第7章 zemax系统菜单

第七章 系统菜单

§1 全部更新（Update All）

这个选项更新全部窗口以反映最新镜头数据。 ZEMAX不能在图形和文件窗口自动改变最后形成的镜头数据。这是由于新数据在镜头数据编辑器中被键入时， ZEMAX如果不断地计算MTF，光线特性曲线，点列图和其它数据，那么程序反应会变得很慢。对镜头做所有需要的改变，然后选择“Update All”来更新和重新计算所有的数据窗口。

单个曲线和文本窗口（非编辑器）也可以双击窗口内的任意位置更新。

§2 更新（Update）

这个选项只更新镜头数据编辑器和附加数据编辑器中的数据。更新功能用来重新计算一阶特性，如光瞳位置，半口径，折射率和求解值。只影响镜头数据编辑器和附加数据编辑器中的当前数据。参见本章中§1全部更新“Updata All”的内容。

§3 通用数据 （General）

这个选项产生通用系统数据对话框，它用来定义作为整个系统的镜头的公共数据，而不是与单个面有关的数据。参见“Advanced”部分。

镜头标题 （Lens Title）

镜头标题出现在曲线和文本输出中。标题是通过将题目输入到所需位置得到的。附加的文本数据可以放在大多数图形输出中，参见本章后面“Configuring the environment”的说明。

光圈类型 （Aperture Type） 系统光圈表示在光轴上通过系统的光束大小。要建立系统光圈，需要定义系统光圈类型和系统光圈值。用光标在下拉列表中选择所需的类型。系统光圈类型有如下几种：

入瞳直径 （Entrance Pupil Diameter）：用透镜计量单位表示的物空间光瞳直径 像空间F/# （Image Space F/#）：与无穷远共轭的像空间近轴F/#

物空间数值孔径（Object Space Numerical Aperture）物空间边缘光线的数值孔径（nsinθm） 通过光栏尺寸浮动（Float by Stop Size）：用光栏面的半口径定义 近轴工作F/#（Paraxial Working F/#）：共轭像空间近轴F/# 物方锥形角 （Object Cone Angle）：物空间边缘光线的半角度，它可以超过90度

这些术语在第三章“约定和定义”中进一步定义。若选择了“Object Space N.A”或“Object cone angle”作为系统光圈类型，物方厚度必须小于无穷远。上述类型中只有一种系统光圈类型可以被定义。例如，一旦入瞳直径确定，以上说明的所有其它光圈都由镜头规格决定。

光圈值 （Aperture Value）

系统光圈值与所选的系统光圈类型有关。例如，如果选择“Entrance Pupil Diameter” 作为系统光圈类型，系统光圈值是用透镜计量单位表示的入瞳直径。 ZEMAX采用光圈类型和光圈数值一起来决定系统的某些基本量的大小，如入瞳尺寸和各个元件的清晰口径。

选择“Float by Stop Size”为系统光圈类型是上述规律的唯一例外。如果选择“ Float by Stop

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Size” 作为系统光圈类型，光栏面 （镜头数据编辑器中设置）的半口径用来定义系统光圈。

镜头单位 （Lens Units） 镜头单位有四种选择：毫米，厘米，英尺，或米。这些单位用来表示数据，如半径，厚度，和入瞳直径。许多图形（光学特性曲线，点列图）使用微米做单位，波长也是用微米表示。

玻璃库 （Glass Catalogs）

本控件组有一个列出当前被使用的玻璃库（无扩展名）名称的可编辑栏。栏的缺省值是”schott”，它表示镜头可以从库中使用玻璃。如果需要不同玻璃类别，可以用按钮或键入玻璃类名来选择。若要使用不在按钮列表中的玻璃库，可以在在编辑栏键入类名。多个玻璃库之间可以用空格来分隔。关于改变玻璃库的内容参见“使用玻璃目录”一章。

