如下：
（1）在上個例子的基礎上，先將decenter全部設置為0；
（2）在surface 5上將tilt about x設置為＋10（單位為度）；
（3）在surface 8上將tilt about x設置為pick up（from surface:5;scale factor:-1）;使像面保持直立
（4）在surface 8上將thickness設置為marginal ray height以保持像面在焦面上。
After Tilt
盡管鏡片傾斜，但像面保持不動。
Tilts and Decenters
上面的例子只是單純的Tilts或Decenters。如果同時都存在就會很復雜，還需要考慮它們的順序。
CB在使用時容易搞糊涂，所以在使用以前應該仔細規(guī)劃。使用好CB，可以使復雜的設計變得簡單。
使用時需要注意幾點：
（1）在使用多重CB時，要注意嵌套，
（2）成對的CB盡量用pick up，這樣可以減少輸入和可能的錯誤，
（3）如果同時有Tilt和Decenter，可以用order flag控制順序，
(4) 如果因為Tilt使厚度的方向發(fā)生改變時，要注意符號的變化。
Multi-Configuration
Introduction
什么是Multi-configurations系統(tǒng)？是用1重以上的結構建模的系統(tǒng)，通過多重結構給同一個參數不同的值。
用途：
（1）設計zoom lenses：元件的位置不同；
（2）Athermalized lenses：溫度和壓強不同；
（3）多光路系統(tǒng)：透鏡陣列、干涉儀、分光鏡等；
（4）掃描系統(tǒng)：polygon scanner；
（5）switchable component系統(tǒng)：非連續(xù)變焦系統(tǒng)。
Multi-configurations的建立
先用常規(guī)的方法建立一個光學系統(tǒng)－ basic configuration 。最好先建立最復雜的結構。
選擇Editors>>Multi-Configuration，出現MCE，再用MC操作數建立多重結構。
Multi-Configuration Editor
Multi-configurations的優(yōu)化
（1）multi-configuration data的優(yōu)化和普通的優(yōu)化是一樣的。先用“Default Merit Function”建立優(yōu)化函數，ZEMAX會自動在各個結構下面加入優(yōu)化函數；在MCE中定義優(yōu)化操作數為變量。
（2）用CONF操作數定義；可以給不同的結構定義不同的優(yōu)化函數，但不同結構的優(yōu)化函數必須分開放在CONF規(guī)定的結構號碼下面；放置的方式有二種，它們的功能是一樣的。
multiple-configuration merit functions
CONF 1
User operands for configuration 1...
Default operands for configuration 1...
CONF 2:
User operands for configuration 2...
Default operands for configuration 2...
CONF 3:
...etc.
multiple-configuration merit functions
CONF 1
User operands for configuration 1...
CONF 2
User operands for configuration 2...
CONF 3
User operands for configuration 3...
etc...
DMFS
CONF 1
Default operands for configuration 1...
CONF 2
Default operands for configuration 3...
CONF 3
Default operands for configuration 3...
etc...
Note
建立了缺省優(yōu)化函數以后，它就與DMFS操作數關聯，自已輸入的操作數不會丟失。
如果在multiconfiguration中改變視場角、高度、權重或波長，則需要重建優(yōu)化函數。
練習
用multi-configuration的方法建立一個分光系統(tǒng)(Beam splitter)。用二重結構，分別建立二個光路。
目的：熟悉multi-configurations
的使用和設置。
建立一個Beamsplitter，長寬高各
為20mm，光瞳為20mm，如圖所示。
設計步聚
（1）入瞳直徑為50，視場為0度，物在無窮遠處，波長為可見光；
在LDE中先建立三個面，每個面之間的距離為50，半徑自定義為50，aperture type設置為矩形，長寬各為50；第一個面的材質為Bk7，第二個面的材質為MIRROR；
在MIRROR前面加一個Coord Break面形，使第二個面旋轉45度；再在它的后面加一個Coord Break面形，使后面的面轉再45度；
將Coord Break后面的距離數據改成負號，使后面的面處在正確的位置；
設計步聚
（2）打開Editors—Multi-Configuration，出現MCE窗口，增加一個Configuration，插入幾個operands；
（3）用par3控制surface 3和5的旋轉情況（旋轉角度由45度改為0度）；用THIC控制surface 2，5和7的厚度（符號由負變?yōu)檎挥肎LSS將surface 4變?yōu)锽K7；
