Zemax軟件設(shè)計(jì)教程課件

ZEMAX光學(xué)軟件課程ZEMAX光學(xué)軟件課程1ZEMAX簡介ZEMAX簡介2ZEMAX是一個使用光線追跡的方法來模擬折射、反射、衍射、偏振的各種序列和非序列光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)和仿真軟件。

ZEMAX的光學(xué)設(shè)計(jì)功能體現(xiàn)在使用序列模式設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)，平衡優(yōu)化成像系統(tǒng)的像差，分析評價(jià)成像質(zhì)量，給光學(xué)系統(tǒng)分配合適的公差等方面。

ZEMAX的仿真功能體現(xiàn)在使用非序列模式、物理光學(xué)傳播、熱分析等功能模擬和仿真實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)方面。

ZEMAX有三種版本：ZEMAX-SE（標(biāo)準(zhǔn)版）、ZEMAX-XE（擴(kuò)展版）、ZEMAX-EE（工程版）。只有ZEMAX-EE的功能最為全面。ZEMAX是一個使用光線追跡的方法來模擬折射、反3ZEMAX應(yīng)用ZEMAX可以用于相機(jī)鏡頭、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、照明系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、干涉儀、光通訊器件等各光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真ZEMAX應(yīng)用ZEMAX可以用于相機(jī)鏡頭、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、4ZEMAX軟件和使用手冊都不會教您如何設(shè)計(jì)鏡頭和光學(xué)系統(tǒng)。ZEMAX功能是很強(qiáng)大，但是把握和引導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化方向，判斷系統(tǒng)性能的只能是你。如果你對光學(xué)設(shè)計(jì)感興趣，推薦書單：ZEMAX不能做什么？作者書名袁旭滄/張以謨光學(xué)設(shè)計(jì)/應(yīng)用光學(xué)JosephM.GearyIntroductiontolensdesign:withpracticalZEMAXexampleGregoryHallockPracticalComputer-AidedLensDesignR.E.FischerOpticalsystemdesignSmith，WarrenModernLensDesignLaikinLensDesignZEMAX軟件和使用手冊都不會教您如何設(shè)計(jì)鏡頭和光學(xué)系統(tǒng)。Z5使用ZEMAX的三種方式Completelysequential：*應(yīng)用于傳統(tǒng)的鏡頭設(shè)計(jì)和大多數(shù)的成像系統(tǒng)*應(yīng)用這種模式時(shí)不能進(jìn)行散射和鬼象分析Hybridsequential/non-sequential*應(yīng)用于有很多序列元件，又有一些非序列元件（比如棱鏡或光管）的系統(tǒng)*必須使用“ports”作為光線進(jìn)出非序列元件組的端口Completelynon-sequential

*應(yīng)用于照明、散射和雜光分析。光線沿任何物理上有效的路徑傳輸*這種模式下非序列元件不使用“ports”使用ZEMAX的三種方式Completelysequent6Completelysequential?以光學(xué)面（surface）為對象來構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng)模型；?光線從物面開始（常為surface0）?按光學(xué)面的順序計(jì)算（surface0,1,2…），對每個光學(xué)面只計(jì)算一次；?每個面都有物空間和像空間；?需要計(jì)算的光線少，計(jì)算速度快；?可進(jìn)行analysis,Optimization及TolerancingCompletelysequential?以光學(xué)面（sur7Zemax軟件設(shè)計(jì)教程ppt課件8ZEMAX的用戶界面ZEMAX的用戶界面有四種允許輸入和分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)的窗口：?

Editors

定義和編輯光學(xué)表面和其他數(shù)據(jù)?

Graphicwindows

顯示圖形數(shù)據(jù)?

Textwindows

顯示文本數(shù)據(jù)?

