ZEMAX软件基础介绍
ZEMAX软件基础介绍教学文案
Z E M A X软件基础介绍Zemax软件的介绍ZEMAX是美国 Radiant Zemax 公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算sequential及Non-Sequential的软件。
ZEMAX 有三种不同的版本：Standard 标准版（原SE）；Professional 专业版（原EE）；Premium 旗舰版（原IE）。
1主要特色1.1分析提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP， *.JPG．．．等，也可存成文字文件*.txt。
1.2优化表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用，诸如Local Optimization可以快速找到佳值，Global/Hammer Optimization可找到最好的参数。
1.3公差分析表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义。
1.4报表输出多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。
2应用领域含括Projector，Camera，Scanner，Telescope，光纤耦合，照明系统、夜视系统等。
Zemax 软件的界面1 Zemax 软件的工作窗口Figure 1 Zemax 默认的工作窗口 2 Zemax 透镜数据编辑器（LDE ）2.1 表面类型Zemax 在标准面型下有平面、球面和二次曲面等选项。
LDE 的Surface Type （表面类型）栏分为两列，左边一列分为OBJ 、STO 和IMA 三行，它们分别对应物面、光阑面和像面；右边一列的三行是左边三种表面的类型。
默认的表面类型是标准型，用Standard 表示。
OBJ 即物面被默认为0面。
表格 1 不同表面的二次曲面系数菜单栏工具LDE表面类型 曲率半径 厚度玻璃 半口径2.2表面的曲率半径Zemax中面的曲率半径有正负之分。
ZEMAX软件基础介绍
ZEMAX软件基础介绍Zemax软件的介绍ZEMAX是美国 Radiant Zemax 公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建⽴反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算sequential及Non-Sequential的软件。
ZEMAX 有三种不同的版本：Standard 标准版（原SE）；Professional 专业版（原EE）；Premium 旗舰版（原IE）。
1主要特⾊1.1分析提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，⽅便分析，且可将分析图形存成图⽂件，例如：*.BMP， *.JPG．．．等，也可存成⽂字⽂件*.txt。
1.2优化表栏式merit function参数输⼊，对话窗式预设merit function参数，⽅便使⽤者定义，且多种优化⽅式供使⽤者使⽤，诸如Local Optimization可以快速找到佳值，Global/Hammer Optimization可找到最好的参数。
1.3公差分析表栏式Tolerance参数输⼊和对话窗式预设Tolerance参数，⽅便使⽤者定义。
报表输出多种图形报表输出，可将结果存成图⽂件及⽂字⽂件。
2应⽤领域含括Projector，Camera，Scanner，Telescope，光纤耦合，照明系统、夜视系统等。
Zemax 软件的界⾯1 Zemax 软件的⼯作窗⼝Figure 1 Zemax 默认的⼯作窗⼝2 Zemax 透镜数据编辑器（LDE ）2.1 表⾯类型Zemax 在标准⾯型下有平⾯、球⾯和⼆次曲⾯等选项。
LDE 的Surface Type （表⾯类型）栏分为两列，左边⼀列分为OBJ 、STO 和IMA 三⾏，它们分别对应物⾯、光阑⾯和像⾯；右边⼀列的三⾏是左边三种表⾯的类型。
默认的表⾯类型是标准型，⽤Standard 表⽰。
OBJ 即物⾯被默认为0⾯。
