多圖預(yù)警。

感覺寫一個(gè)好的軟件使用入門比單純寫像差理論要難，像差理論只要講清楚原理和推導(dǎo)步驟就可以，軟件使用則一直感覺沒有把想說的都寫出。先貼出來，拋磚引玉吧，希望可以有更好的提供給大家。

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1.ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件

ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件是國內(nèi)最流行的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件之一。由于眾所周知的原因，國內(nèi)相關(guān)從業(yè)者學(xué)生時(shí)代接觸光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)候一般為ZEMAX，成為國內(nèi)擁有最廣大的用戶群體光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。

目前ZEMAX軟件已經(jīng)更新到16以上的版本，軟件界面等也有非常大的改變。最新的軟件界面如下圖所示，采用類似最新Office的界面風(fēng)格，軟件優(yōu)化方法、光學(xué)面型、開發(fā)語言等都有大幅度的提升，增加了一個(gè)Part Designer，可以在里面進(jìn)行光學(xué)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，方便雜光、鬼像等分析。還有光源廠家的光源庫，可以進(jìn)行照明設(shè)計(jì)與分析。結(jié)合軟件的序列和非序列功能，可以說，中小型鏡頭的設(shè)計(jì)與分析基本上可以滿足。

軟件目前有三個(gè)版本：標(biāo)準(zhǔn)版、專業(yè)版和旗艦版。不同版本的軟件功能有差異，旗艦版是功能最全的版本。括號(hào)里面的網(wǎng)址是南京光研的軟件介紹，有興趣的可以看看各個(gè)版本的差異(

簡單介紹如下：

三種不同的版本：Standard，Professional，Premium

ZEMAX有三種不同的版本：Standard、Professional和Premium。其中Standard是標(biāo)準(zhǔn)版，包含大部分工具，用于成像系統(tǒng)的序列光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；Professional是專業(yè)版，包含非序列光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、偏振光線追跡、物理光學(xué)分析和Standard中所有的功能；Premium是旗艦版，包含所有的工具及資源，適用于更高級(jí)專業(yè)用戶。包含ParkLink?、AssemblyLink?、光源模型庫、高級(jí)光路分析以及快速追跡等等。

2軟件界面介紹

本課程還是使用老版本ZEMAX軟件，課程內(nèi)容考慮再三，決定以實(shí)踐應(yīng)用為主，以鏡頭設(shè)計(jì)實(shí)例為牽引進(jìn)行軟件介紹。本文后面使用ZEMAX軟件自帶的1個(gè)例子進(jìn)行軟件使用介紹。

先介紹一下軟件的界面。

ZEMAX軟件的整體界面如下所示。

上圖中軟件界面的5個(gè)子界面分別如下

鏡頭數(shù)據(jù)編輯器

評價(jià)函數(shù)編輯器

多重結(jié)構(gòu)編輯器

公差數(shù)據(jù)編輯器

面形擴(kuò)展數(shù)據(jù)編輯器

軟件主界面的功能劃分大概如下圖所示。界面最上面是軟件Logo和鏡頭的文件夾信息。下面一欄是菜單欄，軟件的所有功能都在菜單欄內(nèi)。再往下是一行快捷操作菜單，一般也是最長使用的菜單項(xiàng)。

菜單欄的主要功能菜單有：

File：文件

Edit：編輯

System：系統(tǒng)

Analysis：分析

Tools：工具

Report：報(bào)告

Macros：宏

Extension：擴(kuò)展

Window：窗口

Help：幫助

各個(gè)部件的主要內(nèi)容如下：

Files：文件

文件菜單主要是鏡頭文件的新建、打開、保存/另存為等功能。同時(shí)包含序列/非序列混合模式和非序列模式的選擇、插入鏡頭組件和喜好設(shè)置等功能。

最下面是最近打開的鏡頭文件，顯示鏡頭文件數(shù)目可以設(shè)置。

注意每個(gè)菜單后面都有一個(gè)快捷操作間，可以在軟件主界面快速使用相應(yīng)功能，大大提供效率。

Editors：編輯

編輯菜單是軟件各子編輯器的放置處，使用過程中需要的編輯器都在此菜單中，初學(xué)時(shí)尋找編輯器其可以在此尋找并打開編輯器界面。

System：系統(tǒng)