注解 （Notes） 注解部分允许输入几行文本，它们与镜头文件一起被存储。

§4 高级数据（Advanced）

这个选项产生Advanced System Data对话框，它不是定义与单个面有关的数据，而是用来定义作为整个系统的镜头的少数公共数据。参见 “通用” 部分。

光线定位 （Ray Aiming） 光线定位选择框由三种状态：无 （None），近轴光线参考 （Paraxial Reference）和实际光线参考（Real Reference）。如果光线定位状态为“None”， ZEMAX用近轴入瞳尺寸和位置来决定从物面发出的主波长光线，而入瞳由光圈设置确定并用主波长在轴上计算。这表示ZEMAX忽略入瞳像差。对于有中等视场的小孔径系统，这是完全可以接受的。但是，那些有小F数或大视场角的系统，具有很大的入瞳像差。光瞳像差的两个主要影响是光瞳位置随视场角的漂移和光瞳边缘的变形。

如果光线定位被选定，ZEMAX则考虑像差。光线定位后，每根光线在追迹时被迭代，同时，在程序运行时校正光线定位以便使光线准确通过光栏面。

光栏面的正确位置是首先由计算的光栏面半径决定的。正确的光栏面坐标是用光瞳坐标线性缩放计算得到。例如，边缘光线的归一化的光瞳坐标为Py =1.0。光栏面的正确坐标是光栏面半径乘以Py。

若选择 “Real Reference”那么主波长边缘光 可以用近轴光线或实际光线计算光栏面半径。

线从物面中心向光栏面追迹。光栏面上的光线高度就是光栏半径。若选择” Paraxial Reference”，那么使用近轴光线追迹。当选择“Real Reference”时，所有的实际光线被调整以便在以实际光栏半径为基准的光栏面上正确定位，相应地，近轴光线以近轴光栏半径为基准。

当使用光线定位时，光栏面（而不是入瞳）是被均匀照明的面。这会产生意外的结果。例如，当使用物方数值孔径作为系统光圈类型时， ZEMAX用正确的数值孔径追迹近轴入瞳的位置和尺寸。如果光线定位随后被设置为 “Paraxial Reference”，实际光线追迹将影响近轴光栏尺寸。这会产生一个与系统光圈值的不同的数值孔径。这是由于为消除光瞳像差而调整了光线角度之故。解决这个问题的办法是使用实际光线参考（Real Reference）。

通常，首选设置为近轴光线参考 “Paraxial reference”。

虽然光线定位比近轴入瞳定位更精确，但在运行的时候，大多数的光线追迹将使用2到8倍的时间。（参见后面“Tolerance” 选项的说明）。因此，只有需要时才使用光线定位。为确定系统中的入瞳像差量，关闭光线定位，然后查看光瞳像差曲线 （参见分析菜单 “Analysis menu” 这一章中的这一功能的说明）。小于一定百分比的光瞳像差通常忽略不计。若系统中有较大的光瞳

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像差，选择光线定位打开，反复计算。像差将减少到零或接近零。

使用光线定位贮藏器 （Use Ray Aiming Cache）

若选取光线定位贮藏器， ZEMAX贮藏光线定位坐标以便新光线追迹能利用先前光线定位结果进行迭代运算。使用贮藏器能明显加速光线追迹。但是，使用贮藏器需要精确追迹主光线。对于主光线不能被追迹的许多系统， 贮藏器应被关闭。

加强型光线定位（慢）（Robust Ray Aiming （slow））

若选取本功能，ZEMAX使用一种更可靠但较慢的运算来定位光线。只有在即使贮藏器打开，光线定位也失败时，此选项才被设置。除非光线定位贮藏器打开，否则此开关不起作用。加强模式执行一个附加检查来确定现存的同一光栏面是否有多重光路，只有正确的一条被选择。这在大孔径，广角系统中特别成问题，在这种系统的轴外视场中也许会发现一条通过光栏的实际光线会混淆光线定位迭代。

光瞳漂移：X，Y，Z （Pupil Shift：X，Y，and Z）

对于多数系统，单纯选择光线定位时，尽可能少地追迹正确通过系统的光线就可以消除光瞳像差的影响。当然，它并不是实际消除像差，仅仅是考虑它。对于广角或大的倾斜或偏心的系统，若不帮助的话，光线定位功能将失效。因为是把近轴入瞳作为第一个估计值来追迹光线。如果光瞳像差很严重，可能连第一个估计值都无法被追迹，更无法得到第二个更好的估算值，从而使算法中断。