Dialogboxes

編輯和回顧其他窗口或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，或者用來報(bào)告錯誤信息和其他的一些目的。ZEMAX的用戶界面ZEMAX的用戶界面有四種允許輸入和分析9ZEMAX的主窗口（1）文件菜單（File）：用于文件的打開、關(guān)閉、保存、重命名。（2）編輯菜單（Editors）：用于打開或關(guān)閉編輯器。（3）系統(tǒng)菜單（System）：用于確定整個光學(xué)系統(tǒng)的屬性。（4）分析菜單（Analysis）：不能改變鏡頭數(shù)據(jù)，只是從給定的鏡頭數(shù)據(jù)中計(jì)算出結(jié)果，用數(shù)字或圖形表示。這些結(jié)果包括輪廓圖、像差曲線圖、點(diǎn)列圖、衍射計(jì)算等等。（5）工具菜單（Tools）：可以改變鏡頭數(shù)據(jù)或?qū)φ麄€系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。這些包括優(yōu)化計(jì)算、公差、套樣板、執(zhí)行宏語言程序等。（6）報(bào)告菜單（Reports）：用文本方式記錄鏡頭設(shè)計(jì)結(jié)果。（7）宏指令菜單（Macros）：用于編輯和運(yùn)行目錄文件。（8）擴(kuò)展命令菜單（Extensions）：用于擴(kuò)展命令功能，這是ZEMAX的編輯特性。（9）幫助菜單（Help）：提供在線幫助。ZEMAX的主窗口（1）文件菜單（File）：用于文件的打開10文件菜單（File）文件菜單（File）11EditorsZEMAX中的editors本質(zhì)上是為滿足透鏡設(shè)計(jì)程序而專門設(shè)計(jì)的電子數(shù)據(jù)表：?

LensDataEditor

輸入基本的鏡頭數(shù)據(jù)，包括表面編號、注釋、表面類型、表面曲率半徑、厚度、玻璃、口徑半徑、二次常數(shù)、熱膨脹系數(shù)和膜層數(shù)據(jù)?

MeritFunctionEditor

在這里定義和編輯優(yōu)化函數(shù)?

Multi-ConfigurationEditor

給變焦距透鏡和其它的多結(jié)構(gòu)系統(tǒng)定義參數(shù)變化表?

ToleranceDataEditor

定義和編輯公差?ExtraDataEditor

一個擴(kuò)展的透鏡數(shù)據(jù)編輯器，為那些需要很多參數(shù)才能定義的表面準(zhǔn)備的，比如表面類型Binary2?Non-SequentialComponentsEditor

在這里定義光源、光學(xué)對象、探測器EditorsZEMAX中的editors本質(zhì)上是為滿足透鏡12Zemax軟件設(shè)計(jì)教程ppt課件13Editors1.鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（LensDataEditor）插入/刪除面數(shù)據(jù)（Insert/DeleteSurface0),輸入面注釋（EnteringSurfaceComments),輸入半徑數(shù)據(jù)（EnteringRadiusData）輸入厚度數(shù)據(jù)（EnteringThicknessData）輸入玻璃數(shù)據(jù)（EnteringGlassData）輸入半徑數(shù)據(jù)（Entering

Semi-Diameter)

輸入二次曲面數(shù)據(jù)（EnteringConicData）確定光闌面（DefiningtheStopSurface）、Editors1.鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（LensDataEd149.選擇面型（SelectingSurfaceType）10.各面通光口徑的確定（SpecifyingSurfaceAperture）11.設(shè)置和撤銷求解（SettingandRemovingSolves）12.LDE窗口的菜單選項(xiàng)（MenuOptions）Editors9.選擇面型（SelectingSurfaceType15GraphicandTextwindowsZEMAX的圖形和文本窗口都為評價(jià)和分析光學(xué)系統(tǒng)的性能提供了有力的幫助。ZEMAX的有些功能只支持圖形窗口（比如layout，3Dlayout）

，有些功能只支持文本窗口（如SystemData，PrescriptionData，RayTrace，SeidelCoefficients），有些功能既有圖形窗口也有文本窗口（如RayFan，OPDFan，SpotDiagram）對于后者，除了圖形窗口，如果你要查看文本窗口的內(nèi)容，點(diǎn)擊菜單欄中的“Text”GraphicandTextwindowsZEMAX的16Zemax軟件設(shè)計(jì)教程ppt課件17用來編輯其他窗口或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，比如General，F(xiàn)ieldData，WavelengthData，GlassCatalog，LensCatalogs……

