第1 章 引 言 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
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。手册对使 ZEMAX 时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） Bass Born Wolf Fischer Tadic-Galeb Hecht Kingslake Laikin Mahajan O Shea Rutten and van Venrooij Smith，Warren Title（书名） Handbook of Optics Principle of Optics Optical System Design Optics Lens Design Fundamentals Lens Design，Second Edition Aberration Theory Made Simple Elements Modern Optical Design Telescope Optics Modern Lens Design
Smith，Warren Welford Welford Gregory Hallock
Modern Optical Eengineering Useful Optics Aberrations of Optics Systems 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。 学习如何使用 ZEMAX ZEMAX 提供一个在线帮助文件，包括 ZEMAX 的基本使用和其他主题。 要使用这一在线帮助文件，首先安装 ZEMAX，然后选择―帮助‖，从主菜单上选 择―在线帮助教程‖即可。 系统要求 ZEMAX 需要系统有 200 兆 （或者更多） 硬盘空间， 一个 CD-ROM 驱动器， 显示器分辨率至少要达到 1024× 768，为获得技术支持和程序升级，还需要有互 联网和电子邮箱。 ZEMAX 需要的内存取决于所设计的光学系统复杂程度以及所 分析的类型。对于传统的程序系统，64 兆 RAM 就足够了，这也是对内存的最 低要求。如果要设计更复杂的物体、或者广义物理光学、散射和照明分析，为进 行优化，则需要更多的内存。这些情况下，至少需要 256M，如果有 512M 则更 好。在 ZEMAX 中可以运用占据更大内存的大数组进行物理光学分析，详见―内 存需求‖部分。 多处理器的计算机 ZEMAX 的许多特点需要同时在多个处理器中运行。如果计算机中安装了 多个 CPU，ZEMAX 会自动检测到另外的处理，并进行使用。 安装过程 安装 ZEMAX 之前，请按前述要求确定是否满足的有关硬件要求。 安装加密狗 ZEMAX 是用一个硬件设备（加密狗）来进行加密保护的。加密狗只允许 同一时间一套软件被使用。如果企图同时在多台计算机上使用 ZEMAX，或者企 图解开加密狗的保护度是对软件所有者版权的侵犯， 都要受到严厉的刑事或者民 事处罚。 如果随软件一起提供的加密狗是并口类型的，将他插在计算机后面的打印 机并口上，如果是 USB 类型的，则插在 USB 口上。对于并口型加密狗，如果你 没有接打印机，直接将加密狗插入并口上；如果有打印机，则先将打印机电缆拔 下，然后将加密狗插入并口，再把打印机插在加密狗上。你的打印机，以及其他 计算机的操作， 不会由于加密狗的存在而受到影响。你不必将打印机与加密狗相 连接起来，但如果连接了，必须将打印机电源打开。当加密狗安装不正确时， ZEMAX 会提示出错信息，程序将不能运行。
运行 ZEMAX ZEMAX 安装程序会在计算机上创建一个新的程序组。要运行 ZEMAX， 在程序组中的 ZEMAX 图标上双击，即可使用。 加密狗使用原则 ZEMAX 使用一个硬件加密狗来禁止对软件的一套多用。要运行 ZEMAX， 必须将加密狗插到计算机上。加密狗能够防止同时使用多套 ZEMAX。ZEMAX 软件的注册用户可以在多台计算机上安装，只要不在同一时间使用多套软件。比 如， 使用者可以在工作单位的计算机以及家里的另外一台计算机上安装软件，但 同一时间只能使用一套。这是因为要运行 ZEMAX 必须将加密狗插在相应的计 算机上。 随软件提供的加密狗价格相当于整套软件的价格。如果加密狗丢失或者 被盗， 则需要再付整套软件的价格来重新购买。