实验二ZEMAX中的像质评价方法
Zemax中的像质评价方法课件
Wavefront (波像差)
可用于小像差光学系统和大像差光学系统， 同时因有瑞利标准（波像差小于λ/4波长，镜 头系统成像质量接近理想），使波像差评价 像质易被量化，只是对大像差系统时，可将 波像差容限取成2－4倍的瑞利标准; 波像差跟视场有关，由一个视场物点发出充 满入瞳面的光线，相当于一个球面波入射， 经过镜头系统后，出射波面因像差的存在发 生变形，表示存在波像差.
球差 场曲 彗差 像散 畸变 色差 垂轴色差
Fans (光扇图) Spot Diagram （几何点列图） MTF (调制传递函数) PSF (点扩散函数) Wavefront （波像差） Miscellaneous (其他或杂项)
Fans(光扇图)
由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别 在子午面内和弧矢面内，形成子午扇形光线 与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述 跟像差有关的像质指标，可统称为Fans. 共有Ray Aberration、Optical path和Pupil Aberration三种.
Field Curv/Distortion (细光束场曲与畸变)
畸变属于主光线像差，反映物象的相似程度， 如小于1％，则认为物象几乎完全相似; 畸变的基本定义，是某一视场主波长时的主 光线与像面交点离开理想像点的垂轴距离. 实际使用时，据镜头的功用还会衍生出其他 计算形式，主要有：（1）标准畸变，（2） F-Theta畸变，（3）校准(calibrated)畸变.
MTF(调制传递函数)
据计算模型的不同，可分为三类： 1) FFT MTF，基于快速傅立叶变换，先计算PSF（点 扩散函数），再由PSF→MTF； 2) Huygens MTF，基于惠更斯波面包络原理，先计算 出瞳面上的光瞳函数，然后把出瞳面细分，看成次 级光源，再向像面传递；因此计算惠更斯传函时， 要将出瞳面细分网格、也将像面细分网格采样； 3) Geometric MTF，基于几何点列图，转化成子午面 或弧矢面上的线扩散函数，再经傅立叶变换，得到 调制传递函数PX，PY）为横 轴的光程差曲线，相当于一维波像差曲线; 纵轴为光程差，以主光线所走过的光程为 基准.
Zemax课堂2 (solves求解和分析 )
Semi-Diameter solves
Semi-Diameter solves
• Automatic：根据入瞳自动调整孔径大小 • Fixed：输入为固定的值 • Pick up • Maximum：在multiple configuration中，计算所有结构中的半径值， 然后使用最大的一个值。
• Chief ray normal: 迫使光学面与近轴主光线垂直，也叫pupilcentered surface。产生没有彗差、像散或畸变的光学面； • Alplanatic(齐明的): 迫使光学面对近轴边缘光线齐明的（消球差）。 产生没有球差、彗差或像散的等光程光学面。
பைடு நூலகம்
Curvature solves
Glass solves
Glass solves
Model: 用于玻璃的优化。用三个参数：d光的折射率、Abbe数和部分色
散项。只能用于可见光，可能得到不存在的玻璃；(不常用)
• Pick up：随某个指定的面一起变化； • Substitute：用于glass optimization，它更容易且可靠。在优化时， 用hummer优化算法查到合适的玻璃。 • Offset：允许在折射率或者Abbe数上增加一个小的偏移量。用于公差 计算。
• Solve的计算是从第1个面到像面顺序进行的，对参数计算的顺序是： curvature, thickness, glass, semi-diameter, conic, parameter； • 因为curvature和thickness的求解会影响入瞳的位置，所以不允许将 依赖于光线追迹的求解放在光栏的前面（如marginal ray height）；
Thickness solves
像质评价
ray fanray fan表示是光学系统的综合误差。
它的横坐标是光学系统的入瞳标量，因此总是从-1到+1之间。
显然0的位置对应就是光轴在入瞳中心的焦点。
纵坐标则是针对主光线（发光点直穿光阑中心点的那条光线）在像面上的位置的相对数值。
由于我们在计算光路的时候，通常仅仅考虑两类光线，子午面和弧矢面。
这样对于不同的面，就有两种不同rayfan显示要概念上理解ray fan图，我们假设有一个薄透镜的光学系统。
光阑就在这个薄透镜上。
有一个在子午面上的轴外点，发出一束光线射向这个透镜，那么它在子午面的ray fan图将是这样绘制的：首先，这一束光线会射向光学系统的入瞳（同时也是光阑）上，会在子午面上有一个光束的分布。
因此他们每个对应点都将在未来的rayfan图上显示－1到＋1的横坐标。
显然主光线的位置是光阑的中点，就是0的位置。
然后这一束光线继续穿过光学系统，最后折射到像面上。
由于由像差的存在；在像面的子午面上将形成由无数光点形成的光线。