Dialogboxes用來編輯其他窗口或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，比如General，F(xiàn)ield18序列模式序列模式19這種模式下的光學(xué)設(shè)計(jì)和仿真可按照下列步驟進(jìn)行：1.輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)2.輸入透鏡數(shù)據(jù)/修改透鏡數(shù)據(jù)3.檢查、分析模型，考慮是否修改透鏡數(shù)據(jù)或者考慮優(yōu)化方向4.優(yōu)化、評價(jià)模型性能5.公差分析6.出報(bào)告、畫工程圖設(shè)計(jì)過程中，第3步的結(jié)果不好的話，你可能需要返回到第2步重復(fù)設(shè)計(jì)；第4步完成后達(dá)不到期望的性能，也需要返回到第2步重復(fù)設(shè)計(jì)，直到設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足需求；但是即便如此，你也只得到了一個停留在紙上的設(shè)計(jì)方案，只有在進(jìn)行了公差分析，證實(shí)這個設(shè)計(jì)是可以加工和裝配的，設(shè)計(jì)才算基本完成，否則還是要回到第2步重復(fù)整個過程。這種模式下的光學(xué)設(shè)計(jì)和仿真可按照下列步驟進(jìn)行：20數(shù)據(jù)編輯器數(shù)據(jù)編輯器21系統(tǒng)數(shù)據(jù)需要設(shè)置三個Dialogboxes：General(Gen)-通常需要設(shè)置孔徑類型、孔徑大小、透鏡長度單位、玻璃庫等FieldData(Fie)-選定視場角的類型，設(shè)置視場角大小WavelengthData(Wav)-入射需要用到的波長，以及權(quán)重，設(shè)定哪個波長是參考波長系統(tǒng)數(shù)據(jù)需要設(shè)置三個Dialogboxes：22GenAperture決定了系統(tǒng)的入光量的多少。EPD--入瞳直徑；ImagespaceF/#--無限物距時(shí)，象空間的近軸F數(shù)；ObjectspaceNA--有限物距時(shí)，物空間數(shù)值孔徑；FloatByStopSize--根據(jù)孔徑光闌的大小變化；ParaxialWorkingF/#--無限遠(yuǎn)或有限遠(yuǎn)物距時(shí)，象空間的近軸工作F數(shù)；ObjectConeAngle—有限物距時(shí)，物空間邊緣光線與光軸的夾角GenAperture決定了系統(tǒng)的入光量的多少。23容易混淆的概念：ImageSpaceF/#；ParaxialWorkingF/#;WorkingF/#ParaxialWorkingF/#：WorkingF/#：ParaxialWorkingF/#計(jì)算公式中的θ是近軸邊緣光線與光軸的夾角；

WorkingF/#計(jì)算公式中的θ是實(shí)際邊緣光線與光軸的夾角容易混淆的概念：ImageSpaceF/#；Paraxi24WorkingF/#=1/[2sin(5.76436)]=4.97822391ParaxialWorkingF/#=1/[2tan(arccos(0.9950372))]=5.00000496WorkingF/#=1/[2sin(5.76436)]=25FieZEMAX支持4種不同視場形式：Fieldangle:XZ和YZ平面上主光線與Z軸的夾角。常用于無限共軛系統(tǒng)。Objectheight:物面上X，Y高度。常用于有限共軛系統(tǒng)。ParaxialImageheight:像面上的近軸像高。用于需要固定像的大小的設(shè)計(jì)中（只用于近軸光學(xué)系統(tǒng)中）Realimageheight:像面上實(shí)際像高。用于需要固定像幅的設(shè)計(jì)中（如cameralenses）。VDX,VDY,VCX,VCY,VAN是用來設(shè)置漸暈因子的FieZEMAX支持4種不同視場形式：VDX,VDY,VCX26WavZEMAX最多允許定義12個波長，必須指定參考波長，可以根據(jù)不同波長的重要性，設(shè)定不同的權(quán)重。波長的單位為微米。Select-〉功能可以選擇多種默認(rèn)的波長WavZEMAX最多允許定義12個波長，必須指定參考波長，可27LensDataEditor一定存在的3個表面：OBJ、STO和IMA可以隨意插入更多的表面每個表面都包括的數(shù)據(jù)有：表面類型、注釋、曲率半徑、厚度、玻璃牌號、表面的半口徑、二次常數(shù)、保留的參數(shù)0-12、熱膨脹系數(shù)和膜層參數(shù)LensDataEditor一定存在的3個表面：OBJ、28表面數(shù)據(jù)的符號規(guī)則：曲面左凸為正，右凸為負(fù)；高度向上為正，向下為負(fù)；角度從光線向光軸，順時(shí)針銳角為正，逆時(shí)針為負(fù)；厚度向右為正，向左為負(fù)表面數(shù)據(jù)的符號規(guī)則+z+y表面數(shù)據(jù)的符號規(guī)則：曲面左凸為正，右凸為負(fù)；高度向上為正，向29單個透鏡的例子目的：練習(xí)如何建立初始結(jié)構(gòu)、設(shè)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單個透鏡的例子目的：練習(xí)如何建立初始結(jié)構(gòu)、設(shè)定視場和工作波長30練習(xí)：在ZEMAX中輸入一個入瞳直徑33.33mm的雙高斯鏡頭。視場角設(shè)定0度、10度、14度，采用波長0.486，0.587，0.656，參考光為0.587，Layout如下：表面的曲率半徑依次為54.15，152.52，35.95，infinity，22.27，infinity，-25.68，infinity，-36.98，196.42，-67.148；玻璃和空氣間隙的厚度依次為：8.75，0.5，14，3.78，14.25，12.42，3.78，10.83，0.5，6.85，57練習(xí)：在ZEMAX中輸入一個入瞳直徑33.33mm的雙高斯鏡31SurfaceType1.提供了近60種的光學(xué)曲面面形，主要類型有：平面、球面、標(biāo)準(zhǔn)二次曲面、非球面、光錐面、輪胎面、折射率漸變面、二元光學(xué)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UserDefinedSurface。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。SurfaceType1.提供了近60種的光學(xué)曲面面形，主32常用的分析診斷工具常用的分析診斷工具33外形圖1.二維外形圖（2DLayout）外形圖1.二維外形圖（2DLayout）34外形圖2.三維外形圖（3DLayout）外形圖2.三維外形圖（3DLayout）353.陰影圖（ShadedModel）外形圖3.陰影圖（ShadedModel）外形圖364.元件圖（ZEMAXElementDrawing）外形圖4.元件圖（ZEMAXElementDrawing）外37Rayfanplot光線扇面圖是分析幾何像差的有力工具，值得好好學(xué)習(xí)和分析。光線扇面圖的坐標(biāo)軸是如何定義的？有什么意義呢？Rayfanplot光線扇面圖是分析幾何像差的有力工具，38