应该把加密狗视为价值相当的公 司或者私人财产来确保他安全。 有问题的加密狗，或者加密狗在使用过程中不起 作用了，只要具有当前有效的合同，都可以免费更换。但在更换之前必须将不能 使用的加密狗交回 Focus Software.Inc.公司。 如果加密狗丢失或者被盗，除非付软件的所有费用，否则不予更换。 有关支持的说明 新购买的 ZEMAX 软件有 90 天的支持的时间（如果是 2002 年 1 月 1 日后 购买的，支持期为 1 年） 。在购买新的软件后会有附加的支持。支持期与每一个 加密狗的具体情况相关。 某一个加密狗―具有支持‖是指这一加密狗的支持时间没 有到期。支持包括两方面；技术支持和软件更新。 技术支持是指由 Focus Software 公司对需要一位工程师解决的问题作出回 答。这包括通过电话、电子邮件、传真这信件解答如何使用 ZEMAX ，以及 ZEMAX 的功能加密狗的问题、程序安装或者程序的缺陷等问题。 软件更新包括扩展的新功能，程序的缺陷修正等。同时，还包含新的电子 文档的更新。对于所有享有支持的用户，可以从 Focus Software 公司的网址
下载更新程序。 如何获得技术支持 如果你在安装或者使用 ZEMAX 过程中遇到问题，请从一下几种途径中去 找你所需要的信息： 1） 查找目录表，看是否有相关主题的章节和部分； 2） 查找索引（在使用说明书后面） ，看是否有参考； 3） 查找是否有同一类型的、合适的透镜实例。 如果通过上面几种途径仍然不能找到所需要的信息，你可以通过电话、传真、或 者信件的方式来获得技术支持。 电话号码以及地址见本手册的扉页。如果是通过 电话咨询，最好能够在计算机前，面对软件进行咨询。要获得技术支持，必须保 证你所使用的 ZEMAX 加密狗是被有效支持的。 缺陷修正的原则
所有的计算机软件都存在缺陷。一个新版本发布之前，都会做很多的努力来 寻找并修正这些缺陷。然而，由于程序本身的复杂性，即便先前由一个智囊团来 完成测试工作，也不可能把所有的缺陷都找到。因此，Focus Software 公司定期 提供缺陷修正的发布信息。如果你发现了明显的错误，请通知我们，并试着分析 引起、导致缺陷的确切操作，以及这个错误是否只对你所设计的透镜出错。如果 在程序提供的例子文件中也存在同样的缺陷，要找出来就容易得多了。在具有支 持的情况下， 如果你找出的错误对程序运行造成明显影响，我们将提供免费的错 误修正服务。Focus Software 公司保留对错误所造成的影响大小进行判断的权 利。如果你的软件不在支持期内，在获得错误修正之前，必须先续延对软件的支 持。续延后您会得到一套最新版的软件。如果是由于硬件条件不兼容、不符合要 求或者不充分的原因引起的错误，或者所使用的操作系统过期，将不能得到错误 修正的服务。
第二章 用户界面
概述 本章介绍了对 ZEMAX 用户界面进行操作的一些习惯用法，以及一些常用 的窗口操作的快捷键。一旦您学会了在整个程序中通用的简单的习惯用法， ZEMAX 用起来就很容易了。在线教程中，也有逐步学习 ZEMAX 使用方法的 例子。 视窗的类型 ZEMAX 有不同类型的窗口，每类窗口完成不同的任务。这些类型有： 1、 主窗口：这个窗口有很大的空白空间，顶端有标题栏，菜单栏和工具 栏。菜单栏中的命令通常与当前的光学系统相联系，成为一个整体。 2、 编辑窗口：有六种不同的编辑1）透镜数据编辑；2）绩效函数编辑；3） 多重结构编辑；4）额外数据（ZEMAX-EE） ；5）公差数据编辑；和非顺 序组件编辑（ZEMAX-EE） 。 3、 图形窗口：这类窗口用作呈现图像数据，例如：系统图；光线扇形图 （Ran fan） ；光学传递函数（MTF） ；曲线（Dot Spot）……等等。 4、 文本窗口：用来列出文本数据，例如：指定数据、像差系数、计算数 据等。 5、 对话窗口：对话框是弹出窗口，不能改变大小。对话窗口用来改变选 项和数据，如：视场；波长；孔径光阑；表面类型等。在图像和文本窗口 中，对话框也被广泛地用来改变选项，比如改变系统图中光线的数量。除 了对话框， 所有窗口都能通过使用标准鼠标这键盘按钮进行移动和改变大 小。如果你对这些方法不熟悉，请参考有关 Windows 使用的书籍或者 Windows的说明书。 主窗口的操作方法
