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ZEMAX操作数详解完全版.pdf
【ZEMAX光学设计软件操作说明详解】
第一章 简介
关于本手册的说明
ZEMAX能做什么？
ZEMAX不能做什么？
学习如何使用ZEMAX
安装过程
运行ZEMAX
有关支持的说明
缺陷修正的原则
第二章 用户界面
概述
视窗的类型
主窗口的操作方法
编辑窗口的操作
图形窗口操作
使用注释功能
文本窗口操作
对话框操作
取消长时间的计算
WINDOWS 快捷键
使用Windows剪切板
第三章 习惯用法和定义
介绍
活动结构
角放大率
切迹
后焦距
基面
主光线
坐标轴（系）
衍射极限
边缘厚度
有效焦距
入瞳直经
入瞳位置
出瞳直径
出瞳位置
额外数据
视场角和物高
光阑位移
玻璃
六边环（Hexapolar rings）
像空间F/#
像空间数值孔径（NA）
透镜单位
边缘光线
最大视场
非近轴系统
非顺序光线追迹
归一化视场和瞳面坐标
物方数值孔径
参数数据
近轴像高
近轴放大率
近轴工作F/#
主波长
曲率半径
弧矢与子午
半口径
顺序光线追迹
斯特利尔比例数
表面口径
系统孔径
厚度
全反射（TIR）
总长度
渐晕系数
波长数据
工作F/#
第四章 范例
习作一：单镜片(Singlet)
习作二：双镜片
习作三：牛顿望远镜
习作四：Schmidt-Cassegrain和aspheric corrector
习作五：multi-configuration laser beam expander
习作六：fold mirrors和coordinate breaks
第五章 文件菜单
新建（New）
打开（Open）
保存（Save）
另存为（Save as）
附加（Append）
环境（Environment）
退出（Exit）
最近用的文件（Recently used file）
第六章 编辑菜单
镜头数据(Lens Data)
Lens data editor选项菜单(Menu options)
评价函数(Merit Function)
多重数据结构 (Multi-Configuration)
公差数据(Tolerance Data)
附加数据(Extra Data)
撤销，重做，和恢复(Undo，Redo，Recover)
第七章 系统菜单
§1 全部更新（Update All）
§2 更新（Update）
§3 通用数据 （General）
§4 高级数据（Advanced）
§5 视场 （Fields）
§6 波长 （Wavelength）
§7 偏振状态 （Polarization State）
§8 下一重结构 （Next Configuration）
§9 最后结构 （Last Configuration）
第八章 分析菜单
§1 导言(Introduction)
§2 外形图(Layout)
§3 特性曲线(Fans)
§4 点列图(Spot Diagram)
§5 调制传递函数MTF
§6 点扩散函数（PSF）
§7 波前
§8 均方根
§9 包围圆能量
§10 照度
§11 像分析
§12 其他
§13 计算
§14 梯度折射率
§15 偏振
§16 镀膜
第九章 工具菜单
§1 优化 (Optimization)
§2 全局优化(Global Search)
§3 锤形优化(Hammer Optimization)
§4 消除所有的变量(Remove All Variable)
§5 评价函数列表(Merit Function Listing)
§6 公差(Tolerancing)
§7 公差列表(Tolerance Listing)
§8 公差汇总表(Tolerance Summary)
§9 套样板(Test Plate Fitting)
§10 样板列表(Test Plate Lists)
§11 玻璃库(Catalogs)
§12 镜头库(Lens Catalogs)
§13 编辑镀膜文件(Edit Coating File)
§14 给所有的面添加膜层参数(Add Coating to All Surface)
§15 镀膜列表(Coating Listing)
§16 变换半口径为环形口径(Convert Semi-Diameter to Circular Apertures)
§17 变换半口径为浮动口径 (Convert Semi-Diameter to Floating Apertures)
§18 将零件反向排列(Reverse Elements)
§19 镜头缩放(Scale Lens)
§20 生成焦距(Make Focal)
§21 快速调焦(Quick Focus)
§22 添加折叠反射镜（Add Fold Mirror）
§23 幻像发生器(Ghost Focus generator)
§24 系统复杂性测试(Performance Test)
§25 输出IGES 文件(Export IGES File)
第十章 报告菜单
§1 介绍
§2 表面数据（Surface Data）
§3 系统数据（System Data）
§4 规格数据（Prescription Data）
§5 Report Graphics 4/6
第十一章 宏指令菜单
§1 编辑/运行ZPL 宏指令
§2 更新宏指令列表
§3 宏指令名
第十二章 扩展命令菜单
§1 扩展命令（Extensions）
§2 更新扩展命令列表
§3 扩展命令名
第十三章 表面类型
§1 简介
§2 参数数据
§3 特别数据
§4 表面类型概要
§5 标准面
§ 6 偶次非球面
§7 奇次非球面
§8 近轴表面
§9 近轴XY 表面
§10 环形表面
§11 双圆锥表面
§12 环形光栅面
§13 立方样条表面
§14 Ⅰ型全息面
§15 Ⅱ型全息面
§16 坐标断点表面
§17 多项式表面
§18 菲涅耳表面
§19 ABCD矩阵
§20 另类面
§21 衍射光栅表面
§22 共轭面
§23 倾斜表面
§24 不规则表面
§25 梯度折射率1表面
§26 梯度折射率2表面
§27 梯度折射率3表面
§28 梯度折射率4表面
§29 梯度折射率5表面
§30 梯度折射率表面6
§31 梯度折射率表面7
§32 梯度折射率表面Gradium TM
§33 梯度折射率表面 9
§34 梯度折射率表面 10
§35 泽尼克边缘矢高表面
第十五章 非序列元件
介绍
NSC 对象
NSC 光源和检测器
对象放置
NSC 对象的折射和反射
NSC 对象的衍射
涂层和散射组（CSG）
偏振和薄膜涂层
表面上的涂层接触
散射
光线分离
总体情况
光线追迹
进行一个
定义多边形对象
对边形对象内的最大三角形数
STL 对象内三角形的最大数
小平面对象专门需要考虑的事项。
第十七章 优化
介绍
变量的选择
优化类型的选择
评价函数的物理意义
瞳孔综合方法的选择
设定厚度边界值(Setting thickness boundary values)
有关默认评价函数的缺陷
有关照明光束的优化
评价函数的修改
优化操作数
边界操作数的理解
MTF 操作数的使用
优化的执行
复合操作数的定义
玻璃选择的优化
特殊数据的优化
非连续群体中对象的优化
使用IMAE 操作数的优化
梯度折射率操作数的使用
用户自定义操作数
用ZPL 宏指令的优化
使用外部编译的程序的优化
使用建议
全局最佳方案
第十八章 全局优化
介绍
ZEMAX 的功能
玻璃选择的优化
使用建议
总结
第十九章 公差规定
介绍
基本流程
公差操作数
不规则表面类型的公差规定
公差控制操作数
默认公差的定义
补偿的定义
公差分析的执行
ZEMAX 是如何计算公差分析的
模式
分析法则
统计分布
Monte Carlo 分析方法
公差过程的使用
摘要
第二十章 多重结构
介绍
结构数目的定义
对于初始化多重结构的评价函数的建议
多重结构数据的求解的使用
第二十一章 玻璃目录的使用
介绍
要使用的玻璃目录的指定
玻璃目录的载入
目录数据的说明
新目录的创建
玻璃的色散公式
折射率数据的配合
熔炼号数据的配合
传播数据的定义
气体和液体的模拟
其它玻璃目录选项
废弃的目录数据
第二十二章 热分析
介绍
温度和压力的定义
折射率的计算
多个温度和压力数据的定义
要考虑热影响的那些参数的定义
在单个结构中多个环境的定义
第二十三章 偏振分析
介绍
有关偏振概念的复习
无膜表面的性质
在ZEMAX 中薄膜的定义
关于“循环索引”的使用，有一些要点：
ZEMAX 可以使用偏振分析来计算什么
第二十四章 ZEMAX 程序设计语言
介绍
创建ZPL 程序
运行ZPL 程序
ZPL 概述
ZPL 变量
ZPL 函数
函数FICL（）的使用
ZPL 字符串变量及其运算
ZPL 字符串逻辑运算
范例
第二十五章 ZEMAX 扩展
介绍
编写扩展程序的要求
传递链的建立
传递链的终止
从ZEMAX 中获取数据
大量光线的追迹
ZEMAX 如何调用客户程序
DDE_DEMO 代码
ZEMAX
光学设计软件操作说明详解
目 录
第 1 章
引
第 2 章
用户界面
第 3 章
约定和定义
第 4 章
教程
教程 1：单透镜
教程 2：双透镜
教程 3：牛顿望远镜
教程 4：带有非球面矫正器的施密特—卡塞格林系统
教程 5：多重结构配置的激光束扩大器
教程 6：折叠反射镜面和坐标断点
教程 7：消色差单透镜
第 5 章
文件菜单........................................................................................7
第 6 章
编辑菜单......................................................................................14
第 7 章