歸一化的物、入瞳坐標(biāo)。通過入瞳某一坐標(biāo)【PX，PY】的光線在像面上有唯一的位置【EX、EY】，以PX、PY為橫坐標(biāo)，EX、EY為縱坐標(biāo)，分別建立坐標(biāo)系，把通過入瞳的光線都在坐標(biāo)系里描點(diǎn)就得到了光線扇面圖歸一化的物、入瞳坐標(biāo)。通過入瞳某一坐標(biāo)【PX，PY39Zemax軟件設(shè)計(jì)教程ppt課件40離焦、球差、彗差、象散的rayfanplot純離焦的光線扇面圖。

只存在離焦時(shí)的光線扇面圖中曲線是兩條方向一致的傾斜直線，直線的斜率可正可負(fù)，取決于是正離焦還是負(fù)離焦離焦、球差、彗差、象散的rayfanplot純離焦的光線41純球差的光線扇面圖。

從光線扇面圖看到坐標(biāo)原點(diǎn)附近的曲線斜率為0，表明像面正好是近軸像面，沒有離焦。曲線整體上來說斜率為負(fù)，表示球差欠校正。純球差的光線扇面圖。從光線扇面圖看到坐標(biāo)原點(diǎn)附近的42球差和離焦的光線扇面圖。

從光線扇面圖看到坐標(biāo)原點(diǎn)附近的曲線斜率不為零，表明像面不在近軸像面，存在離焦。經(jīng)過一個拐點(diǎn)向下的一段曲線說明還有欠校正的球差存在。但是跟前面的rayfan相比，縱坐標(biāo)范圍從+-500um減小到了+-100um。說明離焦平衡了球差。球差和離焦的光線扇面圖。從光線扇面圖看到坐標(biāo)原點(diǎn)附43

三階球差的控制，我們用偶次多項(xiàng)式非球面來控制三階球差。

三階球差可以用偶次多項(xiàng)式非球面的4次項(xiàng)控制，注意看原點(diǎn)附近的曲線，沒有離焦，三階球差被控制，剩下校正過的高階球差。此時(shí)縱坐標(biāo)范圍為+-0.5um。

三階球差的控制，我們用偶次多項(xiàng)式非球面來控制三階球44偶次多項(xiàng)式非球面的4次項(xiàng)控制可以控制3階的球差，6次項(xiàng)可以控制5階的球差……你可以試試控制更高階的球差，也可以試試同時(shí)用離焦來平衡球差，看看Rayfan的曲線如何變化？偶次多項(xiàng)式非球面的公式：繼續(xù)控制5階的球差，rayfan應(yīng)該是這個樣子偶次多項(xiàng)式非球面的4次項(xiàng)控制可以控制3階的球差，6次項(xiàng)可以控45

