3.1概述Zemax光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件于1991年由美國(guó)的KenMoore博士開發(fā)問世。二十余年來，研發(fā)人員對(duì)軟件不斷開發(fā)和完善，每年都對(duì)軟件進(jìn)行多次更新，賦予Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)產(chǎn)品更為強(qiáng)大的功能。從2014年版本開始，Zemax公司將用于成像和照明設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)命名為OpticStudio，同時(shí)開發(fā)了LensMachanix平臺(tái)用于與Solidworks軟件合作簡(jiǎn)化光機(jī)設(shè)計(jì)過程。ZemaxOpticStudio集光學(xué)和照明設(shè)計(jì)于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)包括光學(xué)系統(tǒng)建模、光線追跡計(jì)算、像差分析和優(yōu)化及公差分析等諸多功能，并通過直觀的用戶界面，為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)方便快捷的設(shè)計(jì)工具，被廣泛用在透鏡設(shè)計(jì)、照明、激光束傳播、光纖、傳感器和其他光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中。本書主要涉及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用的軟件為ZemaxOpticStudio，書中提到的Zemax軟件均指Zemax公司的OpticStudio軟件。下一頁返回3.1概述

Zemax軟件按授權(quán)方式分為單人授權(quán)和網(wǎng)絡(luò)授權(quán)兩類，按級(jí)別分為標(biāo)準(zhǔn)版（Standard，僅有單人授權(quán)模式）、專業(yè)版（Professional）和旗艦版（Premium）三個(gè)類別。各個(gè)版本針對(duì)不同用戶的要求分別制定。其中，專業(yè)版（Professional）包含了標(biāo)準(zhǔn)版（Standard）的所有特性，并加上了非序列光線追跡和物理光學(xué)的相關(guān)功能；旗艦版（Premium）包含了專業(yè)版（Professional）的所有特性，并加上了更加完整的照明分析設(shè)計(jì)、熒光和熒光模擬，以及完整的光譜、光源和散射數(shù)據(jù)庫等功能。上一頁下一頁返回3.1概述

在光學(xué)設(shè)計(jì)上，Zemax采用序列（Sequential）和非序列（Non-Sequential）兩種模式模擬折射、反射、衍射的光線追跡。序列（Sequential）光線追跡主要用于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如照相系統(tǒng)、望遠(yuǎn)系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)等。在這一模式下，Zemax以面（Surface）作為對(duì)象來構(gòu)建一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)模型，每一表面的位置由它相對(duì)于前一表面的坐標(biāo)來確定。光線從物平面開始，按照表面的先后順序（Surface0，1，2，…）進(jìn)行追跡，對(duì)每個(gè)面只計(jì)算一次。由于需要計(jì)算的光線少，故這種模式下光線追跡速度很快。而在許多復(fù)雜的棱鏡系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、微反射鏡、導(dǎo)光管、非成像系統(tǒng)或復(fù)雜形狀的物體構(gòu)成的系統(tǒng)中，需采用非序列模式（Non-Sequential）來進(jìn)行系統(tǒng)建模；上一頁下一頁返回3.1概述

同時(shí)，在需考慮散射和雜散光的情況下，也不能采用序列光線追跡。在這種模式下，Zemax以物體（Object）作為對(duì)象，光線按照物理規(guī)則，沿著自然可實(shí)現(xiàn)的路徑進(jìn)行追跡，可以按任意順序入射到任意一組物體上，也可以重復(fù)入射到同一物體上，直到被物體攔截。計(jì)算時(shí)每一物體的位置由全局坐標(biāo)確定。對(duì)同一元件，可同時(shí)進(jìn)行穿透、反射、吸收及散射的特性計(jì)算。與序列模式相比，非序列光線追跡能夠?qū)饩€傳播進(jìn)行更為詳細(xì)的分析，包括散射光和部分反射光。但在此模式下，由于分析的光線多，故計(jì)算速度較慢。在一些較為復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中，可以同時(shí)使用序列和非序列光線追跡。根據(jù)需要，可以采用序列光學(xué)表面與任意形狀、方向或位置的非序列組件進(jìn)行結(jié)合，共同形成一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).