1、ZEMAXZEMAX光学软件培光学软件培训课程训课程ZEMAXZEMAX简介简介 ZEMAX ZEMAX是一个使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏是一个使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。ZEMAXZEMAX的光学设计功能体现在使用序列模式设计传统的光学成像的光学设计功能体现在使用序列模式设计传统的光学成像系统，平衡优化成像系统的像差，分析评价成像质量，给光学系系统，平衡优化成像系统的像差，分析评价成像质量，给光学系统分配合适的公差等方面。统分配合适的公差等方面。ZEMAXZEM
2、AX的仿真功能体现在使用非序列模式、物理光学传播、热分的仿真功能体现在使用非序列模式、物理光学传播、热分析等功能模拟和仿真实际的光学系统方面。析等功能模拟和仿真实际的光学系统方面。ZEMAXZEMAX有三种版本：有三种版本：ZEMAX-SEZEMAX-SE（标准版）、（标准版）、ZEMAX-XEZEMAX-XE（扩（扩展版）、展版）、ZEMAX-EEZEMAX-EE（工程版）。只有（工程版）。只有ZEMAX-EEZEMAX-EE的功能最为全的功能最为全面。面。ZEMAXZEMAX应用应用ZEMAXZEMAX可以用于相机镜头、望远镜、显微镜、可以用于相机镜头、望远镜、显微镜、照明系统、显示系统、
3、干涉仪、光通讯器件等照明系统、显示系统、干涉仪、光通讯器件等各光学系统的设计和仿真各光学系统的设计和仿真ZEMAXZEMAX软件和使用手册都不会教您如何设计镜头和光学系统。软件和使用手册都不会教您如何设计镜头和光学系统。ZEMAXZEMAX功能是很强大，但是把握和引导光学系统的设计、优化方向，功能是很强大，但是把握和引导光学系统的设计、优化方向，判断系统性能的只能是你。如果你对光学设计感兴趣，推荐书单：判断系统性能的只能是你。如果你对光学设计感兴趣，推荐书单：ZEMAXZEMAX不能做什么？不能做什么？作者书名袁旭沧/张以谟光学设计/应用光学Joseph M.GearyIntroduction
4、 to lens design:with practical ZEMAX exampleGregory HallockPractical Computer-Aided Lens DesignR.E.FischerOptical system designSmith，WarrenModern Lens DesignLaikinLens Design*这次的这次的ZEMAXZEMAX软件培训目的是尽我的能力，给大家展示软件培训目的是尽我的能力，给大家展示ZEMAXZEMAX的的强大功能，跟大家一起学习如何使用这些功能。强大功能，跟大家一起学习如何使用这些功能。使用使用ZEMAXZEMAX的三种方式
5、的三种方式Completely sequential：*应用于传统的镜头设计和大多数的成像系统应用于传统的镜头设计和大多数的成像系统*应用这种模式时不能进行散射和鬼象分析应用这种模式时不能进行散射和鬼象分析Hybrid sequential/non-sequential*应用于有很多序列元件，又有一些非序列元件（比如棱镜或光管）的系统应用于有很多序列元件，又有一些非序列元件（比如棱镜或光管）的系统*必须使用必须使用“ports”ports”作为光线进出非序列元件组的端口作为光线进出非序列元件组的端口Completely non-sequential*应用于照明、散射和杂光分析。光线沿任何物理上
6、有效的路径传输应用于照明、散射和杂光分析。光线沿任何物理上有效的路径传输*这种模式下非序列元件不使用这种模式下非序列元件不使用“ports”ports”Completely sequential 以光学面（以光学面（surfacesurface）为对象来构建光学系统模型；）为对象来构建光学系统模型；光线从物面开始（常为光线从物面开始（常为surface 0surface 0）按光学面的顺序计算（按光学面的顺序计算（surface 0,1,2surface 0,1,2），对每个光学面只计算一），对每个光学面只计算一次；次；每个面都有物空间和像空间；每个面都有物空间和像空间；需要计算的光线少，计算