彗差的光線扇面圖如圖所示。為了顯示出彗差的rayfan曲線，我們設(shè)計(jì)了一個有偶次非球面的透鏡，消除球差，移動透鏡前光攔的位置，消除象散，使存在的彗差是像差的主要貢獻(xiàn)，

三階彗差的曲線是歸一化入瞳坐標(biāo)的二次函數(shù)。彗差的光線扇面圖如圖所示。為了顯示出彗差的ray46

象散的光線扇面圖如圖所示。為了顯示出象散的rayfan曲線，我們還用那個有偶次非球面的透鏡，消除球差，光欄的位置在透鏡表面，消除彎曲透鏡，使彗差為零，使象散成為像差的主要貢獻(xiàn)。

象散的曲線跟離焦有些相似，但是象散的子午曲線和弧矢曲線的斜率不同，不僅是大小不同，有時(shí)侯斜率的符號也不同。而離焦的子午曲線和弧矢曲線的斜率一定相同。象散的光線扇面圖如圖所示。為了顯示出象散的ray47常見的rayfan曲線常見的rayfan曲線48OPDfan

光程差圖看上去跟rayfan很類似，橫坐標(biāo)也是歸一化的入瞳坐標(biāo)，只是縱坐標(biāo)不由光線在像面上的位置決定，它的縱坐標(biāo)是出瞳處光線的光程與主光線的光程的差值

OPDfan的設(shè)置：Plotscale:設(shè)置縱坐標(biāo)最大范圍；numberofray:光線追跡時(shí)光線的數(shù)量；Wavelength、field:用來確定正在計(jì)算時(shí)選用的波長和視場；Tangential、Sagittal:這里只能選擇OPD；usedashes:畫圖時(shí)，是采用顏色表示不同波長還是用虛線來表示；checkaperture:檢查光線是否能從表面的孔徑通過，選擇此項(xiàng)，使不能通過表面孔徑的光線不被畫出；vignettedpupil:選擇此項(xiàng)，得到的數(shù)據(jù)將反映出漸暈的存在。OPDfan光程差圖看上去跟rayfan很類似49

重新打開前面講rayfan時(shí)的各個例子，看看各個基本像差的OPD曲線的特征。你會發(fā)現(xiàn)，OPD曲線與rayfan曲線很不一樣，事實(shí)上他們有一定的聯(lián)系，比如rayfan里的離焦曲線是入瞳坐標(biāo)的一次函數(shù)，而離焦的OPD曲線是入瞳坐標(biāo)的二次函數(shù)，其他像差也是如此，他們的OPD曲線都比他們的rayfan曲線高一階。

像差常有兩種表示方法，一種是像面上的橫向光線像差，rayfan表示；一種是出瞳面上的光程差，用OPDfan表示。初級橫向光線像差一般被稱為三階的像差，而在出瞳面上，他們對應(yīng)的OPD是四階的像差重新打開前面講rayfan時(shí)的各個例子，看看各個50FieldCurv/DistplotFieldCurv/Dist可以用來分析場曲和畸變。左邊的是場曲，右邊的是畸變。

場曲圖的縱坐標(biāo)是視場角，橫坐標(biāo)是像點(diǎn)偏離近軸像面的距離，T表示子午場曲，S表示弧矢場曲。畸變圖的縱坐標(biāo)是視場角，橫坐標(biāo)是畸變百分比FieldCurv/DistplotFieldCurv51我們來看子午場曲。

從設(shè)計(jì)圖中可以看到像面是彎曲的表面，而場曲圖中的T曲線基本與y軸重合，表示子午場曲與像面重合，說明現(xiàn)在的像面就是子午場曲面，這個面上，軸外光線的像是弧矢方向的直線。我們來看子午場曲。從設(shè)計(jì)圖中可以看到像面是彎曲的表52我們來看弧矢場曲。

這次場曲圖中的S曲線基本與y軸重合，表示弧矢場曲與像面重合，說明現(xiàn)在的像面是弧矢場曲面，這個面上，軸外光線的像是子午方向的直線。我們來看弧矢場曲。這次場曲圖中的S曲線基本與y軸重53畸變的示意圖：真實(shí)主光線在像面上的高度設(shè)為H，近軸主光線在像面上的高度設(shè)為h，畸變圖中縱坐標(biāo)計(jì)算公式：