上一頁返回3.2ZemaxOpticStudio的用戶界面ZemaxOpticStudio用戶界面的操作與其他Windows程序類似，又有其獨(dú)有的特點(diǎn)。本節(jié)將詳細(xì)介紹ZemaxOpticStudio的不同操作窗口和一些常用窗口的操作方法。本章例子采用的軟件版本為ZemaxOpticStudio18.1Premium。3.2.1主窗口運(yùn)行“ZemaxOpticStudio.exe”程序后，出現(xiàn)的就是系統(tǒng)的主窗口，如圖3?2所示。下一頁返回3.2ZemaxOpticStudio的用戶界面主窗口的作用是控制所有ZemaxOpticStudio任務(wù)的執(zhí)行。主窗口包括了標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、系統(tǒng)選項(xiàng)欄（SystemExplorer）和顯示窗口。1.標(biāo)題欄標(biāo)題欄中主要顯示所用程序版本名稱、產(chǎn)品序列號(hào)及透鏡文件名稱。在標(biāo)題欄左側(cè)的一系列小圖標(biāo)為快捷工具，可以在設(shè)置（Setup）?配置選項(xiàng)（ProjectPreferences）?工具欄（Toolbar）中，自行定義快捷工具放置于這個(gè)位置，默認(rèn)有新建（New）、另存為（SaveAs）、保存（Save）、打?。≒rint）等基本工具。上一頁下一頁返回3.2ZemaxOpticStudio的用戶界面2.菜單欄與工具欄菜單欄中的命令通常與當(dāng)前的光學(xué)系統(tǒng)相聯(lián)系，成為一個(gè)整體。菜單欄以選項(xiàng)卡的形式呈現(xiàn)，單擊任一菜單選項(xiàng)時(shí)，在菜單欄下方的工具欄中都會(huì)呈現(xiàn)與該菜單標(biāo)題相關(guān)的功能選項(xiàng)，且在每一類菜單的工具欄內(nèi)，都按照更加細(xì)化的功能分類對(duì)各類工具進(jìn)行了分區(qū)。大部分菜單命令都有相應(yīng)的鍵盤快捷鍵。在設(shè)置—配置選項(xiàng)—快捷鍵中可以看到和自定義具體的快捷鍵。比如默認(rèn)打開二維視圖（Cross-Section）可以輸入組合鍵［Ctrl］+［L］。上一頁下一頁返回3.2ZemaxOpticStudio的用戶界面3.系統(tǒng)選項(xiàng)欄（SystemExplorer）該部分可以選擇隱藏或者固定在主窗口的側(cè)面，便于編輯查看系統(tǒng)的特性參數(shù)，如系統(tǒng)孔徑、視場(chǎng)、波長(zhǎng)、玻璃庫等系統(tǒng)選項(xiàng)。4.顯示窗口此處用于放置所有的顯示窗口，包括各個(gè)編輯窗口、圖形窗口、文本窗口等。上一頁下一頁返回3.2ZemaxOpticStudio的用戶界面3.2.2編輯窗口ZemaxOpticStudio的編輯窗口主要用來輸入光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)元件參數(shù)、評(píng)價(jià)函數(shù)、公差數(shù)據(jù)等。每個(gè)編輯窗口主要由行與列構(gòu)成的電子表格和一些控制選項(xiàng)組成，使用者可以輸入數(shù)據(jù)到表格中對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行修改和優(yōu)化。通過主窗口的菜單：設(shè)置（Setup）—編輯器（Editors），可以彈出需要進(jìn)行操作的編輯窗口。序列模式（SequentialMode）下有四種編輯窗口，非序列模式（Non-SequentialMode）下有兩種編輯窗口。1.鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（LensData）2.評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器（MeritFunctionEditor）上一頁下一頁返回3.2ZemaxOpticStudio的用戶界面3.多重結(jié)構(gòu)編輯器（Multi-ConfigurationEditor）4.公差數(shù)據(jù)編輯器（ToleranceDataEditor）5.非序列元件編輯器（Non-SequentialComponentEditor）6.物體編輯器（ObjectEditor）3.2.3圖形窗口在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果、圖像數(shù)據(jù)以及對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的分析結(jié)果。ZemaxOpticStudio中采用了大量的圖形窗口來完成這一需求。上一頁下一頁返回3.2ZemaxOpticStudio的用戶界面例如，在“Analyze”分析菜單中，顯示光路的二維視圖（Cross-Section）、三維視圖（3DViewer），像質(zhì)分析中常用到的光線跡點(diǎn)（RaysandSpots）、像差分析圖（Aberrations）、MTF分析（MTF）、波前圖（Wavefront）、擴(kuò)展圖像分析（ExtendedSceneAnalysis），等等，都可以通過圖形窗口直觀顯示，如圖3?11所示。在圖形窗口菜單中，有一排快捷工具菜單，以及下拉箭頭引導(dǎo)的下拉菜單，用于對(duì)圖形窗口的顯示方式和內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置?！