7、速度快；需要计算的光线少，计算速度快；可可进行进行analysis,analysis,OptimizationOptimization及及ToleraToleran nc cingingHybrid sequential/non-sequential 所有所有objectobject都是都是3D shell or solids3D shell or solids；每个每个objectobject都在一个空间坐标系中定义了其特性；都在一个空间坐标系中定义了其特性；光线从光线从input portinput port进入进入non-sequential groupnon-sequential gr
8、oup；从；从exit portexit port离开离开NS groupNS group；光线在光线在NSCNSC中一直追迹，直到它遇到下列情况才终止：中一直追迹，直到它遇到下列情况才终止：NothingNothing Exit portExit port 能量低于定义的阈值。能量低于定义的阈值。忽略忽略NS groupNS group内的光源和探测器；内的光源和探测器；进入进入NS groupNS group的光线的特性，由序列性的系统数据，如视场位置和瞳的光线的特性，由序列性的系统数据，如视场位置和瞳的大小等决定。的大小等决定。Completely non-sequential 所有所有
9、objectobject都是都是3D shell or solids3D shell or solids；每个每个objectobject都在一个空间坐标系中定义了其特性；都在一个空间坐标系中定义了其特性；需要定义光源的发光特性和位置，定义需要定义光源的发光特性和位置，定义detectordetector收集光线；收集光线；光线一直追迹，直到它遇到下列情况才终止：光线一直追迹，直到它遇到下列情况才终止：NothingNothing，能量低于定义的阈值。能量低于定义的阈值。计算时光学元件的相对位置由空间坐标确定；对同一元件，可同时进行计算时光学元件的相对位置由空间坐标确定；对同一元件，可同时进行
10、穿透、反射、吸收及散射的特性计算；穿透、反射、吸收及散射的特性计算；无法作优化无法作优化,要进行公差分析必须实用要进行公差分析必须实用macromacro；这种情况下，可以对光线进行分光，散射，衍射，反射，折射。这种情况下，可以对光线进行分光，散射，衍射，反射，折射。序列模式和非序列模式的比较序列模式和非序列模式的比较序列模式序列模式以以surfacesurface为对象建模为对象建模指定光线与面相交的顺序指定光线与面相交的顺序 光线与每个面只相交一次光线与每个面只相交一次光线不会分光光线不会分光镜面反射镜面反射光线不能超过临界角光线不能超过临界角通过孔径外的光线必须渐晕通过孔径外的光线必须渐
11、晕SurfaceSurface的位置由前一个面的参数确定的位置由前一个面的参数确定每个面都有物空间和像空间每个面都有物空间和像空间计算的光线少，计算速度快计算的光线少，计算速度快可进行优化和公差分析可进行优化和公差分析非序列模式非序列模式以以objectobject为对象建模为对象建模不限制光线与面相交的顺序不限制光线与面相交的顺序 光线与同一个面可相交多次光线与同一个面可相交多次光线不会分裂光线不会分裂镜面反射和漫反射镜面反射和漫反射可以是全反射可以是全反射在在objectobject外的光线也可进行光线追迹外的光线也可进行光线追迹objectobject的位置由全局坐标确定的位置由全局坐标
12、确定所有空间都是等价的所有空间都是等价的计算的光线多，计算速度慢计算的光线多，计算速度慢不能使用优化和默认的公差分析不能使用优化和默认的公差分析（可用（可用MacrosMacros分析公差）分析公差）ZEMAXZEMAX的用户界面的用户界面ZEMAXZEMAX的用户界面有四种允许输入和分析系统数据的窗口：的用户界面有四种允许输入和分析系统数据的窗口：EditorsEditors 定义和编辑光学表面和其他数据定义和编辑光学表面和其他数据 Graphic windowsGraphic windows 显示图形数据显示图形数据 Text windowsText windows 显示文本数据显示文本数
13、据 Dialog boxesDialog boxes 编辑和回顾其他窗口或系统的数据，或者用来报告错误信息和其他的一些编辑和回顾其他窗口或系统的数据，或者用来报告错误信息和其他的一些 目的。目的。EditorsEditorsZEMAXZEMAX中的中的editorseditors本质上是为满足透镜设计程序而专门设计的电子数据表：本质上是为满足透镜设计程序而专门设计的电子数据表：Lens Data EditorLens Data Editor 输入基本的镜头数据，包括表面编号、注释、表面类型、表面曲率半径、输入基本的镜头数据，包括表面编号、注释、表面类型、表面曲率半径、厚度、玻璃、口径半径、二次