主窗口栏有几个菜单标题。 大部分菜单标题与这本手册后面的章节标题相对 应。从这些章节能够找到使用每一菜单项的具体方法。以下是菜单的标题： File：用于镜头文件的打开、关闭、保存、重命名； Editors：用作调用（显示）其他的编辑窗口； System: 用于确定整个光学系统的属性； Analysis：分析中的功能不是用于改变镜头数据，而是根据这些数据进行数 字计算和图像显示分析。包括：系统图（Layout） 、Ray fans， Spot diagrams，Diffraction calculations and more。 Tools：工具中的命令是可以改变镜头数据的，也可以从总体上对系统进行 计算。包括：Optimization，tolerancing，test plate fitting and more。 Reports：提供透镜设计的相关文档。包括系统数据概要；表面数据以及图 像报告等。 Macros：用来编辑和运行 ZPL macros。 Extensions：提供 ZEMAX Extensions 的功能，这是 ZEMAX 的编辑特性。 Window：从当前所有打开的窗口中选择那一个置于显示的最前面。 Help：提供在线帮助文档。 大部分菜单命令都有相应的键盘快捷键。比如：退出 ZEMAX 可以键入 Ctrl-Q。快捷键都标在了相应菜单命令旁边。在主窗口中可以使用 Ctrl-Tab 快 捷键对各种子窗口进行切换，操作后，在 ZEMAX―窗口‖菜单中罗列的下一个子 窗口就变成当前窗口。 主窗口菜单栏下面，还有一排按钮。这排按钮可以对一 些常用的命令进行快速选择。 所有按钮的功能在菜单中都能找到。按钮的标题与 文件菜单下对话框中相关的命令不完全相同， 他使用对应于对话框详细标题的三 个方便记忆的字母。 要显示这些按钮， 显示器最好使用 1024× 768 以上的分辨率。 编辑窗口的操作 编辑窗口的最基本的功能是用来输入镜头和评价函数数据。 每个编辑窗口类 似于一个由行和列构成的电子表格。每一行与每一列构成一个单元格。如果编辑 窗口是活动窗口（标题栏显示为高亮） ，就会有一个单元格显示为高亮或者相反 的颜色。这个单元格被称为活动单元格，具有输入键盘焦点。单元格的相反颜色 被称为箭头，虽然他并是通常意义下的箭头。 具有键盘焦点是指从键盘输入的任何数据都会输入到这个活动单元格中， 除 非是象箭头等控制键或者键盘组合，这些控制命令都是直接对主窗口的。要对活 动单元格中的数据进行编辑，只需要重新输入新数据并按回车键结束。 要增加单元格中是数值，可以输入一个―+‖号和增加的数，然后回车。比如， 要把 12 变成 17，只需要输入―+5‖并回车。同样，―*‖代表乘，―/‖代表除。如果 要减去一个数在减数前面加上一格符号即可。要区分输入的是减数还是负值，可 以使用空格来区分。 要对某一个单元格内容进行编辑，又不想重新出入表中所有数据，可以使单
元格变为亮，按 Backspace 或者 F2 键。左右光标键，home,end 键都可以用来辅 助编辑。鼠标可用来选择和替换文本部分。一旦单元格内容改变了，按 Eenter 结束编辑，光标还保留在当前单元格上。按上下光标键同样可以结束编辑，也可 以顺序移动光标。按下 Tab 或者 Shift-Tab 键可以结束编辑并左右移动光标。 要放弃对单元格的编辑，按 Escape 键。 左右上下光标键可以顺序移动光标。 同时按下 Control 键和上下左右光标键， 可以一次向一个方向移动一屏。Tab 或者 Shift-Tab 键也可以向左右移动光标。 Page up 和 Page down 键一次将光标移动一屏。 Ctrl-page up 和 Ctrl-Page down 将光标移动到本栏的顶端或者底端。 Home 和 end 键将光标从第一行和最后一行 之间切换。 Ctrl-home 和 Ctrl-end 可以将光标从最后一列第一行和最后一行之间 切换。 单击单元格会将光标移到其上面。在单元格上双击会弹出 solve 对话框。单击鼠 标右键也会弹出 solve 对话框。 图形窗口操作 图形窗口有一下菜单条： 刷新：这一功能根据现有设置重新计算在窗口中要显示的数据； 设置：激活控制这一窗口的对话框； 打印：打印窗口内容； 窗口：窗口菜单下有这些子菜单： 注释：详见―使用注释功能‖，注释下面的菜单有： 划线：在图形窗口中画一条直线； 文本：在图形窗口中创建并标注文字； 方框：在图形窗口中绘制方框； 编辑：允许对注释功能进行扩展编辑； 复制剪切板：将窗口内容拷贝到 Windows 的剪切板。下面的部分有详细的解 释： 输出：将显示的图形以 Windows Metafile,BMP 或者 JPG 的格式输出。