本方法为光瞳关于近轴光瞳偏移量提供粗略的推测。这称为”光瞳漂移”，由三个分量：x，y，和z组成。三个量的缺省值为0，可以通过修改三个缺省值来帮助算法寻找光线成功定位的第一估算值。 漂移量z的正值表示实际光瞳在近轴光瞳的后面（即在通用光学坐标系统右面）， 漂移量的负值表示光瞳向前漂移。多数的广角系统有向前漂移的光瞳。

所提供的光瞳漂移量z与所追迹光线的视场角成线性比例，因此光瞳漂移指的是全视场光瞳的偏移量。 漂移量x，y说明物平面倾斜或光栏偏心时光瞳位置的改变。若选择了“视场光瞳偏移比例因子” （Scale pupil shift factors by field），光瞳漂移量x，y也随视场缩放，否则， 漂移量未经缩放地用于所有视场。所有漂移量用镜头计量单位表示。

需要理解的是：知道光瞳漂移的精确值并非重要。一旦第一条估算光线可以被追迹， 光线定位算法将粗略地找到精确的光瞳位置。光瞳漂移值只是光线定位的开始。通常，推测光瞳偏移量是决定其适合值的可用方法。

变迹法 （Apodization Type）

缺省时，光瞳是均匀照射的。但是，有时光瞳必须使用非均匀照射。由于这个原因，ZEMAX支持光瞳变迹，这种变迹是光瞳上振幅的变化。有三种光瞳变迹类型：均匀、高斯和正切。均匀表示光线均匀地分布在入瞳上，模拟均匀照射。

高斯变迹是在光瞳上振幅以高斯曲线形式变化。变迹因子表示径向的光瞳坐标函数的光束振幅递减率。光束振幅在光瞳中心归一化为1个单位，入瞳其它点的振幅由下式给出：

A(p)aeGp2

这里G是变迹因子，p是归一化的光瞳坐标。 如果变迹因子是0，那么光瞳照射是均匀的。 如果变迹因子是1.0，那么光束振幅在入瞳边缘的1/e。 （它表示光强度为e的平方分之1，大约是峰值的13%）。变迹因子可以是大于或等于0.0的任意值。不建议采用大于4.0的值。因为如果光束振幅离轴下降很快，在许多计算中取样的光线太少，以至于不能产生有意义的结果。

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正切变迹恰当地模拟了点光源照在平面上的强度衰退特点（如入瞳通常是平面）。对于一个点光源，偏离点光源距离为Z的面上的强度为：

22I(r)

ZZ2r这里r是平面上一点到光源的距离，强度在轴上已经归一化为一个单位。如r用归一化的光瞳坐标来表示，振幅变迹可用平方根产生：

A(p)11ptan22

这里tanθ是入瞳顶部的光线与z轴的夹角的正切。对于正切变迹， tanθ是变迹因子。特殊情况下变迹因子为0，当计算变迹时，ZEMAX用入瞳位置和尺寸会自动计算出tanθ。

除了在入瞳面一外，ZEMAX也支持用户在任意面上自定义的变迹，用户自定义变迹用在“表面类型”这一章所讲的用户自定义面型来完成。

变迹因子 （Apodization Factor）

变迹因子表示光瞳上振幅的衰减速度。参见前一节关于变迹类型的说明。

光程差参数 （Referece OPD）

光程差或OPD，在光学设计计算中很有意义，因为光程差表示成像的波前位相误差。对零光程的任意偏离都会在光学系统中形成衍射图像时产生误差。

因为出瞳是光栏在像空间的像，出瞳表示像空间光束有清晰边界的位置。出瞳处的照度，其振幅和位相通常是平滑变化的，零振幅和非零振幅区域有明显的界限。换句话讲，在出瞳处观察，可以合理地假定波前没有明显的衍射影响。如果光学系统中的所有面的通光孔径比受光栏入射到每一面上的光束尺寸大，这一假定基本上是事实。甚至如果出瞳是虚拟的（这是常有的），出瞳仍然定义了像空间光束无衍射影响的唯一位置。关于衍射像形成的其它信息和出瞳的重要性，参见第一章的参考书。