14、常数、热膨胀系数和膜层数据厚度、玻璃、口径半径、二次常数、热膨胀系数和膜层数据 Merit Function EditorMerit Function Editor 在这里定义和编辑优化函数在这里定义和编辑优化函数 Multi-Configuration EditorMulti-Configuration Editor 给变焦距透镜和其它的多结构系统定义参数变化表给变焦距透镜和其它的多结构系统定义参数变化表 Tolerance Data EditorTolerance Data Editor 定义和编辑公差定义和编辑公差 Extra Data EditorExtra Data Editor 一
15、个扩展的透镜数据编辑器，为那些需要很多参数才能定义的表面准备的，一个扩展的透镜数据编辑器，为那些需要很多参数才能定义的表面准备的，比如表面类型比如表面类型Binary 2Binary 2Non-Sequential Components EditorNon-Sequential Components Editor 在这里定义光源、光学对象、探测器在这里定义光源、光学对象、探测器Graphic and Text windowsGraphic and Text windowsZEMAXZEMAX的图形和文本窗口都为评价和分析光学系统的性能提供的图形和文本窗口都为评价和分析光学系统的性能提供了有力的
16、帮助。了有力的帮助。ZEMAXZEMAX的有些功能只支持图形窗口（比如的有些功能只支持图形窗口（比如layoutlayout，3D layout3D layout），有些功能只支持文本窗口（如有些功能只支持文本窗口（如System DataSystem Data，Prescription DataPrescription Data，Ray TraceRay Trace，Seidel CoefficientsSeidel Coefficients），有些功能既有图形窗口也有文本），有些功能既有图形窗口也有文本窗口（如窗口（如Ray FanRay Fan，OPD FanOPD Fan，Spot D
17、iagramSpot Diagram）对于后者，除了图形窗口，如果你要查看文本窗口的内容，点击对于后者，除了图形窗口，如果你要查看文本窗口的内容，点击菜单栏中的菜单栏中的“Text”Text”用来编辑其他窗口或系统的数据，比如用来编辑其他窗口或系统的数据，比如General，Field Data，Wavelength Data，Glass Catalog，Lens Catalogs Dialog boxesDialog boxes序列模式序列模式这种模式下的光学设计和仿真可按照下列步骤进行：这种模式下的光学设计和仿真可按照下列步骤进行：1.输入系统数据输入系统数据2.输入透镜数据输入透镜数据/
18、修改透镜数据修改透镜数据3.检查、分析模型，考虑是否修改透镜数据或者考虑优化方向检查、分析模型，考虑是否修改透镜数据或者考虑优化方向4.优化、评价模型性能优化、评价模型性能5.公差分析公差分析6.出报告、画工程图出报告、画工程图设计过程中，第设计过程中，第3步的结果不好的话，你可能需要返回到第步的结果不好的话，你可能需要返回到第2步重复设步重复设计；第计；第4步完成后达不到期望的性能，也需要返回到第步完成后达不到期望的性能，也需要返回到第2步重复设计，步重复设计，直到设计结果能满足需求；但是即便如此，你也只得到了一个停留在直到设计结果能满足需求；但是即便如此，你也只得到了一个停留在纸上的设计方
19、案，只有在进行了公差分析，证实这个设计是可以加工纸上的设计方案，只有在进行了公差分析，证实这个设计是可以加工和装配的，设计才算基本完成，否则还是要回到第和装配的，设计才算基本完成，否则还是要回到第2步重复整个过程。步重复整个过程。数据编辑器数据编辑器系统数据系统数据需要设置三个需要设置三个Dialog boxesDialog boxes：General(Gen)General(Gen)-通常需要设置孔径类型、孔径大小、透镜长度单位、玻璃库等通常需要设置孔径类型、孔径大小、透镜长度单位、玻璃库等Field Data(Fie)Field Data(Fie)-选定视场角的类型，设置视场角大小选定视场