（4）打開3D Layout，按setting，讓二個結構同時顯示出來，就可以得到所要的結果。
Non-Sequential
Introduction
實際的透鏡，不但有前后面，還有邊沿部分。光線會在同一個面上反射、折射或散射，光線不再按LDE中的surface順序傳播，而是按實際順序傳播；
Non-sequential就是光線的追跡是按它打到各個面上的實際順序，而不是按LDE中放置的順序；
在non-sequential追跡中，光線可能會多次打到同一個物件上。 要求non-sequential追跡的物件有faceted objects， prisms， light pipes， lens arrays， reflectors， and Fresnel lenses等;
有些類型的分析，如stray或scattered light 效應，只能在完全non-sequential環(huán)境中進行。
Non-sequential components(NSC)
用完全3D固體模型代替2D面，這些固體稱為 non-sequential components(NSC)。 NSC光線追跡支持下列功能：
定義和放置多個sources、objects and detectors，
使用實際的輻射度和光度單位，包括watts，lumens，lux，phot， footcandles等，
自動確定ray-object相交的順序，
自動探測reflection， refraction和 total internal reflection (TIR)，
支持3D objects，包括diffractive optics，
支持偏振光追跡和薄膜，散射的統(tǒng)計模型，包括Lambertian，Gaussian和Abg。
Paraxial ray tracing with NSC
在NSC中，沒有近軸光線追跡。
當近軸光線追跡到一個non-sequential surface時，用等效的實際光線代替。因此，在NSC系統(tǒng)中，幾乎所有的近軸數據，如焦距和F/#，都沒有意義。
NSC ray tracing 的2種方法
NSC with ports：考慮的NSC group是sequential system一部分；
NSC without ports：考慮的NSC group包含所有objects；
2種方法中，定義和放置NSC group內的objects的方法是一樣的，但具體分析和計算方法是不同的。其主要區(qū)別是光線發(fā)射和分析功能不同:
(1)NSC with ports，所有光線從物面上定義的場點發(fā)出，然后追跡到NSC group的entry port，通過exit port離開NSC group，再經過其它的sequential system.
(2)NSC without ports，沒有上面的限制，可以在NSC group內任意定義和放置光源。
NSC with ports
忽略sources和detectors，考慮entry和 exit ports；
例如：幾個傳統(tǒng)的鏡頭，后面是棱鏡或光管，這樣一個系統(tǒng)就要用NSC with port。
所有sequential 系統(tǒng)數據，如視場和入瞳大小，決定進入NSC group的光線的特性�？梢赃M行如ray fans， spot diagrams， 和 MTF的分析，進行分析時，只考慮通過port進出NSC group的光線。
NSC without ports
考慮sources和detectors，忽略entry 和exit port。
系統(tǒng)里沒有sequential paths或部分sequential paths，如headlamp reflectors，complex light pipes或general illumination systems，這時候使用NSC without ports 。
通過將整個系統(tǒng)(如相機或望遠鏡)放入一個non-sequential group中，進行non-sequential光線追跡，還可以分析sequential systems 中的ghost，stray和scattered light的特性。
能提供的分析功能有：光線分布和detector記錄的能量。
NSC ray tracing with ports的步聚
1) 將一個Non-Sequential Components surface插入到Lens Data Editor，這個面就是NSC group的entry port。
2)Non-Sequential Components surface后面的參數定義NSC group的exit port的位置。
3) Objects的位置在Non-Sequential Components Editors中定義(相對于entry port)。
4) 從entry port進入NSC group的光線不能分裂或散射。
Entry port的位置
The Non-Sequential Components surface可以是平面、非球面或二次曲面，它的位置一般是由LDE中前面的面決定的。 它是一組objects的entry port。
Exit port的位置
Non-Sequential Components surface的參數決定exit port 的位置：
(1)Draw Ports?:為0，不畫ports；為1，畫entry；為2，畫exit；為3，都畫。
(2) Exit Location X/Y/Z:exit port相對于entry port的坐標；
(3)Exit Tilt About X/Y/Z: exit port繞X/Y/Z軸的放置角度；