【(H-h)/h】×100%畸變的示意圖：真實(shí)主光線在像面上的高度設(shè)為H，近軸主光線在像54優(yōu)化優(yōu)化55ZEMAX優(yōu)化功能的介紹ZEMAX提供的優(yōu)化功能，可以改善那些給定了一個初始結(jié)構(gòu)、擁有一些參數(shù)變量的鏡頭的性能，當(dāng)然，前提是在合理構(gòu)建的評價(jià)函數(shù)指導(dǎo)之下。參數(shù)變量可以是表面曲率、厚度、玻璃、二次常數(shù)等。ZEMAX的評價(jià)函數(shù)由一些操作數(shù)組成，這些操作數(shù)都有它的當(dāng)前值、目標(biāo)值和權(quán)重。ZEMAX采用阻尼最小二乘法算法能優(yōu)化這個評價(jià)函數(shù)，使其最小。所以，優(yōu)化需要三個必要條件：1.通過透鏡數(shù)據(jù)編輯器構(gòu)建一個可進(jìn)行光線追跡的系統(tǒng)。2.在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中設(shè)定合適的變量。3.構(gòu)建合理的評價(jià)函數(shù)，包括指定操作數(shù)、操作數(shù)的目標(biāo)值、權(quán)重以及其他數(shù)據(jù)。

ZEMAX提供了一些很有用的默認(rèn)的評價(jià)函數(shù)。它的構(gòu)建我們后面具體分析。

ZEMAX還提供了全局優(yōu)化的工具---全局搜索和錘形優(yōu)化。他們的區(qū)別和用法，后面具體說明。ZEMAX優(yōu)化功能的介紹ZEMAX提供的優(yōu)化功能56優(yōu)化函數(shù)編輯器優(yōu)化函數(shù)編輯器里編輯你選擇的操作數(shù)，一般有八個數(shù)據(jù)域需要定義，Int1，Int2，Hx，Hy，Px，Py，Target，Weight。不同的操作數(shù)Int1，Int2的含義不一樣，Hx，Hy，Px，Py是規(guī)一化的視場和入瞳坐標(biāo)，不所有的操作數(shù)都需要定義這四個數(shù)據(jù)域。Value是操作數(shù)的當(dāng)前值，Target是操作數(shù)的目標(biāo)值，Weight是權(quán)重，Contrib是操作數(shù)在評價(jià)函數(shù)中的貢獻(xiàn)，如果這個值偏大，可以考慮把這個操作數(shù)的權(quán)重增加優(yōu)化函數(shù)編輯器優(yōu)化函數(shù)編輯器里編輯你選擇的操作數(shù)，一般有八個57優(yōu)化函數(shù)的定義和默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)優(yōu)化函數(shù)的定義為：MF表示優(yōu)化函數(shù)，Wi是操作數(shù)的權(quán)重，Vi是操作數(shù)的當(dāng)前值，Ti是操作數(shù)的目標(biāo)值。通過優(yōu)化類型，數(shù)據(jù)類型和參考的不同組合可以構(gòu)建不同的默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)。優(yōu)化類型有RMS和PVT，數(shù)據(jù)類型有wavefront、spotradius等，參考與質(zhì)心、主光線、mean三種。優(yōu)化函數(shù)的定義和默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)優(yōu)化函數(shù)的定義為：MF表示優(yōu)化58局部最小和全局最小

采用阻尼最小二乘法的優(yōu)化算法是一個很有效的方法。但是在多維參數(shù)空間中，一個復(fù)雜的透鏡設(shè)計(jì)幾乎包括了無限多個解決方案。阻尼最小二乘法從你的初始結(jié)構(gòu)出發(fā)，可能很快就陷進(jìn)一個局部的評價(jià)函數(shù)最小的方案，而找不到無限多個解決方案中評價(jià)函數(shù)最小的那個方案。如果這種情況發(fā)生，你所要做的就是進(jìn)行干預(yù)，這些干預(yù)小到權(quán)重的變化，大到重新的定義初始結(jié)構(gòu)。局部最小和全局最小采用阻尼最小二乘法的優(yōu)化算法是一59ZEMAX的全局優(yōu)化工具ZEMAX提供兩種獨(dú)立的全局優(yōu)化工具，globalsearch和hammeroptimization。它們的用途不同。全局搜索工具的使用是在給出評價(jià)函數(shù)和初始結(jié)構(gòu)的情況用它來尋找一個新的可能達(dá)到全局最小的初始結(jié)構(gòu)。它不能產(chǎn)生最終的設(shè)計(jì)方案。而錘型優(yōu)化是在發(fā)現(xiàn)了一個好的、合理的結(jié)構(gòu)后，用來尋找最終的設(shè)計(jì)方案。