20、角的类型，设置视场角大小Wavelength Data(Wav)Wavelength Data(Wav)-入射需要用到的波长，以及权重，设定哪个波长是参考波长入射需要用到的波长，以及权重，设定哪个波长是参考波长GenGenApertureAperture决定了系统的入光量的多少。决定了系统的入光量的多少。EPD-EPD-入瞳直径；入瞳直径；Image space F/#-Image space F/#-无限物距时，象空间的近轴无限物距时，象空间的近轴F F数；数；Object space Object space NA-NA-有限物距时，物空间数值孔径；有限物距时，物空间数值孔径；Float
21、By Stop Size-Float By Stop Size-根据孔径光阑的大小变根据孔径光阑的大小变化；化；Paraxial Working F/#-Paraxial Working F/#-无限远或有限远物距时，象空间的近轴工作无限远或有限远物距时，象空间的近轴工作F F数；数；Object Cone AngleObject Cone Angle有限物距时，物空间边缘光线与光轴的夹角有限物距时，物空间边缘光线与光轴的夹角容易混淆的概念：容易混淆的概念：Image Space F/#Image Space F/#；Paraxial Working F/#;Working F/#Paraxi
22、al Working F/#;Working F/#Paraxial Working F/#Paraxial Working F/#：Working F/#Working F/#：Paraxial Working F/#Paraxial Working F/#计算公式中的计算公式中的 是近轴边缘光线与光轴的夹角；是近轴边缘光线与光轴的夹角；Working F/#Working F/#计算公式中的计算公式中的是实际边缘光线与光轴的夹角是实际边缘光线与光轴的夹角下面看一个例子：下面看一个例子：example for F-number.zmxexample for F-number.zmxWorki
23、ng F/#=1/2sin(5.76436)=4.97822391Working F/#=1/2sin(5.76436)=4.97822391Paraxial Working F/#=1/2tan(arccos(0.9950372)=5.00000496Paraxial Working F/#=1/2tan(arccos(0.9950372)=5.00000496切趾分布切趾分布 General General对话框中有一项设置对话框中有一项设置apodizationapodization type-type-切趾分布，它实际切趾分布，它实际是定义了入瞳处的光照分布。是定义了入瞳处的光照分布。
24、Apodization Apodization type type可以选择可以选择nonenone，表示均匀照明；可以选择，表示均匀照明；可以选择gaussiongaussion，表示高斯照明；可选表示高斯照明；可选tangentialtangential，用来模拟点光源照明平面时照度，用来模拟点光源照明平面时照度向外衰减的特性向外衰减的特性 建议一个近轴的光学系统，更改切趾的类型，观察建议一个近轴的光学系统，更改切趾的类型，观察FFTFFT点传递函点传递函数的图像。例子：数的图像。例子：apodization.zmxapodization.zmx 均匀切趾，均匀切趾，圆形平顶圆形平顶函数的傅
25、函数的傅立叶变换立叶变换是贝塞尔是贝塞尔函数函数 高斯切趾，高斯切趾，切趾因子切趾因子3 3。高斯函数高斯函数的傅立叶的傅立叶变换还是变换还是高斯函数高斯函数FieFieZEMAXZEMAX支持支持4 4种不同视场形式：种不同视场形式：Field angle:XZField angle:XZ和和YZYZ平面上主光线与平面上主光线与Z Z轴的夹角。常用于无限共轭系统。轴的夹角。常用于无限共轭系统。Object height:Object height:物面上物面上X X，Y Y高度。常用于有限共轭系统。高度。常用于有限共轭系统。Paraxial Image height:Paraxial Ima