JPG 格式还支持高、中、低三种图像质量。中等图像质量能够在保证图形质量的情况 下，大大减小文件的尺寸。 锁定：如果―锁定‖被选中，窗口会变为―静态‖窗口，数据不能被改变。被锁 定窗口的内容可以被打印、可以拷贝到剪切板，也可以存为一个文件。这一功能 可以用于对不同镜头文件进行比较。一旦窗口被锁定，就不能被刷新。因此，随 后打开的任何新的镜头文件可以与被锁定的窗口的数据进行对比分析。 如果窗口 被锁定了，就不能解锁。要重新计算窗口中的数据，必须把窗口关闭并打开另一 个窗口。 克隆：这个选项能够打开一个新的窗口，这一新窗口的各种设置和显示数据 与当前窗口完全相同。 这一功能有助于建立一个基于原始窗口设置的新窗口。克
隆窗口建立之后，操作与其他窗口完全一样，他可以被刷新，也可以改变设置， 完全独立于原始窗口。 长宽比： 长宽比可以选为 3× 4 （高× 宽） 的默认值， 也可以选为 3× 5， 4× 3， 5× 3。 后两种选项高度要比宽度大。默认的长宽比可以在文件的 Preferences 对话框的 Graphics 标签上进行设置。 活动光标： 当鼠标位于显示图形的活动区域时， 。活动光标会在窗口的标题上 显示鼠标所在的坐标位置。在大部分由 X、Y 两个方向表示的图形中，显示的数 值的含义是显而易见的。而在一些其他的图形中，比如三维结构图中，显示的图 形是三维物体在二维平面上的投影。如果图像被旋转，活动光标所显示的坐标值 就没有意义了。不是所有的图形都支持活动光标。活动光标的默认设置是―关‖， 但是可以通过选中这项菜单在―开‖―关‖之间切换。 通过文件菜单中的 Preferences 对话框下的 Graphics 标签创建新的图形窗口，可以将活动光标设为自动开或者 关。 结构：选择当前或者其他特定的结构进行数据显示。默认值是 ―当前值‖，这 表示在窗口中显示的数据是遵循当前的结构。有一些分析窗口，如三维结构图、 报告图形、点列图等，在―Setting‖对话框中允许选择一种或者多种结构。如果在 ―Setting‖对话框中具有这一选项，就可以替代窗口中的―结构‖菜单，这一项呈灰 色。 重叠：提供所有打开图形窗口的名单。其中任意一个都可以选择用来与当前 显示的图形进行重叠。 重叠功能有助于对两个相似的图形或者结构进行比较，用 以发现细小的变化。 文本：在新窗口中显示文本数据。不是所有的图形窗口都支持这一功能。 缩放：控制图形中小区域内图形的缩放。详见后面―使用 PAN 和缩放‖部分。 缩放菜单下的子菜单有： 放大：以当前中心位置为中心进行两倍放大； 缩小：以两倍缩小； 上一次：恢复前一次的缩放设置； 不缩放：恢复图形的完整视图。 在使用图形窗口时，有两种鼠标的快捷方式： 在图形窗口任意位置双击鼠标可以使内容更新。这与选择菜单上的刷新是一 样的。在图形窗口任意位置按下鼠标右键，会弹出设置对话框。 使用注释功能 与几种方式来对图形窗口进行注释，比如常用的划线、方框和文字。选择注 释的最简单的方法是从图形窗口的菜单栏上选择，然后再选―画线‖，―方框‖或者 ―文字‖。要画一条直线，选中―画线‖这一项，然后在直线起始端按下鼠标左键， 并拖动十字线到直线的末端，再释放鼠标键。画一个方框的步骤也大致如此。要 在窗口中添加文字， 选择―注释‖， 然后是―文字‖。 会弹出一个文字输入的对话框。
输入需要的文字，然后选择―OK‖，再在窗口中需要添加文字的部位单击鼠标。 要对直线和文字进行更为精确的控制，比如对文字字体进行设置，或者增加 更为复杂的注释，从图形窗口选择―注释‖下的―编辑‖菜单。将会弹出一个注释编 辑器窗口， 这个窗口由一个简单的文本编辑器和几个按钮构成，另外还有一个单 选框（Check Bok） ，用来使图形的注释功能禁用或者允许使用。文本编辑区域 用来定义图形的注释功能。 要插入一条新的直线， 可以使用键盘命令 Ctrl-Enter。 有几种支持的命令，每一种使用特定的语法。如： TEXT ―string‖x、y angle fontx fonty TEXT 命令用来在 x,y 确定的位置写上双引号中的文本。 文字角度由 angle 确定， 采用固定字体，这种字体的宽度和高由 fontx 和 fonty 确定。坐标使用归化单位： 图形左边缘的坐标为 x=0.0,右边 x=100.0，底边 y=0.0 以及顶部 y=100.0。原点为 屏幕是左下角。角度值用度数表示。Fontx 和 fonty 的单位可以是任意的。