当波前从出瞳传播到像平面时，光束外形在振幅和位相上变得很复杂，由于衍射的影响，波前扩展到整个空间。因此，为了精确地描述了波前和像的质量，在出瞳上测量位相误差是唯一有效和非常重要的。

ZEMAX缺省时，使用出瞳作为计算OPD的参考面。因此，对一条给定的光线进行OPD计算时，光线通过光学系统追迹，自始至终到达像平面，然后反向追迹到位于出瞳处的参考球面。这个面后得到的OPD是有物理意义的位相误差，它对于如MTF，PSF和环带能量等衍射计算是很重要的。由光线向后追迹到出瞳而得的附加路程，从参考球面的半径中减去，得到OPD的微小调整，称之为”校正项”。这种计算对于所有实际应用是正确和需要的。

但是，ZEMAX也允许选择两种其他参考方法。

无限远参考面：“Infinity”参考面假定出瞳在很远的地方（即使它也许不太远），OPD校正项用光线中的角误差严格给定。只在一种可能时使用这个设置：即ZEMAX 不能正确计算出瞳位置。这发生在一些在光栏面不能成像 （实像或虚像）的不常见的光学中。在这种情况发生时，ZEMAX 用特殊程序代码处理所有已知的可能发生这种情况的场合，因此，除非Focus Software 技术支持时特殊推荐它，否则这个设置不使用。当前尚没有已知的场合需要推荐这种设置。

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绝对参考面：“Absolute”参考面表示ZEMAX根本不能在OPD计算中加上任何校正项，只加上光线的总光程并从主光线中减去它。这种方式并不是实际有效的，它的目的是用来调试和检查Focus Software 公司的OPD算法。

总之，除非Focus Software 公司的软件工程师明确地通知改变设置，你必须一直使用“出瞳”参考面。若不选择“出瞳”参考面，则很容易产生错误数据。

近轴光线 （Paraxial Rays）

近轴光线特性通常不用于定义非旋转对称系统。由于这个原因，在追迹近轴光线时，ZEMAX 缺省忽略由于坐标转折引起的所有倾斜和偏心。通过忽略倾斜和偏心，ZEMAX 能计算等效的同轴系统的近轴特性，这种处理方法即使对非对称系统也是正确的。

因此，“Ignore Coordinate Break” 的缺省设置是很受欢迎的。选择与此不同的设置会导致ZEMAX 计算失败，象精确计算所有的近轴数据，光线定位，OPD计算，。 只有一种情况需要“Consider Coordinate break”。对通过陡峭倾斜光栅的光线追迹，甚至近轴光线也需要坐标转折，否则，光线不能满足光栅方程。这是因为衍射光栅是严格按照入射界角来弯曲光线的。

快速非球面追迹 （Fast Asphere Trace）

当追迹的光线通过某一非球面时，如果光线与该面交点不存在近似解的公式，则需要迭代。 此框被选中（缺省条件），ZEMAX 为加快迭代的收敛性，将为光线交点的解设一个初始假定值。但是，若选用“fast Guess”，许多不规则弯曲的非球面不收敛。使用这种面的系统。此选框不应选取，因为这时ZEMAX 将使用速度慢的但加强型的算法来寻找解。不管此选框选取与否，ZEMAX 将寻找精确的光线交点的解或显示错误信息标识。

检查梯度折射率元件的口径 （Check GRIN Apertures）

若选取，此设置将命令ZEMAX 为渐晕口径面检查所有梯度折射率光追。介质中的每一条梯度光线追迹都被检查以判别光线是否落在后一面的通过口径边界外，若是，那么光线是渐晕的。若未选中该设置，在光线通过该面口径时，光线也许会落在后一面边界之外。

使用T，P （Use T，P）

若镜头使用时,温度不是200C,压力不是一个大气压,则这个选框应被选取。若此选框未选取。则忽略所有温度和压力影响。这可以加速折射率数据的计算，如果使用正常的温度和压力，此选框不选。参见“热分析”（Thermal Analysis）一章。 此特性只在ZEMAX-EE版本中可用。