表格 1 不同表⾯的⼆次曲⾯系数菜单栏⼯具栏 LDE表⾯类型曲率半径厚度玻璃半⼝径2.2表⾯的曲率半径Zemax中⾯的曲率半径有正负之分。
ZEMAX的基础学习
zemax的基础学习MTF一般都是大于0的，所以MTF曲线坐标都是第一期限。
但有时候也会出现负值，这种情况表示像的亮度起伏与原物体相反，发生对比反转，也就是相位错动了半个周期，黑的变白，白的变黑。
如何查看高斯光束的光斑大小及能量分布在physical analysis>>pop setting>>display中可以看中文的翻译是：image space f# 表示的是有效焦距和有效孔径的比paraxial working f# 表示的是2tanU的倒数，其实只有在物距在无限远的时候才和前边的一样working f# 表示的是2SinU的倒数。
主光线是在stop光阑中心点的斜线角度。
物上视场点－入瞳中心－像面的光线，如果没有渐晕，它也会通过光栏的中心，放大镜只能放大线性的东西”这种结论。
我今天突然在ZEMAX中发现我如果做短焦的时候，比如f=2.8，看到lens data editor中相面的尺寸小于在Report/prrscription data/paraxial Image Heigh 中的象高？？请问有谁知道这个是如何产生的，为什么有这种现象☆这有什么奇怪的，难道你的系统没有畸变吗是啊，好象一个是像面上的实际像高，一个是近轴（理想）像高畸变是有正负的呀我知道了，那lens data editor中相面的尺寸是实际通光孔径，而Report/prrscription data/paraxial Image Heigh 只是理想象高，所以我觉得设计时应该以lens data editor中相面的尺寸为准，大家说对吗？错，一个点通过系统之后不可能还是一个点，是一个有大小的斑，从lens data editor中看到的数据只是最大像高的数值，不能代表实际成像的大小。
在设计的时候多考虑，软件是工具而已。
那斑竹说实际的相面尺寸应该看哪里啊，看你成像点的扩散程度由于像差的原因，实际最佳像面上每一像点（斑）大小都不一致，由于轴外（垂轴）像差的关系lens data editor中的尺寸一般系统应该够了。
光学设计软件ZEMAX简介
• 除了.ZMX文件外，还产生一个.SES文件。
两种光线追迹模式
• Sequential or Mixed Sequential/NonSequential Mode
• 序列和混合序列与非序列模式（共轴模式 ）
• Non-Sequential Mode • 非序列模式（非共轴模式）
• 用ZEMAX进行设计需要你的光学设计知 识和经验。
参考书目
• 几何光学.像差光学.设计 李晓彤著 浙江大学出版社
• 工程光学设计 萧泽新著 电子工业出版社 • 工程光学基础 徐家骅著 机械工业出版社 • 应用光学 安连生著 北京理工大学出版社 • 工程光学 郁道银、谈恒英著
机械工业出版社
ZEMAX界面
Paraxial working F/#
像空间近轴工作F数(1/2ntg)
Object Cone Angle
物空间边缘光线的半角
设定视场（Field)
可以设置12个视场，可以是下面四种形式： ﹡物方视场角（Angle(Degree)） ﹡物高（Object Height） ﹡近轴像高（Paraxial Image Height） ﹡实际像高（Real Image Height）
• 具体要求
物距100，光栏在反射镜上； 透镜厚度10，玻璃为BK7，NA=0.1，两个面的曲率 半径初始值分别为100，－100 透镜到反射镜的距离为100 物高为10，一个视场点；光源波长0.55 对spot radius进行优化 使用pick up保持曲率半径的一致
系统数据
• 包括光瞳位置与大小、倍率、F数等信息。
规格数据
• 包含了镜头的几乎所有数据。 • 包含总体数据、表面数据、表面细节、边
ZEMAX培训教程
ZEMAX培训教程Zemax是一款广泛用于光学设计和仿真的软件工具，可以帮助光学工程师和设计师在光学系统的设计过程中进行建模、优化和分析。
对于那些初次接触Zemax的用户来说，一个系统完整的培训教程是非常重要的。
本文将详细介绍Zemax的基本功能和操作流程，以帮助初学者快速上手并开始使用Zemax进行光学设计。