(4) Order:0(decenter x/y/z，rotate around global z/y/x)；其它值(順序相反)。
(5)Reverse Rays:0：假定non-sequential group是折射透鏡；1：假定non-sequential group是反射鏡。
NSC ray tracing without ports的步聚
1)將光線追跡模式轉換為non-sequential；
2)將Object插入Non-Sequential Components editor中，一般是surface 1，但其在Lens Data Editor中的順序并不重要。建議只用objects。
2)忽略Non-Sequential Components surface的參數；
3) Sources、objects和detectors在Non-Sequential Components editor中定義。
在NSC以外定義的參數有：波長、玻璃和鍍膜。
Sources
ZEMAX支持point， rectangular， elliptical，user defined，和其它光源模型。每個光源定義以下參數：
# Layout Rays:在建立layout plots時，定義有多少光線從光源隨機發(fā)出。
# Analysis Rays:在分析時，定義從光源隨機發(fā)出的光線數。
Power (units):光源的總功率，其單位由system source units確定。
Wavenumber: 波數。0表示多色光；
注意：多個光源會迭加，產生多色光。光源可以放在任何位置。
Source Type
（1）Source Diode：可以定義一個diode，一維diode陣列，或二維diode陣列。每個光源都有一個光強分布；
（2）Source Ellipse：橢圓發(fā)光面；
（3）Source Filament：細金屬絲環(huán)光源；
（4）Source File：用戶自定義光源；
（5）Source Point：點光源，錐形范圍內發(fā)光;
（6）Source Ray: 沿指定的方向余弦發(fā)光的點;
（7）Source Volume Cylinder：從內部任一點隨機發(fā)光；
（8） Source Rectangle：矩形平面，從虛擬點光源發(fā)光；
Source Type
（9）Source Tube：從表面發(fā)光；
（10）Source Volume Ellipse：從內部任一點隨機發(fā)光；
（11) Source Volume Rectangle：從它部任一點隨機發(fā)光；
（12）Source DLL：用戶自定義光源。
• Radiant Imaging light source： Radiant Imaging 公司的光源資料庫。
Detectors
有2種detectors：
(1)矩形平面或曲面形狀的專門探測器。
(2)Object：如prism 或aspheric surface。要使objects為detector，在Object Properties>>Type中選擇“Object Is A Detector“。
Detectors 可以是absorbing， reflecting， transmissive或refractive。
NSC Objects
NSC object types包括ellipses， triangles， rectangles， spheres， cylinders和其它基本形狀。還有 arbitrary prisms， aspheric lenses， torics， toruses和其它復雜的形狀。
根據定義的材質，可以是reflective， refractive， and absorptive。
Objects可以以IGES， SAT或STEP這些CAD文件格式輸入到ZEMAX中。 要輸入一個object，將object type設置為“Imported“，并從下拉菜單中選擇文件名，或將文件名放在注釋欄。文件必須放在\OBJECTS目錄下。(但只能是solid)
Object properties
NSC Ray Trace
NSC Editors>>Detectors>>Ray Trace/Detector Control
算法：Monte Carlo光線追跡，
Detector Viewer
NSC Editors>>Detectors>>Detector Viewer
Detector Viewer Options
Show Data Type
Incoherent Irradiance:單位面積上的非相干功率(照度)。每個像素上的功率是所有光線的和，不考慮位相因素。
Coherent Irradiance:單位面積上的非相干功率(照度) 。每個像素上的振幅是所有光線的復振幅之和。
Coherent Phase: 相干發(fā)光中的復振幅和的位相角。
Radiant Intensity: 單位立體角的功率(發(fā)光強度)，它對應入射到探測器的入射角。
Radiance (Position Space):單位立體角的功率(亮度)，它對應探測器上不同點的空間位置。
Radiance (Angle Space):單位立體角的功率(亮度)，它對應探測器上不同點的空間位置。
例1：Beam Splitter
C:\ZEMAX\Sample\Non-sequential\Ray splitting\Beam Splitter
第一步：File>>Non-sequential Mode，進入Non-sequential 模式。