全局搜索是用來搜索一個新的、有前途的初始結(jié)構(gòu)的。它會產(chǎn)生10個結(jié)構(gòu)的文件，當(dāng)搜索到新的結(jié)構(gòu)時(shí)，它會和已經(jīng)保留的10個結(jié)構(gòu)比較，更好則保留。最終會保留10個最好的結(jié)構(gòu)。錘形優(yōu)化使用的時(shí)候除了保留結(jié)構(gòu)變量時(shí)，通常還使用玻璃替換，這樣更容易找到比較好的解決方案。ZEMAX的全局優(yōu)化工具ZEMAX提供兩種獨(dú)立的全60單透鏡練習(xí)設(shè)計(jì)一個焦距100mm、F/4的單透鏡鏡頭，材料為BK7（薄透鏡焦距

，d光的n=1.516800），并且使用軸上(On-Axis)的可見光進(jìn)行分析。單透鏡練習(xí)設(shè)計(jì)一個焦距100mm、F/4的單透鏡鏡頭，材料61公差分析公差分析62簡單介紹

公差分析是完成光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后非常重要的一個步驟。因?yàn)闆]有一個光學(xué)零件是完美加工或者一個系統(tǒng)是能完美裝配的，公差分析的意義在于保證設(shè)計(jì)的性能在可接受的前提下，給零件和組裝分配可加工可裝配的公差，使得紙上的設(shè)計(jì)可以真實(shí)的實(shí)現(xiàn)。ZEMAX提供了使用簡單，但靈活強(qiáng)大的公差分配和分析能力。ZEMAX提供單個零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)的公差，包括曲率、厚度、位置、傾斜、偏心、折射率、阿貝數(shù)、其他參數(shù)的公差；也支持表面或鏡頭組的偏心、傾斜等的分析

ZEMAX分配公差時(shí)，有很多可選擇的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，包括RMS點(diǎn)半徑、RMS波前差、MTF曲線、標(biāo)準(zhǔn)誤差、用戶自定義評價(jià)函數(shù)等等

ZEMAX提供三種分析方式來分析公差，包括靈敏度分析、反靈敏度分析和montecarlo分析。

簡單介紹公差分析是完成光學(xué)系統(tǒng)設(shè)63基本流程

1.先給鏡頭定義一批適當(dāng)?shù)墓?。默認(rèn)的公差工具是好的起始點(diǎn)。然后在公差編輯器中定義你需要的其他公差操作數(shù)或是修改已有的公差操作數(shù)。

2.添加補(bǔ)償操作數(shù)，默認(rèn)的補(bǔ)償是后焦距，控制像面的位置。也可以定義其他的補(bǔ)償操作數(shù)

3.選擇合適的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，比如RMS點(diǎn)大小、MTF等

4.選擇分析模式，靈敏度分析或反靈敏度分析，執(zhí)行公差分析

5.根據(jù)分析結(jié)果放松或收緊公差

6.返回執(zhí)行第4步，直到公差合適，而且評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的變化在你接受的范圍內(nèi)?；玖鞒?.先給鏡頭定義一批適當(dāng)64默認(rèn)的公差分配工具

左邊部分是單個表面的公差分配，右邊是元件的公差默認(rèn)的公差分配工具左邊部分是單個65表面傾斜公差的分析

表面的偏心和傾斜都會讓透鏡變得有楔角，使得元件的光軸與機(jī)械軸不同心。所以一般不用同時(shí)給表面設(shè)定偏心和傾斜。而且一個元件是不是需要給兩個表面同時(shí)指定傾斜公差這個跟元件的基準(zhǔn)軸選擇有關(guān)。而裝配時(shí)，應(yīng)該保證元件的基準(zhǔn)軸與鏡筒的基軸軸重合，它們的不重合度就是單個元件組裝時(shí)的偏心和傾斜。表面傾斜公差的分析表面的偏心和傾斜都會讓透鏡變得有66靈敏度分析