首先，我们来了解一下Zemax的基本概念和术语。
Zemax使用术语束源、光学元件、检测功率等来描述光学系统。
束源是输入到光学系统中的光束，可以是平行光束、点源光束或者成角度分布的光束。
光学元件则是光学系统中的各种元件，比如透镜、棱镜和反射镜等。
检测功率是用于测量光学系统输出光束的参数，比如点扩散函数（PSF）或横截面。
在使用Zemax进行光学设计之前，需要先了解一下Zemax的界面和基本操作。
首先，打开Zemax软件后，会看到一个包含菜单栏、工具栏和图形区域的界面。
菜单栏包含了各种菜单选项，可以通过点击菜单选项来执行相应的操作。
工具栏则包含了常用的工具按钮，可以通过点击按钮来执行相应的操作。
图形区域则用于显示光学系统的模型和仿真结果。
在完成光学系统的建模后，可以进行光学系统的模拟和分析。
Zemax提供了丰富的仿真功能，可以计算和显示光学系统的各项性能指标。
比如，可以计算光学系统的传输矩阵、MTF曲线和PSF图像等。
可以通过菜单选项或者工具按钮来执行相应的仿真操作，并在图形区域中显示仿真结果。
在进行光学系统的优化时，可以使用Zemax提供的优化功能来寻找最佳的设计参数。
可以选择不同的优化算法，并设置一些优化的参数。
Zemax会自动调整光学元件的参数，并计算和显示优化结果。
可以通过菜单选项或者工具按钮来执行相应的优化操作，并在图形区域中显示优化结果。
除了基本的建模、仿真和优化功能，Zemax还提供了一些高级功能和扩展模块，可以进一步扩展和增强其功能。
比如，可以使用ZOSAPI接口来开发自定义应用程序，并与其他软件进行集成。
《zemax软件培训》课件
Zemax提供了多种高级优化算法，如非线性优化、遗传算 法、模拟退火等。这些算法在处理复杂的光学系统优化问 题时具有更高的效率和可靠性。
性能评估与验证
在进行优化设计时，需要建立合理的性能评估指标，并对 优化结果进行实验验证，以确保设计方案的可行性和有效 性。
多光线追迹
01 02
多光线追迹概述
03
CHAPTER
Zemax软件高级应用
像差理论
像差理论概述
像差是光学系统设计和分析中的 重要概念，它描述了光线通过光 学系统后产生的各种畸变。了解 像差理论对于优化光学系统性能
至关重要。
常见像差类型
包括球差、彗差、场曲、畸变等 ，这些像差类型对成像质量的影 响各不相同，了解其产生原因和
特性是进行像差校正的基础。
像差校正方法
Zemax提供了多种像差校正方法 ，如优化算法、离散对数优化等 ，可以根据实际需求选择合适的 校正方法，以达到更好的成像效
果。
高级优化技术
多目标优化
在光学系统设计中，往往需要同时考虑多个性能指标，如 成像质量、系统尺寸、成本等。多目标优化技术可以帮助 我们在多个目标之间找到最佳的平衡点。
在Zemax中，可以通过设置多个子光线来执行多光线追迹。合理的子光
线数量和分布方式可以提高计算精度和效率。
光线追迹分析
光线追迹分析概述
光线追迹分析是评估光学系统性能的重要手段，通过模拟光线在系统中的传播过程，可以 深入了解系统的成像规律和性能特点。
光线追迹参数设置
在进行光线追迹分析时，需要合理设置参数，如光线数量、采样点数、折射率等。这些参 数的选择直接影响分析结果的准确性和可靠性。
调整光路
对光路进行调整和优化，提高光学系统的性 能和成像质量。
zemax初始结构参数
zemax初始结构参数Zemax是一款光学设计软件，用于模拟和优化光学系统的设计。
在使用Zemax时，我们需要确定一些初始结构参数，以便于进行后续的光学设计工作。
下面将详细介绍一些常见的初始结构参数。
1.光源参数：在Zemax中，光源参数是指光源的类型、位置、波长、亮度等。
光源类型可以是点光源、平行光源、聚光源等。
光源位置决定了系统的入射方向，一般位于光学系统的前焦点处。
波长决定了光的颜色，通常根据所设计的光学系统的应用需求来确定。
亮度表示光源的强度，一般以均匀亮度或高斯亮度来描述。
2.透镜参数：透镜是光学系统的核心元件之一，它的参数对系统的性能影响很大。
透镜参数包括透镜的类型、曲率半径、厚度、折射率等。
透镜类型可以是凸透镜、凹透镜、平面透镜等，根据设计要求选择合适的类型。
曲率半径决定了透镜的形状，一般可以根据系统需要进行调整。
透镜的厚度决定了光线通过透镜时的相位差，对于波前调制或干涉现象有重要影响。