系统菜单......................................................................................31
第 8 章
分析菜单......................................................................................44
§8.1 导言...................................................................................44
§8.2 外形图...............................................................................44
§8.3 特性曲线.............................................................................51
§8.4 点列图................................................................................54
§8.5 调制传递函数 MTF.............................................................58
§8.5.1 调制传递函数..................................................................58
§8.5.2 离焦的 MTF.....................................................................60
§8.5.3 MTF 曲面.........................................................................60
§8.5.4 MTF 和视场的关系...........................................................61
§8.5.5 几何传递函数..................................................................62
§8.5.6 离焦的 MTF.....................................................................63
§8.6 点扩散函数（PSF）...........................................................64
§8.6.1 FFT 点扩散函数................................................................64
§8.6.2 惠更斯点扩散函数............................................................67
§8.6.3 用 FFT 计算 PSF 横截面..................................................69
§8.7 波前....................................................................................70
§8.7.1 波前图.............................................................................70
§8.7.2 干涉图.............................................................................71
§8.8 均方根................................................................................72
§8.8.1 作为视场函数的均方根....................................................72
§8.8.2 作为波长函数的 RMS......................................................73
§8.8.3 作为离焦量函数的均方根.................................................74
§8.9 包围圆能量.........................................................................75
§8.9.1 衍射法.............................................................................75
§8.9.2 几何法.............................................................................76
§8.9.3 线性/边缘响应.................................................................77
§8.10 照度.................................................................................78
§8.10.1 相对照度.......................................................................78
§8.10.2 渐晕图..........................................................................79
§8.10.3 XY 方向照度分布...........................................................80
§8.10.4 二维面照度...................................................................82
§8.11 像分析.............................................................................82
§8.11.1 几何像分析...................................................................82
§8.11.2 衍射像分析...................................................................87
§8.12 其他...................................................................................91
§8.12.1 场曲和畸变.....................................................................91
§8.12.2 网格畸变........................................................................94
§8.12.3 光线痕迹图.....................................................................96
§8.12.4 万用图表.........................................................................97
§8.12.5 纵向像差.........................................................................98
§8.12.6 横向色差.........................................................................99
§8.12.7 Y-Y bar图.......................................................................99
§8.12.8 焦点色位移...................................................................100
§8.12.9 色散图.........................................................................100
§8.12.10 波长和内透过率的关系...............................................101
§8.12.11 玻璃图........................................................................101
§8.12.10 系统总结图.................................................................101