第二步：建立Sources、Objects和Detectors
LDE
3D Layout
No Split rays
3D Layout
Split ray
Ray Trace
Detector Viewer
不同Detector上的結果。
例2：Stray Light分析
一個反射式天文望遠鏡的結構，如下圖。
LDE
它所對應的LDE數據為(C:\ZEMAX\Samples\Short Course\Sc-Stray1)：
Stray Light 分析
定義LDE數據(C:\ZEMAX\Samples\Short Course\Sc-Stray2)。
NSC Editors
為望遠鏡加上外筒以后的雜光分析情況。
NSC Editors
3D Layout
顯示雜光以后的Layout。
GLASS CATALOGS
Introduction
ZEMAX自帶很多玻璃庫。也允許建立自己的玻璃庫，對自建玻璃庫沒有任何限制。
ZEMAX里面的玻璃折射率數據都是用色散公式和色散系數計算出來的。
可以拷貝或移動 glass catalog文件。每個玻璃庫有二個文件，擴展名分別為.AGF和.BGF。只需要拷貝或移動.AGF文件。需要的時候，ZEMAX會自動建立BGF文件。
Specifying glass catalogs to use
可以在System>>General中選定要用的玻璃庫目錄。如果沒有指定，在設計過程中ZEMAX會自動從玻璃庫中去查找，并選定相應的玻璃庫目錄。
Description of catalog data
可以通過Tools>> GLASS CATALOGS直接調出玻璃數據窗口。
glass dispersion formulas
有9種色散公式：
（1）Schott：大多廠商在用；>6個參數；
（2） the Sellmeier 1： >6個參數；
（3） the Sellmeier 2： >6個參數；
（4） the Sellmeier 3： >6個參數；
（5） the Sellmeier 4： >6個參數；
（6） the Herzberger：紅外光譜波段，5個參數；
（7） the Conrady：數據比較少的時候用。只要3個數據；
（8） 2個 Handbookof Optics formulas。
Defining Transmission Data
選擇“Transmission”可以在glass catalog中調出光強透射率數據編輯窗口。ZEMAX用Beer定律表示：
是吸收系數，是在玻璃中的長度。
由三個數據組成：波長，光強透過率，參考厚度。
不是ZEMAX中提供的玻璃的透過率數據都是有效的，特別是紅外材料，和一些非商業(yè)玻璃。
自建玻璃庫的方法
（1）通過Tools>>Catalogs或Gla快捷方式打開Glass catalog。
改名
（2）在Glass Catalog中任意選定一種已有的玻璃庫，用Save Catalog As將它改名為自己的玻璃庫的名字（例如myglass）；
Myglass
Fit Index Data
（3）點Fit Index Data，調出波長和折射率輸入窗口，輸入波長及其所對應的折射率（一般至少六組數據）；
Fit
（4）在Name欄輸入所添加的玻璃名稱，在Formula欄里選定所用的擬合公式，點Fit進行數據擬合計算，并給出擬合誤差；
（5）點Add to catalog，則所添加的新玻璃就加到myglass玻璃庫中去了。
直接輸入色散系數的方法
將myglass里的玻璃名稱改為自己的（如K9），然后輸入色散系數，然后點save catalog就將玻璃加到庫里面去了。
加入Transmission Data
點Transmission ，調出transmission data窗口，輸入波長、透過率和厚度，然后保存就將透過率數據加到玻璃上去了。
Test Plate Fitting
樣板比對
Tools>>test plate fitting
設置
File name:ZEMAX提供的廠商樣板庫目錄，文件擴展名為.TPD。約有40多種；
Method of fit:比對的方法。包括：
Best to worst
Worst to best
Long to short
Short to long
Try all methods.
比對結果
給出不同方法所得到的結果。包括新、舊曲率半徑值，和對MF的影響量。
自建樣板庫
(1)打開已有的樣板庫：Tools>>Test plate lists.
(2)參照其格式輸入自己的樣板庫，編輯好，保存在指定的目錄下面即可。
Physical Optics
Introduction of Physical Optics
用傳播波前描述光學系統(tǒng)。
光束由分立的采樣點陣表示，每個點上的復振幅為：Ae-i 。
整個陣列通過光學面之間的自由空間傳播，在每一個光學面上，計算從光學面的一邊傳播到另一邊的傳遞函數。
可以研究隨機相干光通過光學系統(tǒng)的情況：
（1）Gaussian或任何形式的高階多模激光束 (beams are user definable)，
（2）光束可以沿任何視場傳播(skew beams)，
（3）可以計算系統(tǒng)中任何面上的振幅，位相和光強，
（4）可以模擬有限大小孔徑衍射，包括空間濾波器，
（5）精確計算沿光束的傳播，不論是不是在焦點附近。
如果系統(tǒng)中有non-sequential component groups，則會不精確。
輸入x，y方向上高斯光腰的大小
用光腰到surface 1的距離定義光束的位置
在每個方向上，X，Y陣列的寬度至少是光腰的6-10倍， 光束假定定義在光腰，所以，整個光束初始位相是0。