角度、 Fontx、fonty 的值可以不定义，此时使用的是默认值。 LINE x1 y1 x2 y2 LINE 命令用来绘制一条从 x1， y1 到 x2， y2 的直线。X 和 Y 的单位和坐标 系统与上面 TEXT 命令中的确定方法完全相同。 BOX x1 y1 x2 y2 BOX 命令以 x1， y1 和 x2， y2 为对角位置绘制一个方框。X 和 Y 的单位和坐 标系统与上面 TEXT 命令中的确定方法完全相同。 ELLIPSE x y rx ry ELLIPSE 命令以 x ，y 为中心，长半轴为 rx，短半轴为 ry 画椭圆。如果 rx 与 ry 相同，或者 ry 省略，那么画出来的是一个半径为 rx 的圆。 在注释对话框中有几个按钮： OK：接受显示的注释并退出。 Cancle：恢复为原先的注释并退出。 SAVE：打开―保存为‖对话框，可以按给定的文件名对注释进行保存。 LOAD：打开装载对话框，可以选择装载文件。装载进来的文件包含有注释。 RESET：清除编辑缓存。 HELP：在线帮助功能。 使用移动和缩放功能 任何图形窗口都可以被移动（左右上下移动）或者被缩放。要激活移动和缩放功 能，选择任意 ZEMAX 的图形窗口，在窗口任何位置单击鼠标左键并持续按住 1/2 秒钟，这时光标将由箭头变为十字。向右下方拖动鼠标，当出现的矩形框大 小覆盖需要聚焦放大的区域后，释放鼠标。选中的区域会放大到充满整个窗口， 但是图形的纵横比仍然保持不变。要进行移动，拖动窗口边缘的滚动按钮。只有 当图形被放大后，才允许对图形进行移动。 要将图形恢复到原始尺寸，从图形窗口的菜单栏中选择―缩放‖―不缩放‖即可。
使用移动和缩放功能时，可以使用键盘快捷键。详见本章―常用快捷键总结‖表。 文本窗口操作 文本窗口有以下菜单条： 刷新：使用当前设置，重新计算窗口中显示的数据； 设置：激活控制窗口选项的对话框。 打印：打印窗口内容； 窗口：有五个子菜单： 复制剪切板：将窗口内容复制到 Windows 剪切板。下面有详细的介绍。 保存文本：将显示文本数据保存为 ASCII 文件； 锁定窗口：如果选择此项，窗口会变为静态窗口，其中数据不能改变。锁 定窗口中的内容可以被打印、复制到剪切板，和保存到一个文件中。这一功能应 用于对不同的镜头文件数据结果进行对比。一旦窗口被锁定，就不能刷新，所以 后被载入的新镜头文件就可以与它进行对比分析。窗口被锁定后，就不能解锁。 要对窗口的数据进行重新计算，必须关闭此窗口，重新打开。 克隆： 这一选项会打开一个新的窗口，新窗口的设置和显示的数据与当前 窗口完全一致。 这一功能有助于建立一个基于原始窗口设置的新窗口。克隆窗口 被建立之后，与其他窗口完全一样，可以被刷新，也可以独立于第一窗口改变设 置。 结构：为显示数据选择当前或者任意结构。默认值是―当前‖，这表示在窗 口中显示的数据是遵循当前激活的机构的。 文本窗口中有两种鼠标的快捷方式： 在图形窗口任意位置双击鼠标可以使内容更新。 这与选择菜单上的刷新是一 样的。 在图形窗口任意位置按下鼠标右键，会弹出设置对话框。 对话框操作 大部分对话框都有自说明文件。一般来说 Windows 的对话框都有 OK 和 Cancle 按钮。 分析功能中（比如 Ray Fan Plot）的对话框可以对不同选项进行选择。这种对话 框有六个按钮。 确定（OK） ：按照当前选项，重新计算和显示数据； 取消（Cancle） ：恢复对话框激活当前的选项，不重新计算数据； 保存：将当前选项保存作为以后的默认设置。下面有详细的解释； 载入：载入之前保存的默认值。下面有详细的解释； 复位：将默认值复位为出厂设置； 帮助：启动 ZEMAX 帮助系统。 保存和载入按钮具有双重功能。 当保存按钮被按下时，当前设置被保存到当前镜 头文件中，同时，其他所有没有特定设置的镜头也按此进行设置。比如，镜头 A