靈敏度分析常用來查看哪些公差需要被放松，哪些公差需要收緊。進(jìn)行靈敏度分析時(shí)，會把每個公差的最大值或最小值單獨(dú)的帶入系統(tǒng)，其他的參數(shù)保持不變，這時(shí)計(jì)算出這個參量變化后你所選定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的變化。然后把每個參數(shù)變化時(shí)，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的變化給出來。讓你看到哪些參數(shù)的公差對評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的影響更嚴(yán)重，指導(dǎo)你有意的收緊哪些參數(shù)的公差。完成所有參數(shù)單獨(dú)的公差計(jì)算后，ZEMAX還會給出計(jì)算的統(tǒng)計(jì)變化，給出評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可估計(jì)的變化和相應(yīng)的可估計(jì)結(jié)果。這個可估計(jì)的變化的計(jì)算，采用的是RSS算法?，F(xiàn)在每個參數(shù)使用正公差時(shí)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)變化平方后加上使用負(fù)公差時(shí)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)變化的平方，然后求平均值。然后把所有參數(shù)的這個平均值加起來求和，開方。靈敏度分析靈敏度分析常用來查看哪67反靈敏度分析

反靈敏度分析有兩種：limit和increment。第一種是根據(jù)你限定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所允許的最大值來計(jì)算每個參數(shù)的公差范圍，比如你的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是優(yōu)化函數(shù)，它現(xiàn)在的值是0.5，你允許考慮公差時(shí)，它的最差結(jié)果是0.7，那么反靈敏分析會計(jì)算每個參數(shù)的公差范圍，保證優(yōu)化函數(shù)不會大于0.7

第一種是根據(jù)你限定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所允許的最大增量來計(jì)算每個參數(shù)的公差范圍，比如你的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是優(yōu)化函數(shù)，它現(xiàn)在的值是0.5，你允許考慮公差時(shí)，它的最大增量0.2，那么反靈敏分析會計(jì)算每個參數(shù)的公差范圍，保證優(yōu)化函數(shù)不會大于0.7反靈敏度分析反靈敏度分析有兩種：68Montecarlo分析

蒙特卡羅分析是考慮所有公差同時(shí)存在時(shí)，評估系統(tǒng)性能的一種方法。每一次計(jì)算分析時(shí)，所有參數(shù)的公差同時(shí)隨機(jī)的擾動，計(jì)算出性能的變化。這種計(jì)算重復(fù)很多次（每次都是獨(dú)立的），每次計(jì)算參數(shù)都有不同的一系列隨機(jī)誤差，這樣就能模擬大批量生產(chǎn)時(shí)，你的設(shè)計(jì)的性能變化。蒙特卡羅分析的計(jì)算次數(shù)肯定是越多越準(zhǔn)確，但是越慢。蒙特卡羅分析時(shí)，有四種統(tǒng)計(jì)方式來統(tǒng)計(jì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的變化。這四種統(tǒng)計(jì)方式是：正態(tài)分布、均勻分布、拋物線分布和用戶自定義分布。Montecarlo分析蒙特卡69

靈敏度分析：靈敏度分析：70

反靈敏度分析：反靈敏度分析：71

反靈敏度分析：反靈敏度分析：72ZEMAX的熱分析ZEMAX的熱分析73*光學(xué)系統(tǒng)需要熱分析，有三個因素：1.玻璃的折射率依賴于溫度和波長，相對折射率也隨壓力的變化而變化2.玻璃會隨溫度的變化而膨脹或收縮3.透鏡和透鏡之間的間隔會因?yàn)椴牧系臒崦浝淇s而改變。*用戶可以在general-〉environment里設(shè)定溫度和壓力。默認(rèn)是20攝氏度，1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。采用默認(rèn)設(shè)置可以加快折射率的計(jì)算速度*ZEMAX中默認(rèn)進(jìn)行熱分析的時(shí)，是把同一溫度和壓力應(yīng)用于系統(tǒng)的每個表面，每一部分。然而，ZEMAX也支持在同一個系統(tǒng)中設(shè)置多個溫度，進(jìn)行熱分析熱分析的基本介紹*光學(xué)系統(tǒng)需要熱分析，有三個因素：1.玻璃的折射率依賴于溫度74折射率的熱變化玻璃的絕對折射率由于溫度變化引起的變化量用下面的公式表示：注意，n是標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下的相對折射率，T是相對20攝氏度的溫度變化，溫度大于20攝氏度時(shí)，T

是正數(shù)，而D0，D1，D2，E0，E1是玻璃生產(chǎn)廠家提供的有關(guān)玻璃熱性能的參數(shù)。折射率的熱變化玻璃的絕對折射率