（对于理想的光学系统，还是应该形成一个点），这个线上一定会有一个点，是由主光线形成的。
这个点就作为整个像差的参考原点。
其他的各个点到这个点的位置差值就是在ray fan中对应于各个横坐标入瞳位置的纵坐标值！这样，一系列的点就可以在这个下xy的坐标系统中表示出来。
只要有足够的点，就能连接绘制一个完整的ray fan图。
这就是ray fan图的含义，它表示的是这个光学系统参照入瞳位置的像差综合值。
需要指出的是：由于有子午和弧矢两个面，因此对于每个视场的ray fan都有两个。
一个子午T（对应于PY和EY），和一个弧矢S（对应于PX和EX）。
又由于系统选择的光线不同，在每个视场的ray fan中可能会显示多个光线的不同ray fan。
zemax将会给每个视场都绘制一个ray fan图。
ray fan缺省的位置是IMA面位置，缺省的采样点是20个点等等都可以在setting 中进行重新设置。
15.-4利用ZEMAX像质优化与设计举例
15. 4利用ZEMAX 像质优化与设计举例ZEMAX 提供了十分强大的像质优化功能，可以对合理的初始光学系统结构进行优化设计。
设计中光学结构参变量可以是曲率、厚度、玻璃材料参数、圆锥系数、参数数据、特殊数据和多重结构数值数据。
本节首先，通过消色差双胶合望远镜物镜设计和参数分析，介绍利用ZEMAX 默认评价函数的优化设计过程。
然后，通过光路中有棱镜的望远物镜、显微物镜和目镜设计举例能，介绍像差补偿、几何像差控制等在ZEMAX 中的实现以及锤形( Hammer)优化的简单应用。
最后通过变焦物镜设计介绍ZEMAX 中多重结构设计实现。
15.4.1消色差双胶合望远镜物镜设计消色差双胶合物镜设计要求见表15.131)初始结构参数确定初始结构参数确定通常有两种方法，本设计采用初级像差理论求解初始结构方法。
望远系统一般由物镜、目镜和棱镜式或透镜式转像系统构成。
望远物镜是望远系统的一个组成部分，其光学特性的特点是:相对孔径和视场都不大。
因此，望远物镜设计中，校正的像差较少，一般不校正与像高的二次方以上的各种单色像差(像散、场曲、畸变)和垂轴色差，只校正球差、彗差和轴向色差。
在这三种像差中通常首先校正色差，因为初级色差和透镜形状 无关，校正了色差以后，保持透镜的光焦度不变，再用弯曲透镜的方法校正球差和彗差，对已校正的色差影响很小。
由初级像差理论可知，双胶合透镜成为消色差双胶合透镜的条件是，双胶合透镜的正负光焦度分配应满足下式:12φφφ=+，1112V V V φφ=-，2212V V V φφ=- （15.22）式中:φ、1φ，和2φ分别双胶合物镜、正透镜和负透镜的光焦度(焦距值的倒数)，1V 和2V 为正负透镜所选玻璃的阿贝数V 。
本示例中，正、负透镜的玻璃材料分别选用K9和ZF1，对应的n 1d =1.. 51637 , V 1=64. 07 , n 2d == 1. 64767 ,v 2=33. 87。
(完整版)像质评价方法
一、几何像差曲线
1、球差曲线：
球差曲线纵坐标是孔 径，横坐标是球差 （色 球差），使用这个曲 线图，一要注意球差 的大小，二要注意曲 线的形状特别是代表 几种色光的几条曲线 之间的分开程度，如 果单根曲线还可以， 但是曲线间距离很 大，说明系统的位置 色差很严重。
2、轴外细光束像 差曲线
此图表明对设定 空间频率不同视 场的子午、弧矢 MTF与离焦量的关 系，图中横坐标是 离焦量， 纵坐标是 对比度， 通过此图 可以看出各视场 的最佳焦面是否 比较一致， MTF是 否对离焦比较敏 感。此图在光学设 计后期， 精细校正 时很有用。
四、波像差
1、光程差曲线
图中几个曲线图分 别是不同视场子午 和弧矢方向上的光 程差，不同颜色表 示不同色光。下方 表格的数据为纵坐 标（光程差）的最 大值，单位一般用 波长。
1、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱTF曲线图
图中不同色的曲 线表示不同视场 的复色光（白光） MTF曲线， T 和 S 分别表示子午和 弧矢方向， 最上方 黑色的曲线是衍 射极限。 横坐标是 空间频率 lp/mm （每毫米线对）， 纵坐标是对比度， 最大是 1。曲线越 高，表明成像质量 越好。
[ 返回本章要点 ]
2、传函与离焦关 系曲线图
由一点发出的许多光线经光学系统后，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的弥散图形，称为点列图。， 点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。
图中的几个图分 别表示给定的几 个视场上不同光 线与像面交点的 分布情况。使用点 列图，一要注意下 方表格中的数值， 值越小成像质量 越好。二根据分布 图形的形状也可 了解系统的几何 像差的影响，如， 是否有明显像散 特征，或彗差特 征，几种色斑的分 开程度如何，有经 验的设计者可以 根据不同的情况 采取相应的措 施。
ZEMAX光学设计超级学习手册第2章
第2章像质评价ZEMAX提供了丰富的像质评价指标，如评价小像差系统的波像差、包围圆能量集中度；评价大像差系统的点列图、弥散圆、MTF、PSF、几何像差评价方法等。