载入时，在系统图中光线数目设为 15，然后按下保存按钮，A 的默认光线数目 就被设为 15。而后建立的其他新镜头，或者没有特定设置的原有镜头，也会将 15 条光线作为默认值。假设又载入镜头 B，光线数要变为 9，也按下保存按钮。 对于 B，以及其他没有特定设置的镜头，默认值就变成了 9。但是，原来的镜头 A 仍保持 15 的设置，因为它有自己的特定设置。载入按钮也是一样的。当按下 载入按钮时，ZEMAX 会检查是否这一镜头之前有过设置。如果有，相应的设置 也被载入。如果没有，ZEMAX 就载入对所有镜头适用的最后一次的设置。还用 上面的例子，如果载入一个新的镜头 C，由于最后一次的保存设置光线数为 9， 它的光线数也是 9，而 A 和 B 载入时，设置分别为 15 和 9，这是因为他们都有 属于自己的设置。 保存和载入的设置被保存在与镜头文件同名的文件中，但扩展名由 ―ZMX‖ 变为―CFG‖。CFG 文件中没有镜头数据，而只是对没有分析功能进行的用户设 置。 对话框中的另外选项可以使用键盘和鼠标进行选择。使用键盘时，用 Tab 和 Shift-Tab 键进行移动选择。空格键可以对单选框进行切换。光标键可以对下拉 项进行选择。在下拉框中按下任意选项的首字母也可以选择该项。 取消长时间的计算 一些 ZEMAX 的工具需要较长的计算时间。比如优化、全局优化、公差分 析等， 他们的运行可以需要几秒钟， 也可能需要好几天。 要中断这些功能的运行， 可以按下显示的―中断‖按钮。按下后，ZEMAX 会退出计算，回到主程序的控制 中。一般来说，计算的结果就得不到了，而且也不会显示出来。 一些分析功能（MTF 和图像分析功能） ，在一些情况可能运行很长的时间。 比如 MTF 计算时采用非常大的网格数，或者在进行象质分析时采用的光线密度 非常大， 这都需要长时间的计算。 然而， 因为分析功能是直接在窗口中显示输出， 窗口中没有状态进程框，也没有中断按钮，这种情况下，键盘命令―Escape”就用 来中断长时间的计算。没有相应的鼠标动作，只有 Escape 可以使用。 Escape 键可以中断 MTF , PSF , Encircled 能量， 和其他衍射的计算。 如果 Escape 键被按下了，会回到对主程序的控制中（需要 1 到 2 秒的时间） ，在窗口中显示 的数据是无效的。对于象质分析功能，Escape 键中断对新的光线的追迹计算， 但是，已经追迹的光线还是会显示出来，即使不完整，光线的数据也是正确的。 常用快捷键总结 下面的表格总结了常用的快捷键，包括对键盘和鼠标的操作 ZEMAX 快捷键 动作 Ctrl+Tab Ctrl+字母 结果 从窗口到窗口移动输入焦点 是许多 ZEMAX 工具和功能的快捷键。 比如，Ctrl+L 显 示二维结构图。菜单旁边列出了所有的键盘快捷键。
很多功能也使用功能键作为快捷键。菜单旁边列出了相 应的快捷功能键。 当一个编辑窗口具有输入焦点时，运用 Backspace 键可 以对高亮的单元格进行编辑。按下 Backspace 键后，鼠 标和左右光标键可以用来进行编辑。 如果鼠标在图形和文本窗口中，双击会使窗口内容重新
双击鼠标左键
计算和重绘。这与选择刷新完全一致。对于编辑窗口， 可以产生 solves 对话框。 在图形和文本窗口中，击鼠标右键会弹出对窗口进行设
置的对话框。这与选择―设置―完全一样。对于编辑窗口， 可以产生 solves 对话框。 在编辑窗口中移动到下一个单元格，在对话框中移动到 下一区域。 在编辑窗口中移动到前一个单元格，在对话框中移动到 前一区域。 在表格编辑器中，移动到当前编辑器的左上角/左下角； 在文本窗口中， 移动到窗口的顶部/底部； 在图形窗口中， 放大/缩小 在表格编辑器中，移动到当前编辑器的右上角/右下角； 在图形窗口中，上一次缩放/恢复原状态 在表格编辑器中，一次移动一个单元格；在三维图形窗 口中，绕 X、Y 旋转视图。 在表格编辑器中，一次移动一屏；在图形窗口中，向左 右上下移动。 在表格编辑器中，一次向上或者向下移动一屏；在三维 图形窗口中，绕 Z 旋转视图。 在表格编辑器中，移动到一列的顶端或者底部。 WINDOWS 快捷键
Tab Shift+Tab
Ctrl+Home/End 箭头（左右上下） Ctrl+箭头 （左右上下） Page Up/Down Ctrl+PageUp/Down
动作 ALT+TAB CTRL+ESC ALT ALT+字母 之间切换时非常有用
结果 在当前运行的运用程序之间切换在 ZEMAX 与其他应用程序 弹出 Windows 任务栏，可以选择其他应用程序。 选中当前应用程序的顶部菜单条 选中菜单中具有相应字母的选项。比如，ALT+F 选中文件菜 单
TAB 空格键 回车 字母
移动到下一选项或者区域 在单选框的开启或者关闭之间切换 在对话框中与按下高亮或者默认的按钮等效 在下拉框中按下一个词的首字母可以选中该项。
SHIFT+TAB 移动到前一选项或者区域