八⑿隆保║pdate）用來根據(jù)當(dāng)前光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行計(jì)算并刷新窗口顯示；“打印”（Print）用于窗口圖形的打印輸出，等等。下方有“圖形”（Graph）和“文本”（Text）選項(xiàng)以實(shí)現(xiàn)在窗口中針對(duì)該分析內(nèi)容進(jìn)行圖形信息和文本信息的切換。上一頁下一頁返回3.2ZemaxOpticStudio的用戶界面3.2.4文本窗口文本窗口用來列出光學(xué)系統(tǒng)的文本數(shù)據(jù)，例如：系統(tǒng)數(shù)據(jù)、表面數(shù)據(jù)、像差系數(shù)、計(jì)算數(shù)據(jù)等。在ZemaxOpticStudio中，大部分的圖形窗口中都具有文本顯示功能，以文本窗口的形式輸出圖形的相關(guān)內(nèi)容，該功能可通過圖形窗口下方“圖形”（Graph）/“文本”（Text）選項(xiàng)卡進(jìn)行切換。除此之外，一些系統(tǒng)數(shù)據(jù)也以純文本的方式展示，如圖3?12所示。上一頁下一頁返回3.2ZemaxOpticStudio的用戶界面3.2.5對(duì)話框ZemaxOpticStudio通過對(duì)話框來實(shí)現(xiàn)對(duì)命令的定制。對(duì)話框是彈出窗口，通過對(duì)話框，使用者可以使用ZemaxOpticStudio的部分分析功能。例如在執(zhí)行優(yōu)化（Optimize?。r(shí)，如圖3?13所示，可以通過對(duì)話框設(shè)定優(yōu)化的算法、使用的內(nèi)核數(shù)目、迭代次數(shù)等。與其他窗口不同的是，對(duì)話框不能通過鼠標(biāo)或鍵盤按鈕來調(diào)整大小。上一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作3.3.1建立光學(xué)系統(tǒng)模型建立光學(xué)系統(tǒng)模型是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模之前，應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)，確定選擇序列模式（Sequential）或非序列模式（Non-Sequential），這兩種模式可以在設(shè)置（Setup）菜單的模式（Mode）分類中進(jìn)行選擇。在ZemaxOpticStudio中，光學(xué)系統(tǒng)建模分為兩個(gè)方面：系統(tǒng)特性參數(shù)的輸入和初始結(jié)構(gòu)的輸入。1.系統(tǒng)特性參數(shù)輸入系統(tǒng)特性參數(shù)輸入主要是對(duì)系統(tǒng)孔徑（Aperture）、視場(chǎng)（Fields）和波長(zhǎng)（Wavelengths）等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)定。下一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作系統(tǒng)特性參數(shù)輸入可以通過專門的系統(tǒng)選項(xiàng)欄（SystemExplorer）進(jìn)行編輯，如圖3?15所示。在這個(gè)系統(tǒng)選項(xiàng)欄中，包含了光學(xué)系統(tǒng)作為一個(gè)整體的性能參數(shù)以及使用環(huán)境的要求，使用者可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行設(shè)置。對(duì)一般使用者而言，除了主要待輸入的系統(tǒng)性能參數(shù)之外，其他項(xiàng)如無特殊要求，保持默認(rèn)值即可。2.初始結(jié)構(gòu)輸入在序列模式（Sequential）下，初始結(jié)構(gòu)通過鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（LensData）界面輸入，如圖3?20所示。在這一界面中，采用表格輸入的方式，可以設(shè)定系統(tǒng)的表面（Surface）數(shù)量及序號(hào)，每一表面的面型和表面結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括半徑、厚度、玻璃材料、口徑及描述非標(biāo)準(zhǔn)面型的參數(shù)等。上一頁下一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作3.3.2像質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立之后，可以利用ZemaxOpticStudio軟件的分析功能對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。ZemaxOpticStudio具有非常強(qiáng)大的像質(zhì)分析功能。主窗口中的分析（Analyze）菜單中包含了光線跡點(diǎn)（RaysandSpots）、像差分析（Aberrations）、MTF分析（MTF）、波前圖（Wavefront）、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）、擴(kuò)展圖像分析（ExtendedSceneAnalysis）等功能，如圖3?22所示。