_光设ZEMAX_实验讲义

i录前言.............................................................................................................................错误!未定义书签。第一章ZEMAX软件简介.........................................................................................................................11.1简介.............................................................................................................................................11.2用户界面.....................................................................................................................................11.3主视窗的操作（MainWindowsOperations）.........................................................................21.4光学系统的建立.........................................................................................................................31.4.1设计要求........................................................................................................................31.4.2初始结构........................................................................................................................31.4.3其他光学特性参数输入方法........................................................................................41.4.4ZEMAX中像质评价方法...............................................................................................9第二章ZEMAX优化与操作符.............................................................................................................212.1MeritFunction（评价函数）的构成要素.............................................................................212.2评价函数的“默认”（缺省）构成方法.............................................................................212.3修改成自定义评价函数法.....................................................................................................24第三章像差设计在ZEMAX中的实现................................................................................................313.1DefaultMeritFunction和现有像差控制符的局限性...........................................................323.1.1轴上点的像差操作符的局限性..................................................................................323.1.2轴外物点的像差操作符的局限性..............................................................................323.2常见像差控制在评价函数中的实现.....................................................................................333.2.1轴上球差、色差的控制操作符..................................................................................333.2.2轴外初级像差的控制操作符......................................................................................343.2.3轴外物点视场孔径高级像差的定义及其控制操作符..............................................383.3像差设计举例.........................................................................................................................39第四章像差设计实例..........................................................................................................................494.1望远镜物镜或准直物镜的设计.............................................................................................49ii1第一章ZEMAX软件简介1.1简介ZEMAXOpticalDesignProgram（ZEMAX）是由美国ZeMaXDevelopmentCorporation公司开发的专用光学设计软件包，软件逐步升级，我们使用的版本是2007。ZEMAX是Windows平台上的视窗式的用户界面，操作习惯和快捷键风格如同Windows。1.2用户界面ZEMAX的视窗类型，和Windows的基本一致，打开不同的视窗可以执行操作不同的任务，可分为：主视窗（MainWindow）ZEMAX启动以后，进入主视窗（图1.1）。主视窗顶端有标题栏（titlebar）、菜单栏（menubar）和工具栏（toolsbar）。编辑视窗（EditorWindow）ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（LensDataEditor），评价函数编辑器（MeritFunctionEditor）、多重组态编辑器（Multi-configurationEditor）、公差数据编辑器（ToleranceDataEditor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（ExtraDataEditor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequentialComponentsEditor）。图1.1ZEMAX主视窗界面2图形视窗（GraphicWindow）最常用的有草图（Layout）、扇形图（Rayfans）、调制传递函数（MTFPlots）图等。文本视窗（TextWindows）设计的文字资料，如详细数据（PrescriptionData）、像差数据等显示在文本视窗中。对话框（Dialogs）固定大小，在过程中跳出来的视窗（鼠标拖曳不能改变大小）。用于定义或更新视场（Fields）、波长（Wavelengths）、孔径（Apertures）、面型（Surfacetypes）等。1.3主视窗的操作（MainWindowsOperations）主视窗在执行ZEMAX后显示出来，可以用鼠标拖动改变大小，如图1.1所示。上部有标题栏、菜单栏、快捷按钮。底部状态栏中显示当前镜头系统的焦距（EFFL）、F数（WFNO）、入瞳直径（ENPD）、系统总长（TOTR）。主视窗中的快捷按钮和状态栏中内容可以自定义，菜单栏中有：文件（File）展开后有文件的打开（Open），新建（New），存储（Save），另存为（Saveas）等，偏好（Preference）可以修改文字大小，快捷按钮和状态栏中的内容。编辑器（Editors）栏中包括ZEMAX中所有编辑器命令，展开后可打开Lensdataeditor，Meritfunctioneditor。系统（System）定义或更新光学系统的光学特性数据，例如相对孔径、视场和选取的工作波长等。分析（Analysis）它是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，是用来进行像质评价和分析的主要工具，对于其中的每一项的数据的含义，单位要很好地理解。主要有：Fans中的球差（Rayaberration），点列图（Spotdiagrams）、调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）、波像差（Wavefront）、圆内能量集中度（EncircledEnergy）；杂项（Miscellaneous）中的场曲与畸变（FieldCurv/Dist）、轴向球差（Longitudinalaberration）和垂轴色差（LateralColor）。工具（Tools）也是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，分成七块：第一块用来进行光学镜头的局部优化（Optimization）、全局优化（Global/Search/HammerOptimization）等；第二块分析镜头的公差，计算传递函数的点列图，波差等变化量表。第三块是材料选择，有察勘玻璃库或向库中新增添或删除玻璃条目，寻找简单的透镜数据并插入到透镜数据编辑器中。第四块是镀膜模型。3第五块是系统中镜头的孔径的定义，可以与渐晕系数配合共同使用。第六块主要用来整体设计(1)按焦距或放大率缩放当前系统；(2)在当前系统中加入或删除折转发射镜。第七块以后讨论。报告（Report）形成镜头设计结果的报告，可以作为每一个光学面的形成报告（Surfacedata）；也能为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告（Systemdata）；还可以给出设计结果的详细数据报告（Prescriptiondata）。宏编程（Macros）执行已经编译好的宏程序。宏程序的编程过程：（1）使用一般的文本编辑器或使用ZEMAX自身的编辑功能创建扩展名为“*.ZPL”文件，该文件置于ZEMAX目录下的Macros目录中；（2）使用ZEMAX提供的命名或函数库进行程序编写；（3）用Macros菜单下的“Run/EditZplMacros…”执行宏程序。宏程序可以提取光线追迹数据、像质指标等，可以定义新的优化设计用的操作符。执行时，宏程序作用的对象是当前显示的镜头系统。外部程序接口（Extensions）ZEMA