使用 Windows 剪切板 Windows 中一个非常有用的工具就是剪切板。剪切板是图形与文本的―保留 区域―。使用剪切板的优点在于，几乎所有的 Windows 程序都可以对剪切板进行 导入和输出。 ZEMAX 最基本的功能就是用来产生图形和文字数据， 它只支持对剪切板的 输出。一旦锁需数据拷贝到剪切板，其他的应用程序，诸如文字处理器，图像编 辑器，或者桌面印刷系统就可以很容易低重新应用这些数据。比如，这本手册中 的图形就是 ZEMAX 产生后，拷贝到剪切板，然后再从剪切板粘贴到桌面印刷 系统程序中的。 要使 ZEMAX 的图形和文本输出到剪切板中是非常简单的。选择所需要的 图形和文本，然后选择菜单中的―窗口‖，―复制到剪切板‖即可。表面上看不到任 何变化（数据的传送非常快） ，但是数据就可以被其他应用程序使用了 现在要把剪切板数据输送到一个文字处理程序中，运行这一程序，现在―粘 贴‖，这一选项一般在程序的―编辑‖菜单下。可以查阅这一程序的文档说明。 一些 Windows 的应用程序不能输入 ZEMAX 的图形，即使在 Windows 的 剪切板中可以正确的显示也不行。这中情况下，可以使用这一章前面描述的图形 窗口部分中介绍的―输出 Metafile‖，创建 Metafile 文件之后，大部分的 Windows 程序可以导入这类图形了。 将 ZEMAX 图形输送到其他应用程序中的另外一种方法是使用屏幕捕获， 这能将整个屏幕和任意单个的窗口建立成为一个位图图像。 要将整个屏幕捕获为 一个位图，按下 Ctrl+Print Screen 键。要捕获一个窗口，选中那一窗口并按下 ALT-Print Screen。 屏幕位图被捕获后， 可以使用 Ctrl+v 或者―编辑‖菜单中的―粘 贴‖命令粘贴到其他程序中。具体使用那种方法取决于程序。
第三章 习惯用法和定义
介绍 这一章对本手册的习惯用法和术语进行说明。ZEMAX 使用的大部分习惯 用法和术语与光学行业都是一致的，但是还是有一些重要的不同点。 活动结构 活动结构是指当前在镜头数据编辑器中显示的结构。详见―多重结构‖这一章。 角放大率
像空间近轴主光线与物空间近轴主光线角度之比，角度的测量是以近轴入 瞳和出瞳的位置为基准。 切迹 切迹指系统入瞳处照明的均匀性。默认情况下，入瞳处是照明均匀的。然 而，有时入瞳需要不均匀的照明。为此，ZEMAX 支持入瞳切迹，也就是入瞳振 幅的变化。 有三种类型的切迹：均匀分布，高斯型分布和切线分布。对每一种分布（均 匀分布除外） ，切迹因素取决于入瞳处的振幅变化率。在―系统菜单‖这一章中有 关于切迹类型和因子的讨论。 ZEMAX 也支持用户定义切迹类型。这可以用于任意表面。表面的切迹不 同于入瞳切迹，因为表面不需要放置在入瞳处。对于表面切迹的更多信息，请参 看―表面类型‖这一章的―用户定义表面‖这节。 后焦距 ZEMAX 对后焦距的定义是沿着 Z 轴的方向从最后一个玻璃面计算到与无 限远物体共轭的近轴像面的距离。如果没有玻璃面，后焦距就是从第一面到无限 远物体共轭的近轴像面的距离。 基面 基面（又称叫基点）指一些特殊的共轭位置，这些位置对应的物像平面具 有特定的放大率。基面包括主面，对应的物像面垂轴放大率为＋1；负主面，垂 轴放大率为－1；节平面，对应于角放大率为+1；负节平面，角放大率为－1；焦 平面，象空间焦平面放大率为 0，物空间焦平面放大率为无穷大。 除焦平面外，所有的基面都对应一对共轭面。比如，像空间主面与物空间 主面相共轭，等等。如果透镜系统物空间和像空间介质的折射率相同，那么节面 与主面重合。 ZEMAX 列出了从象平面到不同象方位置的距离，同时也列出了从第一面 到不同物方平面的距离。 主光线 如果没有渐晕，也没有像差，主光线指以一定视场角入射的一束光线中， 通过入瞳中央射到象平面的那一条。注意，没有渐晕和像差时，任何穿过入瞳中 央的光线也一定会通过光阑和出瞳的中心。 如果使用了渐晕系数，主光线被认为是通过有渐晕入瞳中心的光线，这意 味着主光线不一定穿过光阑的中央。 如果有瞳面像差（这是客观存在的） ，主光线可能会通过近轴入瞳中心（如 果没有使用光线瞄准）或光阑中央（如果使用光线瞄准） ，但一般说来，不会同 时通过二者中心。 如果渐晕系数使入瞳减小，主光线会通过渐晕入瞳中心（如果不使用光线 瞄准）或者渐晕光阑中心（如果使用光线瞄准） 。