選擇某一項(xiàng)功能后，相應(yīng)的分析結(jié)果以直觀的圖形或文本窗口的形式顯示出來，使用者可以通過對(duì)這些圖形和文本窗口提供的菜單命令進(jìn)行操作，設(shè)置需顯示或計(jì)算的內(nèi)容。上一頁下一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作ZemaxOpticStudio中的分析窗口都具有刷新（Update）菜單命令，當(dāng)系統(tǒng)特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時(shí)，可以通過刷新命令使ZemaxOpticStudio重新計(jì)算并重新顯示當(dāng)前窗口中的數(shù)據(jù)。常用的像質(zhì)分析功能有：Cross-Section：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。SpotDiagram：點(diǎn)列圖，可以以標(biāo)準(zhǔn)（Standard）、離焦（ThroughFocus）、全視場(chǎng)（FullField）、矩陣（Matrix）和結(jié)構(gòu)矩陣（ConfigurationMatrix）的方式給出點(diǎn)列圖分布圖形。Aberration：像差分析，包括光線像差圖（RayAberration）、光程差圖（OpticalPath）、光瞳像差（PupilAberration）等。上一頁下一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作Wavefront：波前圖。包括波前圖（WavefrontMap）、干涉圖（Interferogram）、傅科分析圖（FoucaultAnalysis）等。PSF：點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，ZemaxOpticStudio提供了兩種計(jì)算點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的方式，快速傅里葉變換（FFTPSF）和惠更斯方法（HuygensPSF）。MTF：計(jì)算并顯示所有視場(chǎng)的衍射光學(xué)傳遞函數(shù)，采用快速傅里葉變換（FFTMTF）或惠更斯直接積分算法（HuygensMTF）或幾何光學(xué)傳遞函數(shù)（GeometricMTF）。RMS：均方根半徑。分別繪出均方根點(diǎn)列圖半徑，波像差或斯特利爾比例數(shù)與視場(chǎng)及焦點(diǎn)變化和波長(zhǎng)的關(guān)系。上一頁下一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作EnclosedEnergy：包圍圓能量。顯示能量分布圖，以離主光線或物點(diǎn)的像的重心的距離為函數(shù)的包圍圓能量占總能量的百分比。3.3.3優(yōu)化ZemaxOpticStudio的優(yōu)化功能非常強(qiáng)大，其可以根據(jù)一個(gè)合理的起點(diǎn)和一組變量參數(shù)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)特性和像差的要求。優(yōu)化中的變量可以是光學(xué)系統(tǒng)的曲率、厚度、玻璃、二次曲面系數(shù)及其他附加參數(shù)和多重結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等。ZemaxOpticStudio通過構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)（MeritFunction），并采用一定的算法計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)的取值，由取值的大小判斷實(shí)際系統(tǒng)是否滿足約束條件及目標(biāo)的要求。上一頁下一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作ZemaxOpticStudio的算法包括阻尼最小二乘法（DampedLeastSquares，DLS）和正交下降法（OrthogonalDescent，OD）兩種，前者能夠有效優(yōu)化加權(quán)目標(biāo)值組成的評(píng)價(jià)函數(shù)，后者主要用在對(duì)非序列光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化中。對(duì)系統(tǒng)設(shè)定的約束條件或目標(biāo)值統(tǒng)稱為操作數(shù)（Operand），在ZemaxOpticStudio中采用四個(gè)英文首字母表示。操作數(shù)包括光學(xué)特性參數(shù)（如焦距EFFL、近軸放大率PMAG、入瞳位置ENPP等）、像差參數(shù)（如球差SPHA、彗差COMA、像散ASTI等）、邊界條件（中心厚度值CTVA、邊緣厚度值ETAV等）等多方面的要求。ZemaxOpticStudio提供了三百多個(gè)操作數(shù)供選擇，分別代表系統(tǒng)不同方面的約束和目標(biāo)。評(píng)價(jià)函數(shù)由系統(tǒng)所設(shè)定的操作數(shù)構(gòu)成，其定義式為上一頁下一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作式中，Wi