折射率决定了光线在透镜中传播的速度和方向，一般需要根据所用材料的性质来确定。
3.棱镜参数：棱镜是光学系统中常用的元件之一，它可以改变光线的传播方向和折射角度。
棱镜参数包括棱镜的类型、入射角、折射角、厚度等。
棱镜类型可以是直角棱镜、等腰三角棱镜、重心棱镜等，根据设计需求选择合适的类型。
入射角和折射角决定了光线在棱镜中的传播方式，一般需要根据设计要求和光线的传播方向来确定。
厚度决定了光线通过棱镜时的相位差，对于干涉现象有重要影响。
4.反射镜参数：反射镜用于改变光线的传播方向，它的参数包括反射镜的类型、曲率半径、厚度等。
反射镜类型可以是平面镜、球面镜等，根据设计要求选择合适的类型。
曲率半径决定了反射镜的形状，一般可以根据系统需要进行调整。
厚度决定了光线通过反射镜时的相位差，对于干涉现象有重要影响。
5.探测器参数：在光学系统设计中，需要在某个位置上放置探测器，以测量光线的光强或波前信息。
探测器参数包括探测器的类型、位置、尺寸等。
ZEMAX-概况
ZEMAX概况ZEMAX是一套综合性的光学设计软件。
它集成了光学系统所有的概念、设计、优化、分析、公差分析和文档整理功能。
具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。
3种不同的版本：SE, XE,和EE。
ZEMAX可以模拟Sequential和non-sequential成像系统和非成像系统。
序列性（Sequential）光线追迹大多数成像系统都可以由一系列顺序排列的光学面来描述。
光线按面的顺序进行追迹。
如相机镜头、望远镜镜头、显微镜头等。
它有很多优点，如光线追迹速度快、可以直接优化和进行公差预算。
ZEMAX中的光学面可以是反射面、折射面或衍射面。
也可以建立因为光学薄膜引起的有不同透射率的光学面特性。
面之间的介质可以是各向同性的，如玻璃或空气。
也可以是任意的渐变折射率分布，折射率可以是位置、波长、温度或其它特性参数的函数。
也支持双折射材料，它的折射率是偏振态和光线角度的函数。
ZEMAX中，所有描述面的特性参数，包括形状、折射、反射、折射率、渐变折射率、热系数、透射率和衍射率都可以自定义。
非序列性（Non-sequential）光线追迹很多重要的光学系统不能用sequential光线追迹的模式描述，如复杂的棱镜、光管、照明系统、小面反射镜、非成像系统或任意形状的物件等。
而且散射和杂光也不能用序列性分析的模式。
这些系统要求用non-sequential模式，此时光线以任意的顺序打到物件上。
Non-sequential模式可以对光线传播进行更细节的分析，包括散射光或部分反射光。
进行non-sequential追迹时，ZEMAX用3D solid models光学元件，可以是任意的形状。
支持散射、衍射、渐变折射率、偏振和薄膜。
用光度学和辐射度学的单位。
Sequential 和non-sequential系统ZEMAX还可以在同一个系统中使用sequential和non-sequential光线追迹模式。
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Zemax软件的介绍
ZEMAX是美国Radiant Zemax 公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算sequential及Non-Sequential的软件。
ZEMAX 有三种不同的版本：Standard 标准版（原SE）；Professional 专业版（原EE）；Premium 旗舰版（原IE）。
1主要特色
1.1分析
提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP，*.JPG．．．等，也可存成文字文件*.txt。
1.2优化
表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用，诸如Local Optimization可以快速找到佳值，Global/Hammer Optimization可找到最好的参数。
1.3公差分析
表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义。
1.4报表输出