像质评价结果也是表现形式多种多样，既有各种直观的图形表示方法，也有详细的数据报表。
我们将在本章中详细介绍。
学习目标：（1）了解分析界面中像质主窗口菜单的各项功能。
（2）熟练运用像质评价快捷工具栏。
（3）熟练掌握像质评价方法，如波前、点列图等。
（4）熟练掌握各对话框的操作，如镜头数据、波长数据等。
2.1 外形图外形图（Layout）是指通过镜头截面的外形曲线图。
主要有二维外形图、三维外形图、阴影图、原件图。
二维外形图是通过镜头YZ截面的外形曲线图；三维外形图则显示镜头系统的三维空间外形；阴影图则表示阴影的立体模型；原件图能建立光学加工图。
2.1.1 二维外形图二维外形图（2D Layout）：通过镜头YZ截面的外形曲线。
打开二维外形图对话框“2D Layout → Settings”，如图2-1所示。
图2-1 二维外形图对话框（1）First Surface：绘图的第一个面。
（2）Last Surface：绘图的最后一个面。
（3）Number of Rays：光线数目确定了每一个被定义的视场中画出的子午光线数目。
除非变迹已被确定，否则光线沿着光瞳均匀分布。
这个参数可以设置为0。
（4）Delete Vignetted：若选取，被任意面拦住的光线不画出。
（5）Suppress Frame：隐藏屏幕下端的绘画框，这可以为外形图留出更多的空间。
比例尺、地址或者其他数据都不显示。
（6）Fletch Rays：显示光线箭头。
（7）Marginal and Chief Only：只画出边缘光线和主光线。
（8）Wavelength：显示的任意或所有波长。
（9）Field：显示的任意或所有视场。
（10）Scale Factor：若比例因子设置为0，则“Fill Frame”将被选取，“Fill Frame”将缩放各面来充满画页。
光学设计ZEMAX_实验讲义
定义式为：
（1.5）
式中 为系统像方折射率，θ为高斯边缘像方光线孔径角。在计算θ过程中，认为系统无像差，按照理想系统的边缘光线追迹方法。在Aper Value中输入F数，注意前面的Image Space F/#区别。
（6）Object Cone Angle（物方锥角）
ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor），评价函数编辑器（Merit Function Editor）、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor）、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor）。
相对孔径的定义在Aperture中设置。最常用的选项解释如下：
A.Aperture
Aperture Type用于定义相对孔径，即轴上物点的光束大小。定义的种类有：
（1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）
当物体位于无限远时，可以用它来定义相对孔径，此时的Aper Value中输入具体的入瞳直径数值，选择Lens Units为Millimeter（毫米）。
表1.1例题的初始结构参数
1.4.3
1．General输入相对孔径
General功能可以由“System”→“General…”选择，还可以通过桌面上“Gen”快捷键来打开，General对话框如图1.2所示。
图1.2 General对话框
由图1.2可以看出，General对话框中具有Environment，Polarization，Misc.，Non-Sequential，Aperture，Title/Notes，Glass Catalogs，Ray Aiming等项。
ZEMAX建模及像差分析
ya ' yb ' yp ' 2
孔径和视 场的函数
25
彗差所造成的光斑
彗星状 点列图
弧矢彗差和子午彗差的关系：
初级的子子午彗差是弧矢彗差的3倍
26
不同大小彗差的照片 加光阑；
彗差的校正：
复合透镜；
非球面透镜；
不晕点---同时消除了球差和彗差的一对共轭点
慧差的校正方法
1.移动光阑的位置控制慧差（使通过镜头的束相对于光阑 具有较大的对称性，来减少慧差） 2.弯曲透镜 （可以用P、W方法来分析） 3.采用非球面。
瑞利（Reyleigh）判断和中 心点亮度
把实际波面 和理想波面之间 的光程差，作为 衡量该像点质量 优劣的指标，称 为波像差，如图 所示。
瑞利（Reyleigh）判断和中 心点亮度
4.1、瑞利判断
• 瑞利判断是根据成像波面相对理想球面波的变形程度来判断光学系统 的成像质量的。瑞利认为“实际波面与参考球面波之间的最大波像差 不超过λ/4时，此波面可看作是无缺陷的”，此判断称之为端利判断。 该判断提出了光学系统成像时所允许存在的最大波像差公差，即认为 波像差 W<λ/4时，光学系统的成像质量是良好的。 • 瑞利判断的优点是便于实际应用，因为波像差与几何像差之间的计算 关系比较简单，只要利用几何光学中的光路计算得出几何像差曲线， 由曲线图形积分便可方便地得到波像差，由所得到的波像差即可判断 光学系统的成像质量优劣。
轴向球差
L' A1h12 A2 h14 A3h16 ... L' a1U12 a2U14 a3U16 ...