為各操作數(shù)權(quán)重的絕對(duì)值；Ti

為操作數(shù)設(shè)定的目標(biāo)值；V

i

為操作數(shù)的當(dāng)前值。下標(biāo)i表示操作數(shù)序號(hào)（表格中的行號(hào)）。顯然，評(píng)價(jià)函數(shù)越小，系統(tǒng)越接近于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。理想狀態(tài)下評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)為0。使用ZemaxOpticStudio的自動(dòng)優(yōu)化功能時(shí)，主要有以下步驟：設(shè)置評(píng)價(jià)函數(shù)和優(yōu)化操作數(shù)；設(shè)置優(yōu)化變量；進(jìn)行優(yōu)化。3.3.4公差分析上一頁下一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作ZemaxOpticStudio的公差分析可以模擬在加工、裝配過程中由于光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或其他參數(shù)的改變所引起的系統(tǒng)性能變化，從而為實(shí)際的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。這些可能改變的參數(shù)包括率、厚度、位置、折射率、阿貝數(shù)、非球面系數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及表面或鏡頭組的傾斜、偏心及表面不規(guī)則度等。與優(yōu)化功能類似，公差分析中把需要分析的參數(shù)用操作數(shù)表示，如TRAD表示的是曲率半徑公差。采用ZemaxOpticStudio進(jìn)行公差分析需分兩步：公差數(shù)據(jù)設(shè)置，執(zhí)行公差分析。上一頁下一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作1.公差數(shù)據(jù)設(shè)置在ZemaxOpticStudio主窗口的公差（Tolerance）菜單中選中公差分析編輯器（ToleranceDataEditor）。這一窗口用來對(duì)光學(xué)系統(tǒng)不同參數(shù)的公差范圍做出限定，同時(shí)還可以定義補(bǔ)償器來模擬對(duì)裝配后的系統(tǒng)所做的調(diào)整。一般情況下，可以采用默認(rèn)的公差數(shù)據(jù)設(shè)置，在“ToleranceDataEditor”窗口下拉菜單選擇公差向?qū)А癟oleranceWizard”選項(xiàng)。如圖3?26所示。上一頁下一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作通過這一對(duì)話框可以對(duì)各表面或元件的公差進(jìn)行設(shè)定。面型公差數(shù)據(jù)包括半徑（Radius）、厚度（Thickness）、偏心（Decenter）、傾斜（Tilt）、不規(guī)則度（Irregularity）等；折射率公差數(shù)據(jù)包括材質(zhì)的折射率指數(shù)、阿貝數(shù)等；元件可以設(shè)置的公差有偏心和傾斜。在每個(gè)數(shù)據(jù)右方的空格中可以設(shè)定公差的范圍。對(duì)話框底部的“UseFocusComp”為后焦距補(bǔ)償，這是公差分析中默認(rèn)采用的補(bǔ)償器。完成設(shè)定后，單擊“確定（OK）”按鈕返回公差數(shù)據(jù)編輯器（TolerancesDataEditor）。此時(shí)窗口中已經(jīng)根據(jù)設(shè)定的公差數(shù)據(jù)列出了不同表面或元件的公差操作數(shù)和補(bǔ)償器。上一頁下一頁返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作每一個(gè)操作數(shù)都有一個(gè)最小值（Min）和一個(gè)最大值（Max），此最小值與最大值是相對(duì)于標(biāo)稱值（Nominal）的差量。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)具體特性，使用者可以對(duì)公差操作數(shù)進(jìn)行修改，也可以加入新的操作數(shù)和補(bǔ)償器。具體操作方法與優(yōu)化評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器（MeritFunctionEditor）相似，在此不再詳述。2.執(zhí)行公差分析設(shè)定好公差操作數(shù)和補(bǔ)償器后，即可執(zhí)行公差分析。從主菜單欄中選擇公差（Tolerance）菜單，左鍵單擊公差分析（Tolerancing）按鈕，顯示公差分析對(duì)話框。對(duì)話框中包括初始設(shè)置、評(píng)價(jià)標(biāo)、蒙特卡洛分析（MonteCarlo）