系統(tǒng)菜單主要涉及到光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，包括視場、波長、孔徑光闌類型及值大小、系統(tǒng)的單位、玻璃庫的選擇、環(huán)境壓力與溫度等。如下圖所示。

Analysis：分析

分析菜單提供的是在設(shè)計(jì)過程及設(shè)計(jì)完成后對光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價(jià)工具。涵蓋幾何光學(xué)到物理光學(xué)的評價(jià)方式。后面鏡頭像質(zhì)評價(jià)功能主要在此菜單下的選項(xiàng)中。

Tools：工具

工具菜單中包含的主要功能是優(yōu)化功能、公差分析功能、套樣板以及其它功能，其中雜項(xiàng)菜單中有很多功能很實(shí)用，重點(diǎn)關(guān)注。

優(yōu)化有三種方式：阻尼最小二乘法、全局優(yōu)化算法、錘形優(yōu)化算法三種。阻尼最小二乘法最常使用，全局算法和錘形優(yōu)化算法屬于宏觀和微觀上的全局優(yōu)化算法，全局算法用于尋找更好的光學(xué)結(jié)構(gòu)形式，錘形算法用于在局部搜索通過小步距尋找更佳性能光學(xué)系統(tǒng)。

Report：報(bào)告

提供對鏡頭文件參數(shù)的查看功能。

Macros：宏

軟件的宏語言與宏指令運(yùn)行等功能。

Extension：擴(kuò)展

可以采用C/C++等編寫基于ZEMAX的二次開發(fā)軟件，也可以將開發(fā)的程序加入到ZEMAX中使用，便于擴(kuò)展功能。

Window：窗口

顯示當(dāng)前打開的窗口。

Help：幫助

軟件使用幫助功能。ZEMAX軟件使用的優(yōu)化操作數(shù)、多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)等，可以點(diǎn)擊F1快速查看，方便優(yōu)化中選擇操作數(shù)，特別是初學(xué)階段，非常有用。操作手冊詳細(xì)介紹了軟件各個(gè)功能和相關(guān)參數(shù)說明，便于詳細(xì)研究相關(guān)軟件功能。

ZEMAX的軟件界面基本上是這樣。最新版本的界面雖然有非常大的改變，但是就如Word2003向Word2007的轉(zhuǎn)變，熟悉基本操作后，僅有一個(gè)界面適應(yīng)期，幾乎沒有學(xué)習(xí)成本。

3.第一個(gè)鏡頭設(shè)計(jì)-經(jīng)典的單鏡頭設(shè)計(jì)實(shí)例(來源于ZEMAX user's knowledge base，侵刪)

下面以練促學(xué)，盡量把設(shè)計(jì)過程詳細(xì)的給出，從實(shí)踐中快速進(jìn)步。

3.1參數(shù)指標(biāo)單透鏡

焦距：100mm

F/#:4

半視場：5°

波長：632.8nm

物在無窮遠(yuǎn)

3.2簡單分析入瞳口徑計(jì)算

焦距為100mm，F/#為4，根據(jù)F/#定義，

F/#=焦距/光學(xué)入瞳直徑，

計(jì)算得到光學(xué)系統(tǒng)的入瞳直徑為25mm。系統(tǒng)為單波長要求

設(shè)計(jì)過程中需要考慮可加工性，包括中心厚度、邊緣厚度等。

3.3光學(xué)參數(shù)的輸入

3.3.1系統(tǒng)參數(shù)輸入

系統(tǒng)參數(shù)的輸入主要有三個(gè)方面：普通參數(shù)輸入；

波長參數(shù)輸入；

視場參數(shù)輸入。

普通參數(shù)輸入可以在System菜單中點(diǎn)擊進(jìn)入，也可以通過如下圖所示的快捷鍵進(jìn)入。

普通參數(shù)界面有10個(gè)輸入界面，分別針對不同的情況輸入。本例子中使用的是Aperture輸入界面，如下圖所示。孔徑類型我們采用入瞳口徑，值為25。設(shè)置結(jié)果如下，點(diǎn)擊Apply確認(rèn)輸入，點(diǎn)擊Ok按鈕退出。