垂轴球差
T ' A1h13 A2 h15 A3h17 ... T ' a1U13 a2U15 a3U17 ...
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
实验二ZEMAX 中的像质评价方法
一、实验目的
了解ZEMAX的各种像质评价方法。
二、ZEMAX的像质评价方法
ZEMAX提供丰富的像质评价指标，现结合D=0.5，相对孔径1/4、视场94°的1/6英寸CCD 广角物镜色合计参数，将主要评价结果介绍如下。
表3-1 广角物镜结构参数
序号半径R 间隔d 玻璃外径D
1 ∞0.6 K9 1.6
2 1.109 0.6 0.9
3 3.448 1.0 LAK3 1.1
4 -18.70
5 0.5 1.1
5 光阑0.1 0.35
6 -2.89 1.0 LAK3 0.41
7 -1.7 0.1 1.1
8 2.29 1.0 K9 1.1
9 -1.7378 0.6 ZF7 1.1
10 -14.791 1.1
1、几何像差曲线
(1)球差曲线（Longitudinal Aberration）
纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差）。
(2)焦点色位移（Focal Shift）
表示的是系统工作波长范围内不同波长的色光近焦距位移。
横坐标表示焦点位移，纵坐标为不同色光的波长，
整个图形以主波长的近轴焦点为参考基准。
（3）轴外细光束像差曲线（Field Curv/Dist）
左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线，纵坐标为视场，左图横坐标是场曲，右图是畸变的百分比值。
（4）子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线(Ray Fan)
横坐标表示光束孔径高度，纵坐标表示垂轴像差，EY表示δy′(子午)，EX表示δz′(弧矢)。
（5）垂轴色差（倍率色差）(Lateral Color)
横坐标表示不同色光与参考色光像高的像差，纵坐标表示视场。
图中两条AIRY表示的曲线为艾里斑范围。
2、点列图(Spot Diagram)
点列图下方给的数可以看出每个视场的RMS RADIUS（均方根半径值）、AIRY光斑半径、GEO RADIUS为几何半径（最大半径），值越小成像质量越好。
另外根据分布图形的形状也可了解系统的各种几何像差的影响，如是否有明显像散或彗差特征，几种色斑的分开程度如何等。
3、波像差
（1）光程差曲线(OPD Fan)
表示每个视场的子午和弧矢方向上的光程差。
横坐标表示光束孔径大小，纵坐标表示光程差。
（2）波面三维图(Wavefront Map)
此图是设定视场和色光的波像差三维分布图，下方表格中的数字给出了波差的峰谷值。
4、点扩散函数(PSF)和包围圆能量(Encircled Energy)
Huygens PSF表示了像面上点扩散函数的二维分布情况，并说明了点像的分布范围，
图中左下方给出了斯特列尔比（STREHL RATIO）S.D.。
Diffraction Encircled Energy为包围圆能量图，横坐标为圆半径，纵坐标为在对应圆范围内光能量占总光能的百分比，
根据占总光能30%所对应的圆半径，即可分析得到系统的分辨率极限。
5、传递函数MTF
定义调制传递函数MTF为：一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。
横坐标是空间频率lp/mm（每毫米线对），纵坐标是对比度，最大为1。
.曲线曲线越高，表明成像质量越好。