26、ge height:像面上的近轴像高。用于需要固定像的大小的设计中（只像面上的近轴像高。用于需要固定像的大小的设计中（只用于近轴光学系统中）用于近轴光学系统中）Real image height:Real image height:像面上实际像高。用于需要固定像幅的设计中（如像面上实际像高。用于需要固定像幅的设计中（如camera camera lenseslenses）。）。VDX,VDY,VCVDX,VDY,VCX,VCY,VANX,VCY,VAN是用来设置渐是用来设置渐晕因子的晕因子的WavWavZEMAXZEMAX最多允许定义最多允许定义1212个波长，必须指定参考波长，可以根据不同波
27、个波长，必须指定参考波长，可以根据不同波长的重要性，设定不同的权重。长的重要性，设定不同的权重。波长的单位为微米。波长的单位为微米。Select-Select-功能可以选择多种默认的波长功能可以选择多种默认的波长Lens Data EditorLens Data Editor一定存在的一定存在的3个表面：个表面：OBJ、STO和和IMA可以随意插入更多的表面可以随意插入更多的表面每个表面都包括的数据有：表面类型、注释、曲率半径、厚度、玻璃每个表面都包括的数据有：表面类型、注释、曲率半径、厚度、玻璃牌号、表面的半口径、二次常数、保留的参数牌号、表面的半口径、二次常数、保留的参数0-12、热膨胀系
28、数和膜、热膨胀系数和膜层参数层参数表面数据的符号规则：曲面左凸为正，右凸为负；高度向上为正，向表面数据的符号规则：曲面左凸为正，右凸为负；高度向上为正，向下为负；角度从光线向光轴，顺时针锐角为正，逆时针为负；厚度向下为负；角度从光线向光轴，顺时针锐角为正，逆时针为负；厚度向右为正，向左为负右为正，向左为负表面数据的符号规则表面数据的符号规则+z+y球透镜的例子球透镜的例子在在ZEMAX中输入一个直径中输入一个直径5mm的球透镜，玻璃材料的球透镜，玻璃材料K9，Layout如下：如下：例子：例子：ball lens.zmxball lens.zmx需要设定孔径类型、透镜长度单位、视场类型、使用的
29、波长需要设定孔径类型、透镜长度单位、视场类型、使用的波长需要在需要在Lens Data Editor中插入表面，根据符号规则输入适当的参数中插入表面，根据符号规则输入适当的参数使用使用M-solve找到近轴焦平面找到近轴焦平面练习：在练习：在ZEMAXZEMAX中输入一个入瞳直径中输入一个入瞳直径33.33mm33.33mm的双高斯镜头。视场角设定的双高斯镜头。视场角设定0 0度、度、1010度、度、1414度，采用波长度，采用波长0.4860.486，0.5870.587，0.6560.656，参考光为，参考光为0.5870.587，LayoutLayout如下：如下：表面的曲率半径依次为表
30、面的曲率半径依次为54.1554.15，152.52152.52，35.9535.95，infinityinfinity，22.2722.27，infinityinfinity，-25.68-25.68，infinityinfinity，-36.98-36.98，196.42196.42，-67.148-67.148；玻璃和空气间隙的厚度依次为：；玻璃和空气间隙的厚度依次为：8.758.75，0 0，1414，3.783.78，14.2514.25，12.4212.42，3.783.78，10.8310.83，0 0，6.856.85，5757例子：例子：Double Double Gauss
31、Gauss.zmx.zmxSurface TypeSurface Type1.1.提供了近提供了近6060种的光学曲面面形，种的光学曲面面形，主要类型有：主要类型有：平面、球面、标准二次曲面、平面、球面、标准二次曲面、非球面、光锥面、轮胎面、折非球面、光锥面、轮胎面、折射率渐变面、二元光学面、光射率渐变面、二元光学面、光栅栅(固定周期和变周期固定周期和变周期)、全息衍、全息衍射元件、射元件、FresnelFresnel透镜、波带片等。透镜、波带片等。2.2.还提供了还提供了User Defined SurfaceUser Defined Surface。用户只需要按照它的语法规定，用户只需要按
32、照它的语法规定，用用C+C+语言编写语言编写DLLDLL文件与文件与ZEMAXZEMAX相连接就可以建立自己相连接就可以建立自己需要的面形。需要的面形。ToroidalToroidal surface surface环形表面是环形表面是YZYZ平面的曲面绕平行于平面的曲面绕平行于Y Y且过且过Z Z的轴线转动形成的。我们可的轴线转动形成的。我们可以利用以利用ToroidalToroidal面来模拟柱透镜。面来模拟柱透镜。我们来模拟一个我们来模拟一个YZYZ平面曲率半径为平面曲率半径为5mm5mm，厚度为，厚度为2mm2mm，K9K9玻璃的柱面玻璃的柱面镜，它在镜，它在XYXY面的投影为矩形，长