孔徑界面中下方有兩個(gè)選項(xiàng)，一個(gè)是物方遠(yuǎn)心的選擇，一個(gè)是在更新中的解采用迭代方法。前一個(gè)在遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)中使用，后一個(gè)使用較少。

點(diǎn)擊普通參數(shù)的單位界面，如下所示，確保透鏡單位使用的是毫米單位。點(diǎn)擊Apply確認(rèn)輸入，點(diǎn)擊Ok按鈕退出。

然后輸入視場參數(shù)，視場參數(shù)輸入界面如下圖所示。從圖中可以看出，視場設(shè)置有4中類型：角度、物高、近軸像高、實(shí)際像高。四種類型根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際情況靈活選擇，后面涉及到具體鏡頭時(shí)再詳細(xì)敘述。

本例子中物體位于無窮遠(yuǎn)，所以采用角度的視場類型。

半視場5度，歸一化的0.7視場為3.5度，輸入視場設(shè)置如下圖所示。

波長設(shè)置界面如下所示。ZEMAX中波長的單位微米，和鏡頭單位沒有關(guān)系。這一點(diǎn)大家要注意。

波長為632.8納米，為0.6328微米。可以在波長界面的選擇項(xiàng)點(diǎn)擊下拉菜單，選擇氦氖激光的波長，為我們所需要的0.6328微米。也可以直接在波長欄輸入，后面有權(quán)重項(xiàng)，在多波長時(shí)可以對重要的波長增加權(quán)重。

波長設(shè)置完成后如下圖所示。

3.3.2鏡頭數(shù)據(jù)輸入

軟件的鏡頭數(shù)據(jù)便捷界面如下圖所示。表中除表頭外，每一行代表的是一個(gè)表面。空白鏡頭有三個(gè)默認(rèn)表面，一個(gè)是物面，一個(gè)是光闌面，一個(gè)是像面。這三個(gè)表面是成像光學(xué)系統(tǒng)里面必不可少的三個(gè)表面，是最簡單的鏡頭模型。針孔模型就是最簡單的鏡頭模型，大家可以和這三個(gè)表面做個(gè)對應(yīng)參考。

本例子中，單透鏡成像，一個(gè)透鏡由兩個(gè)表面，光闌面和透鏡前表面重合，加上物面和像面，有4個(gè)表面，輸入完成后如下圖所示。

Comment欄是注釋欄，可以在下面對應(yīng)的表面進(jìn)行表面的相關(guān)信息注釋。本例子的注釋如下，可以作為參考，實(shí)際可以根據(jù)需求靈活注釋，方便理解就行。

材料選用肖特的N-Bk7玻璃，是最常用的玻璃。和此玻璃對應(yīng)的成都光明玻璃為H-K9L。

解是預(yù)先編寫好的一段程序，可以根據(jù)設(shè)定的某個(gè)參數(shù)值自動(dòng)計(jì)算對應(yīng)的值。本例中，我們系統(tǒng)的F/#為4，我們將透鏡的后表面設(shè)置為“解”，類型選擇F數(shù)，具體指為4，完成后如下圖所示。

解設(shè)置完成后如下圖所示。后表面的半徑后邊小表格內(nèi)會(huì)出現(xiàn)F的字母標(biāo)識(shí)。

3.3.3性能分析

軟件的功能主要集中在Ansys。設(shè)計(jì)過程中，一般會(huì)通過Layout查看光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)顯示圖。最常看到的是MTF、Ray fans、畸變等參數(shù)必看。