常用的是主光线通过渐晕入瞳的中心，基本光线通过无渐晕的光阑中心。 ZEMAX 不使用基本光线。大部分计算都是以主光线或者中心光线作为参考。优 先使用中心光线， 因为它是基于所有照射到象面的光线聚合效应，而不是基于选 择某一条特殊光线。 坐标轴（系） 光轴为 Z 轴，正方向为光线由物方开始传播的方向。反射镜可以使传播方 向反转。坐标系采用右手坐标。在标准系统图中，弧矢面内的 X 轴指向显示器 以里。子午面内的 Y 轴垂直向上。 通常传播方向沿着 Z 轴正方向从左至右。当有奇数个反射镜时，光束的物 理传播沿－Z 方向。因此，经过奇数反射镜之后，所有的厚度是负值。 衍射极限 衍射极限指光学系统产生象差的原因不是设计和制造缺陷，而是由于衍 射物理效应。要判断系统是否是衍射极限，可以计算或者测量光程（OPD） 。如 果 OPD 的峰—谷差值小于波长的四分之一，那么就说系统处于衍射极限。 有很多其他的方法来判断一个系统是否是衍射极限，例如：斯特列尔比 数（在同一系统里形成的有象差点像的衍射图峰值与无象差 的峰值亮度之比。用于像质的评价） 。RMS OPD；标准偏差，最大梯度 误差，等等。当使用一种方法评价系统为衍射极限时，运用另外一种方法可能不 是衍射极限，这是可能的。 在一些 ZEMAX 的图，例如，MTF 或 Diffraction Encircled energy（衍射 能量圈图）等，衍射极限可以选择显示出来。这些数据通常是通过追迹某视场角 指定参考点的光线得到的。计算过程考虑了光瞳切迹；渐晕；F/#数；表面孔径； 透射率等等因数，但不考虑实际存在的误差，光程差都定为 0。 对于包含 X 和 Y 方向视场角都为 0 的系统（比如 0.0X，0.0Y） ，参考视场 位置为坐标轴上点。如果没有（0，0）视场，定义的第一个视场对应的坐标用于 参考坐标。 边缘厚度 对于边缘厚度，ZEMAX 使用两种不同的定义。通常来说，要计算一个特 定表面的边缘厚度，采用下面的公式：
Ei ? Zi ?1 ? Zi ? Ti
Zi 为表面+y 方向半口径对应的矢高， Z i ?1 是下一面在+y 方向半口径的矢
高，Ti 是表面在轴向的厚度。注意，边缘厚度计算时，使用的矢高是个表面在半 口径矢高对应的各自的矢高，一般情况下都是不一样的。 边缘厚度计算时由于一般采用+y 方向口径，如果表面不是旋转对称，或者 表面口径为指定时，这样的方法就不适用了。当采用边缘厚度求解时，情况则不
同。因为边缘厚度求解可以改变中心厚度，也能改变光线在下一表面的入射点， 这表示下一表面的半口径也可以改变。 如果计算边缘厚度时使用下一表面的半口 径，会出现无限循环或者循环定义。 正由于此，边缘厚度求解计算边缘厚度时，对两个面都严格采用第一表面 的半口径。第二表面的半口径不再被使用，虽然表面的曲率或者面型还要使用。 有效焦距 指从后主面（象方主面）到近轴象面的距离。这是无限远物的共轭距离。 主面的计算通常是基于近轴光线数据。有效焦距一般以折射率为 1 进行计算，即 使象空间的折射率不是 1。 入瞳直经 光阑在物空间的近轴象的口径。 入瞳位置 以与系统第一面的距离来衡量的入瞳近轴位置。第一面一般是―面 1‖，而不 是物面，物面是―面 0‖。 出瞳直径 光阑在象空间的近轴象的口径。 出瞳位置 以象面位置衡量的近轴出瞳位置。 额外数据 额外数据被用来定义特定的非标准面型。比如，用来定义衍射光学面的位相（比 如 Binary 1 面型） 。在―面型‖这一章―额外数据‖部分，有关于额外数据的完整讨 论。 视场角和物高 视场可以用角度、物高（用于有限距离共轭系统） 、近轴象高或者实际象高 来表示。 视场角一般用角度表示。角度的测量是以物空间 Z 轴上近轴入瞳位置作为 测量点来衡量的。 正视场角表示这一方向上的光线有正斜率，对应的物方坐标为 负。 ZEMAX 运用一下公式将 X、Y 视场角转换为光线的方向余弦：
tan ? x ? l / n
tan ? y ? m / n
l 2 ? m2 ? n 2 ? 1
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ZEMAX中文说明书
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NCBI (National Center for Biotechnology Information), 美国国家生物技术信息中心[url]http://www.ncbi.nlm.nih.gov/[/url]NCBI是NIH的国立医学图书
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