33、面的投影为矩形，长6mm6mm，宽，宽4mm4mm。例子：例子：Toroidal-y.zmxToroidal-y.zmx*注意注意RadiusRadius与与Radius of RotatRadius of Rotat的区别；注意的区别；注意Surface propertiesSurface properties对话框中对话框中ApertureAperture的设置的设置还是刚才的那个柱面镜，我们让它绕还是刚才的那个柱面镜，我们让它绕z z轴转轴转9090度放置，使其在度放置，使其在x x方向有光方向有光焦度，焦度，y y方向没有光焦度，这用方向没有光焦度，这用ToroidalToroidal
34、如何模拟？例子：如何模拟？例子：Toroidal-x.zmxToroidal-x.zmx只要参数设置对了，就可以模拟各种柱面镜，也可以模拟棒镜（例只要参数设置对了，就可以模拟各种柱面镜，也可以模拟棒镜（例子子:cylinder-tor.zmxcylinder-tor.zmx），甚至是非球面的柱面镜。），甚至是非球面的柱面镜。ToroidalToroidal面来模拟柱面仅仅是它应用的特例，更广泛的，它用来模拟环形面来模拟柱面仅仅是它应用的特例，更广泛的，它用来模拟环形表面表面双圆锥表面，与环形表面类似，可以直接输入表面的双圆锥表面，与环形表面类似，可以直接输入表面的X X、Y Y方向的曲率半径方
35、向的曲率半径和二次常数。把和二次常数。把X X或者或者Y Y方向的曲率半径和二次常数设为零，也是柱面。方向的曲率半径和二次常数设为零，也是柱面。用用BiconicBiconic surface surface来模拟前面举例过的棒镜，例子：来模拟前面举例过的棒镜，例子：cylinder-Bic.zmxcylinder-Bic.zmxBiconicBiconic surface surfaceToroidalToroidal Grating surface Grating surface 环形光栅表面与环形表面类似，除此之外，有线条平行于环形光栅表面与环形表面类似，除此之外，有线条平行于x x轴的
36、光栅轴的光栅结构，需要定义光栅周期和衍射级数。例子：结构，需要定义光栅周期和衍射级数。例子：ToroidalToroidal grating.zmx grating.zmxCoordinate Break surfaceCoordinate Break surface 坐标断点表面用来定义一个新的坐标系统，对于光线追迹的应用坐标断点表面用来定义一个新的坐标系统，对于光线追迹的应用来说，它只是一个虚拟的表面。描述这个新的局域坐标需要六个来说，它只是一个虚拟的表面。描述这个新的局域坐标需要六个参数：参数：x x偏心、偏心、y y偏心、绕偏心、绕x x轴的倾斜、绕轴的倾斜、绕y y轴的倾斜、绕轴的倾
37、斜、绕z z轴的倾斜、轴的倾斜、倾斜和偏心次序的标记。倾斜和偏心次序的标记。用坐标断点可以实现一个或一组表面的倾斜。用坐标断点可以实现一个或一组表面的倾斜。倾斜和偏心次序的标记为倾斜和偏心次序的标记为0 0，表示先，表示先x x偏心、偏心、y y偏心、然后绕偏心、然后绕x x轴倾斜，轴倾斜，这时候这时候y y和和z z轴的方向会被改变，接下来绕新的轴的方向会被改变，接下来绕新的y y轴倾斜，改变轴倾斜，改变x x和和z z轴的方向，最后绕新的轴的方向，最后绕新的z z轴倾斜。轴倾斜。倾斜和偏心次序的标记不为倾斜和偏心次序的标记不为0 0，表示先以，表示先以z z、y y、x x的顺序倾斜，然的
38、顺序倾斜，然后再进行偏心。后再进行偏心。牢记牢记:ZEMAX:ZEMAX中的输入的每个表面都是由一个本地坐标系定义的中的输入的每个表面都是由一个本地坐标系定义的 *ZEMAXZEMAX中的每个表面都有一个本地坐标系中的每个表面都有一个本地坐标系 *每个表面都为后面的表面定义了一个新的本地坐标系每个表面都为后面的表面定义了一个新的本地坐标系例子：例子：fold mirror.zmxfold mirror.zmx为加深坐标断点表面、本地坐标、全局坐标的理解，我们来看一为加深坐标断点表面、本地坐标、全局坐标的理解，我们来看一个元件倾斜和偏心的例子个元件倾斜和偏心的例子例子：例子：tilt-decen