本例子中我們關(guān)注Layout、Fans、Spot Diagrams參數(shù)。

未優(yōu)化前，系統(tǒng)的像質(zhì)如下圖所示：

Layout

Analysis->Layout->2D Layout

快捷鍵：快捷鍵欄的“Lay”選項(xiàng)

SpotDiagran

Analysis->Spot Diagrams->Standard

快捷鍵：快捷鍵欄的“Spt”選項(xiàng)

OPD Fan

Analysis->Fans->Optical Path

快捷鍵：快捷鍵欄的“Opd”選項(xiàng)

Ray Fan

Analysis->Fans->Ray Aberration

快捷鍵：快捷鍵欄的“Ray”選項(xiàng)

根據(jù)前面章節(jié)的像差系統(tǒng)，該鏡片有球差、慧差、離焦、場曲和像散等。

因?yàn)橄到y(tǒng)的后截距100是我們認(rèn)為給定的，沒有做調(diào)整，因此我們首先調(diào)整像面位置，查看是否有像質(zhì)提升。這個(gè)需求可以通過快速對焦的方式實(shí)現(xiàn)。

菜單位置：Tools > Miscellaneous > Quick Focus

快捷鍵："Shift+Ctrl+Q"

直接采用默認(rèn)值，點(diǎn)擊OK鍵，得到鏡頭數(shù)據(jù)變化如下圖所示。

3.3.4優(yōu)化

優(yōu)化前需要設(shè)置變量，本例中選擇3個(gè)變量。如下圖所示。

優(yōu)化變量設(shè)置好后，可以進(jìn)行優(yōu)化時(shí)評價(jià)函數(shù)的設(shè)置。一般情況下，我們先采用默認(rèn)值，自動(dòng)生成主要的優(yōu)化約束條件，然后根據(jù)設(shè)計(jì)需求，增加相應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化控制條件。ZEMAX采用的評價(jià)操作數(shù)的方式進(jìn)行評價(jià)函數(shù)的設(shè)置，相關(guān)操作數(shù)的種類和作用可以參見軟件使用手冊，也可以在網(wǎng)上下載操作數(shù)的翻譯的簡化說明文檔作為使用參考。下圖給出的是評價(jià)函數(shù)編輯器的空白設(shè)置界面。

通過采用默認(rèn)評價(jià)函數(shù)生成功能，可以得到不同評價(jià)類型的評價(jià)函數(shù)組。

按照上面設(shè)置生成的操作界面如下所示。由于是單透鏡相對簡單且透鏡后面采用了F數(shù)解設(shè)置，所以可以不通過制定系統(tǒng)焦距操作數(shù)的焦距即可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

實(shí)際過程中，我們一般在操作數(shù)DMFS前面插入行，將設(shè)計(jì)的控制操作數(shù)寫出，控制優(yōu)化的走向和透鏡形狀等。

優(yōu)化前后的評價(jià)函數(shù)值有明顯減小，表明系統(tǒng)像質(zhì)有減小。

優(yōu)化后的相應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)性能參數(shù)如下圖所示。可以從點(diǎn)列圖中看到，相比于優(yōu)化前，點(diǎn)列圖的半徑明顯變小。Ray Fan圖表明光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化后達(dá)到了最佳焦面位置。

小結(jié)

首先給出老版ZEMAX軟件的界面介紹。

通過一個(gè)單透鏡的設(shè)計(jì)，初步接觸了鏡頭系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、鏡頭參數(shù)的設(shè)置、鏡頭像質(zhì)評價(jià)、優(yōu)化評價(jià)函數(shù)的設(shè)置、優(yōu)化等等。

下一篇接著進(jìn)行單片式風(fēng)景物鏡的設(shè)計(jì)。

參考資料：

1.Zemax manual 中文手冊

2.Zemax user's knowledge base

作者：王慶豐

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總結(jié)

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