多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。
2应用领域
含括Projector，Camera，Scanner，Telescope，光纤耦合，照明系统、夜视系统等。
Zemax软件的界面
1Zemax软件的工作窗口
菜单栏工具栏LDE
表面类型曲率半径厚度玻璃半口径
Figure 1 Zemax默认的工作窗口
2Zemax透镜数据编辑器（LDE）
2.1表面类型
Zemax在标准面型下有平面、球面和二次曲面等选项。
LDE的Surface Type（表面类型）栏分为两列，左边一列分为OBJ、STO 和IMA三行，它们分别对应物面、光阑面和像面；右边一列的三行是左边三种表面的类型。
默认的表面类型是标准型，用Standard表示。
OBJ即物面被默认为0面。
表格 1 不同表面的二次曲面系数
2.2表面的曲率半径
Zemax中面的曲率半径有正负之分。
Zemax规定，所有线段一律以自左向右和自下向上为正，反之为负。
曲率、曲率半径及曲面与对应主面间的间隔均以曲面顶点为计算起点。
如果某一曲面的曲率中心位于该曲面顶点的右侧，那么该曲面的曲率半径和曲率都取正号，反之为负。
2.3厚度
厚度是指前、后表面顶点间的距离。
2.4玻璃类型
在Zemax中确定透镜的玻璃材料，直接用玻璃的名称，通过键盘输入。
例如要用BK7当玻璃材料，就在Glass栏输入BK7。
如果某一表面的Glass栏设置为空白，表示该面的材料为单位折射率的空气，对反射镜，可在Glass栏输入“MIRROR”。
输入的玻璃材料确定的是指从这一面开始到下一面之间的介质。
2.5半口径
半口径是指透镜口径沿径向（与光轴垂直方向）允许光线通过的实际尺寸的一半
3Zemax软件的基本对话框
3.1孔径
通过单击工具栏中的Gen按钮，会出现一个子菜单，通过它可以确定系统的孔径值、选择玻璃库，还可以给定系统的单位，默认单位是mm。
Figure 2 孔径对话框
3.2视场
单击工具栏中的Fie按钮，会出现一个确定视场的对话框。
可以在
Y-Field栏里输入视场角，默认的单位为度。
Figure 3 视场对话框
3.3波长
单击工具栏的Wav按钮，出现一个设置波长的对话框。
它最多可以输入24个波长值，它的单位是微米。
最后要确定透镜的主波长，主波长是指在对透镜的所有一级及三级特性进行分析计算时所采用的参考波长。
Figure 4 波长对话框
Zemax中的像质评价方法
1几何像差曲线
1.1球差曲线
在Zemax中点击菜单栏Anaysis>Mscellaneous>Longitudinal
Aberration，可以出现纵向球差图。
其中，纵坐标为孔径，横
坐标是球差（色球差）。
Figure 5 球差曲线图
1.2轴外细光束像差曲线
点击工具栏的Fcd按钮，弹出如下曲线图。
左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线。
，T和S分别表示子午和弧矢量。
Figure 6 轴外细光束像差曲线
2点列图
由一点发出的许多光线镜光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围弥散图形，称为点列图。
点列图表格中的数值越小成像质量越好。
Figure 7 点列图
3波像差
图中表示系统光程差曲线，三组曲线分别是三个视场的子午和弧矢方向上的光程差，不同颜色表示不同色光。
横坐标表示光束孔径大
⁄时，该小，纵坐标表示光程差。
当光学系统的最大波像差不超过λ4
光学系统的成像质量与理想系统没有显著差别。
Figure 8 光程差曲线
4调制传递函数MTF
定义MTF：一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。
它能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。
一般而言，高频传递函数反映了物体细节的传递能力，低频传递函数反映物体轮廓的传递能力，中频传递函数则反映对物体层次的传递能力。
⁄（每毫米线对），纵坐标是对比度，最横坐标是空间频率lp mm
大是1.曲线越高，表明成像质量越好。
Figure 9 MTF曲线图
在Zemax中还包括很多的像质评价方法，但以上是最常用的。