39、ter.zmxtilt-decenter.zmx在原来表面在原来表面4 4前面插入一个面，表面类型选择坐标断点，前面插入一个面，表面类型选择坐标断点，y y偏心参数偏心参数设为设为-5-5，结果如下：，结果如下：在原来表面在原来表面8 8前面插入一个面，表面类型选择坐标断点，把表面前面插入一个面，表面类型选择坐标断点，把表面7 7的的厚度设为厚度设为0 0，把坐标断点的厚度设为，把坐标断点的厚度设为1010，y y偏心参数设为偏心参数设为5 5，结果如，结果如下：下：如果我们把两个坐标断点表面的偏心参数恢复为如果我们把两个坐标断点表面的偏心参数恢复为0 0，把第一个坐标，把第一个坐标断点断点x
40、 x轴倾斜角度设为轴倾斜角度设为2020，把第二个坐标断点，把第二个坐标断点x轴倾斜角度设为轴倾斜角度设为-20-20结果如下：结果如下：（中间元件的倾斜引入了最后一个元件的偏心）（中间元件的倾斜引入了最后一个元件的偏心）为了消除中间元件的倾斜给最后一个元件引入的偏心，把为了消除中间元件的倾斜给最后一个元件引入的偏心，把变为：变为：Diffraction Grating surfaceDiffraction Grating surface 衍射光栅表面用来模拟直线型的光栅，光栅的线条与本地坐标的衍射光栅表面用来模拟直线型的光栅，光栅的线条与本地坐标的x x轴平行。衍射光栅表面的重要参数：轴平行
41、。衍射光栅表面的重要参数：lines/micronlines/micron，diffract/orderdiffract/order。例子：例子：diffraction grating.zmxdiffraction grating.zmx 衍射光栅表面光栅的线条与本地坐标的衍射光栅表面光栅的线条与本地坐标的x x轴平行，那么你要模拟光栅线条轴平行，那么你要模拟光栅线条朝其他方向的光栅，你需要借助坐标断点表面。假设我们要使光栅线条的朝其他方向的光栅，你需要借助坐标断点表面。假设我们要使光栅线条的方向与全局坐标的方向与全局坐标的y y方向平行，例子：方向平行，例子：diffraction grat
42、ing-y.zmxdiffraction grating-y.zmxGradient 1 surfaceGradient 1 surface 折射率渐变表面折射率渐变表面1 1可以用来模拟采用折射率渐变材料加工的光学元可以用来模拟采用折射率渐变材料加工的光学元件。折射率渐变表面件。折射率渐变表面1 1的重要参数：的重要参数：Delta TDelta T，n0n0，Nr2Nr2。例子。例子:gradient.zmxgradient.zmx 折射率渐变表面折射率渐变表面1 1的折射率公式：的折射率公式：220)(rnnrnr初始结构的设计图：初始结构的设计图：初始结构的透镜数据：初始结构的透镜数据
43、：把表面把表面1 1的厚度作为变量，用默认的的厚度作为变量，用默认的RMS spotRMS spot优化函数优化函数 ，优化，优化，结果：结果：Binary optic 2 surfaceBinary optic 2 surface二元光学表面二元光学表面2 2能够以下面的公式在表面上连续改变波前的相位。能够以下面的公式在表面上连续改变波前的相位。二元光学表面二元光学表面2 2面形的公式：面形的公式：定义二元光学表面定义二元光学表面2 2需要的参数：需要的参数：利用二元光学表面来设计一个衍射光学元件，校正轴向色差。例子：利用二元光学表面来设计一个衍射光学元件，校正轴向色差。例子：binary
44、binary diffraction.zmxdiffraction.zmx 选择透镜单位为选择透镜单位为mmmm，入瞳直径设置为，入瞳直径设置为30mm30mm，波长选择，波长选择F F，d d，C C，视场角，视场角0 0 初始数据：初始数据：表面表面3 3的厚度设为变量，采用默认的厚度设为变量，采用默认RMSRMS优化函数，优化，表面优化函数，优化，表面3 3的厚度变为的厚度变为51.60851.608：把二元光学表面的把二元光学表面的Diffraction orderDiffraction order参数设为参数设为1 1，打开，打开Extra Data EditorExtra Data