§8.13 计算................................................................................103
§8.13.1 光线追迹......................................................................103
§8.13.2 塞得系数......................................................................104
第九章
工具菜单.....................................................................................108
§9.1 优化..................................................................................108
§9.2 全局优化...........................................................................108
§9.3 锤形优化...........................................................................108
§9.4 消除所有变量....................................................................108
§9.5 评价函数列表....................................................................109
§9.6 公差..................................................................................109
§9.7 公差列表..........................................................................109
§9.8 公差汇总表......................................................................109
§9.9 套样板.............................................................................109
§9.10 样板列表........................................................................111
§9.11 玻璃库............................................................................112
§9.12 镜头库............................................................................112
§9.13 编辑镀膜文件.................................................................114
§9.14 给所有的面添加膜层参数...............................................115
§9.15 镀膜列表......................................................................115
§9.16 变换半口径为环形口径................................................115
§9.17 变换半口径为浮动口径................................................116
§9.18 将零件反向排列...........................................................116
§9.19 镜头缩放......................................................................116
§9.20 生成焦距.....................................................................117
§9.21 快速调焦.....................................................................117
§9.22 添另折叠反射镜..........................................................117
§9.23 幻像发生器..................................................................118
§9.24 系统复杂性测试...........................................................120
§9.25 输出 IGES 文件...........................................................120
第十章
报告菜单..................................................................................124
§10.1 介绍.............................................................................124
§10.2 表面数据......................................................................124
§10.3 系统数据......................................................................125
§10.4 规格数据......................................................................125
§10.5 Report Graphics 4/6 ....................................................126
第十一章
宏指令菜单................................................................................127
§11.1 编辑运行 ZPL 宏指令....................................................127
§11.2 更新宏指令列表............................................................127
§11.3 宏指令名.......................................................................127
第十二章
扩展命令菜单............................................................................128
§12.1 扩展命令.......................................................................128
§12.2 更新扩展命令列表.........................................................128
§12.3 扩展命令名...................................................................128
第十三章 表面类型..................................................................130
§13.1 简介.............................................................................130
§13.2 参数数据....................................................................130
§13.3 特别数据....................................................................131
§13.4 表面类型概要.............................................................131
§13.4.1 用户自定义表面.......................................................131
§13.4.2 内含表面.................................................................132
§13.5 标准面.......................................................................136