45、 Editor，按下，按下图输入：图输入：重新优化，结果：重新优化，结果：纵坐标：入瞳高度纵坐标：入瞳高度横坐标：不同环带横坐标：不同环带的光线与光轴的的光线与光轴的交点到参考波长交点到参考波长的近轴焦点的距的近轴焦点的距离，向右为正，离，向右为正，向左为负向左为负Jones Matrix surfaceJones Matrix surface 琼斯矩阵被用来定义任意偏振的元件。我们以模拟一个琼斯矩阵被用来定义任意偏振的元件。我们以模拟一个x x方向的四方向的四分之一波片为例：分之一波片为例：jonesjones matrix.zmx matrix.zmx BirefringentBirefr
46、ingent in and out surface in and out surface 双折射表面双折射表面in in和和outout一定是成对儿出现，用来模拟双折射晶体，这两一定是成对儿出现，用来模拟双折射晶体，这两个表面之间只能有坐标断点表面存在或者没有其他表面类型存在。个表面之间只能有坐标断点表面存在或者没有其他表面类型存在。双折射表面的重要参数：双折射表面的重要参数：Draw axis-Draw axis-晶轴的长度；晶轴的长度；ModeMode光线追迹光线追迹针对针对o o光还是光还是e e光的标志；光的标志；X X、Y Y、ZcosineZcosine定义晶轴的方向余弦。例定义晶
47、轴的方向余弦。例子：子：birefringence.zmxbirefringence.zmx常用的分析诊断工具常用的分析诊断工具Ray fan plotRay fan plot光线扇面图是分析几何像差的有力工具，值得好好学习和分析。光线扇面图是分析几何像差的有力工具，值得好好学习和分析。光线扇面图的坐标轴是如何定义的？有什么意义呢？光线扇面图的坐标轴是如何定义的？有什么意义呢？归一化的物、入瞳坐标。通过入瞳某一坐标归一化的物、入瞳坐标。通过入瞳某一坐标【PXPX，PYPY】的光线在像面上有】的光线在像面上有唯一的位置唯一的位置【EXEX、EYEY】，以】，以PXPX、PYPY为横坐标，为横坐标
48、，EXEX、EYEY为纵坐标，分别建为纵坐标，分别建立坐标系，把通过入瞳的光线都在坐标系里描点就得到了光线扇面图立坐标系，把通过入瞳的光线都在坐标系里描点就得到了光线扇面图离焦、球差、彗差、象散的离焦、球差、彗差、象散的ray fan plotray fan plot纯离焦的光线扇面图。例子：纯离焦的光线扇面图。例子：defocus.zmxdefocus.zmx 只存在离焦时的光线扇面图中曲线是两条方向一致的倾斜直线，直线的只存在离焦时的光线扇面图中曲线是两条方向一致的倾斜直线，直线的斜率可正可负，取决于是正离焦还是负离焦斜率可正可负，取决于是正离焦还是负离焦纯球差的光线扇面图。例子：纯球差的
49、光线扇面图。例子：spherical.zmxspherical.zmx 从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率为从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率为0 0，表明像面正好是，表明像面正好是近轴像面，没有离焦。曲线整体上来说斜率为负，表示球差欠校近轴像面，没有离焦。曲线整体上来说斜率为负，表示球差欠校正。正。球差和离焦的光线扇面图。例子：球差和离焦的光线扇面图。例子：spherical-defocus.zmxspherical-defocus.zmx 从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率不为零，表明像面不在近从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率不为零，表明像面不在近轴像面，存在离焦。经过一
50、个拐点向下的一段曲线说明还有欠校正轴像面，存在离焦。经过一个拐点向下的一段曲线说明还有欠校正 的的球差存在。但是跟前面的球差存在。但是跟前面的ray fanray fan相比，纵坐标范围从相比，纵坐标范围从+-500um+-500um减小到了减小到了+-100um+-100um。说明离焦平衡了球差。说明离焦平衡了球差。三阶球差的控制，我们用偶次多项式非球面来控制三阶球差。例子：三阶球差的控制，我们用偶次多项式非球面来控制三阶球差。例子：a-a-spherical.zmxspherical.zmx 三阶球差可以用偶次多项式非球面的三阶球差可以用偶次多项式非球面的4 4次项控制，注意看原点附近的曲