§13.6 偶次非球面...............................................................136
§13.7 奇次非球面................................................................137
§13.8 近轴表面....................................................................138
§13.9 近轴 X-Y 表面...........................................................138
§13.10 环形表面.................................................................139
§13.11 双圆锥表面.............................................................139
§13.12 环形光栅面.............................................................140
§13.13 立方样条表面.........................................................141
§13.14 Ⅰ型全息表面.........................................................142
§13.15 Ⅱ型全息表面.........................................................143
§13.16 坐标断点表面.........................................................143
§13.17 多项式表面.............................................................145
§13.18 菲涅耳表面.............................................................145
§13.19 ABCD 矩阵..............................................................146
§13.20 另类面.....................................................................146
§13.21 衍射光栅表面.........................................................147
§13.22 共轭面....................................................................148
§13.23 倾斜表面................................................................149
§13.24 不规则表面............................................................149
§13.25 梯度折射率 1 表面.................................................150
§13.26 梯度折射率 2 表面.................................................152
§13.27 梯度折射率 3 表面..................................................152
§13.28 梯度折射率 4 表面.................................................153
§13.29 梯度折射率 5 表面.................................................154
§13.30 梯度折射率 6 表面.................................................155
§13.31 梯度折射率 7 表面.................................................156
§13.32 梯度折射率表面 Gradium TM....................................157
§13.33 梯度折射率 9 表面.....................................................160
§13.34 梯度折射率 10 表面...................................................161
§13.35 泽尼克边缘矢高表面..................................................162
第十五章
非序列元件.............................................................................162
第十七章
优化…………………………………………………….………….228
第十八章
全局优化……………………………………………….………….290
第十九章
公差规定…………………………………………………………..298
第二十章
多重结构………………………………………………….………338
第二十一章
玻璃目录的使用………………………………………….………345
第二十二章
热分析……………………………………………………………363
第二十三章
偏振分析……………………………………………………..….373
第二十四章
ZEMAX 程序设计语言…………………………………………390
第二十五章
ZEMAX 扩展…………………………………………………….478
【
简介
关于本手册的说明
ZEMAX 有三种不同的版本：ZEMAX-SE（标准版）；ZEMAX-XE（扩展
版）；ZEMAX-EE（工程版）。这本手册涵盖了所有版本的功能，如果一些功
能只在一种或者两种版本中存在，在文章中都会有标明。如果某一种功能
在 ZEMAX-XE 和 ZEMAX-EE 中能够使用，但是在 ZEMAX-SE 中没有，那么描
述时手册中用如下文字标注出来：
这一功能只在 XE 和 EE 版本中具有
如果这一功能在 ZEMAX-EE 中具有，而在 ZEMAX-XE 或者 ZEMAX-SE 中没
有，那么描述时用下面的文子标注出来：
这一功能只在 ZEMAX-EE 版本中具有
注意，XE 版本是 SE 版本的扩展；也就是说 XE 除具有 SE 的所有功能外，
还有一些其他的功能。同样，EE 版本是 XE 版本的扩展。这本手册包含微
软操作系统下 ZEMAX 的所有三个版本。
ZEMAX@为 FOCUS SOFTWARE，INC 的注册商标
ZEMAX 能做什么？
ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。
ZEMAX 的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。ZEMAX 中
有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键
以便快速使用菜单命令。手册中对使 ZEMAX 时的一些惯用方法进行了解
释，对设计过程和各种功能进行了描述。
ZEMAX 不能做什么？
ZEMAX 程序和 ZEMAX 说明文件度不会教您如何设计镜头和光学系统，
虽然程序会在光学设计和分析中起到很多的帮助，但设计者仍然是您。
ZEMAX 说明文件也不是光学设计、术语和方法论的教材，ZEMAX 的使用者
可以得到关于使用这一程序的技术支持，但并不包括对基本的光学设计原
理的指导。如果您对光学设计缺乏经验，您可以阅读下列目录中的书。
Author（作者）
Title（书名）
Bass
Born Wolf
Handbook of Optics
Principle of Optics
Fischer Tadic-Galeb
Optical System Design
Hecht
Kingslake
Laikin
Mahajan
O Shea
Optics
Lens Design Fundamentals
Lens Design，Second Edition
Aberration Theory Made Simple
Elements Modern Optical Design
Rutten and van Venrooij
Telescope Optics
Smith，Warren
Smith，Warren
Welford
Welford
Modern Lens Design
Modern Optical Eengineering
Useful Optics
Aberrations of Optics Systems
Gregory Hallock
Practical Computer-Aided Lens
Design
最重要的是，ZEMAX 不能替代工程实践。只有当有资质的工程师在检查
软件的计算结果并认为合理之后，设计才能认为是完成了。这一点在制造
成本非常高的情况下更为重要。检查 ZEMAX 的结果是工程师的责任。
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