温度 （Temperature）

用摄氏度表示的外界温度。 参见“热分析ZEMAX（Thermal Analysis）一章。 此特性只在ZEMAX-EE版本中可用。

压力 （Pressure）

大气中的空气压力。真空值为0，海水中为1.0。 参见“热分析”（Thermal Analysis）一章。 此特性只在ZEMAX-EE版本中可用。

半口径余量% （Semi Diameter Margin in %）

通常，用自动模式给定的各面的半口径是ZEMAX用没有阻拦的通过所有光线所需的径向口径计算得到的．对于有密集元件或边缘靠近的元件的系统，本缺省设置会产生明确的口径,而不为抛光和安装留下余量。通常，光学表面能很好地抛光的尺寸只能占全口径的一部分,根据零件

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大小不同，这一部分约在90%到98%之间。

半口径余量控制允许以一定的百分比确定径向口径的余量。缺省值0没有余量，”自动控制”下的5%余量是在所有面的半口径值上增加5% 。

这种控制简化了陡峭面的密集元件和边缘接触点的系统的设计。最大允许余量为50%。

半口径的快速计算法(Fast Semi-Diameters) ZEMAX 能“自动”计算半口径。它估算为让所有视场点和波长的光线通过，各面所需要的明确的口径。对于共轴系统，可以通过追迹每个视场和波长的两条光线而精确计算。这两条光线是上下两条边缘光线。

对于非共轴系统，除了沿渐晕光瞳周边追迹大量的光线外，没有通用的方法来精确计算半口径。虽然这种算法很精确，但速度很慢，因为ZEMAX 需要不断的更新半口径数据，尤其在优化时。速度和精确之间是要折衷的。

对于非共轴系统,缺省时，ZEMAX 追迹每个视场和波长渐晕光瞳的实际子午面上的两条光线，然后用每条光线在每个面上的径向坐标估算所需的半口径。对于许多系统，估算结果不够精确。这主要包括具有较小边缘和明显口径的系统或具有偏心元件和只有少数视场点的系统。 如果“ Fast Semi-Diameter”选项被选择“off ”，那么对这些非共轴系统，ZEMAX 将反复追迹所需的光线来决定半口径, 其精度为0.01% （5个有效数字）。将“Fast Semi-Diameter”关闭可以明显减慢优化速度，但对于具有复杂评价函数的系统，上述间接操作相对较小。

全局坐标参考面 （Global Coordinate Reference Surface）

全局坐标是由每个面的局部坐标旋转和转化而来的。此换算可以写为

xgxoR11R12R13xlyyRRRgo212223ylzzRRRzgo313233l

这里下标“g”表示全局坐标，“0”表示坐标的偏离量（转变）“l”表示局部坐标。任意一个面的旋转矩阵R和偏离向量可以用其他面作为全局参考面来计算。

用旋转矩阵可对该面坐标系统在以全局参考面定位时得出重要的结论。在局部面，沿x轴确定方向的单位向量是（１，０，０）。这个向量可以用R矩阵旋转来产生全局坐标系统的x方向。将单一矩阵分别乘上三个单位矩阵矢量可得：

R13R11R12xlR21,ylR22,zlR23R31R32R33

注意沿局部坐标轴定方向的单位向量只是R矩阵的列向量。在性能报告中的全局顶点清单中

列出了R矩阵分量和每面的偏离向量，它们以全局参考面为参照的。如果该面是坐标转折点，那么R矩阵包括坐标变换和旋转的影响。如果参考面是坐标转折点，坐标参考系统是由局部坐标系统偏离和旋转来定义的。如果计算R矩阵的面先于参考面，这面是坐标转折点，系统的R矩阵计算先于坐标变换。当有怀疑时，在有怀疑的位置插入一个没有坐标转折的虚拟面来检查全局方位。 缺省参考面是1，虽然其它面也可以选为参考面，除非物在无穷远，否则0面不能作为参

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考面。

参考面也用于定义多重变焦位置在3维外形图中点的重叠。

§5 视场 （Fields）

视场对话框允许确定视场点。视场可以用角度，物高 （有限共轭系统），或像高来确定。可通过用来启动或停止按钮来选择视场位置，也可以捡取数据。关于视场的规定，参见第三章“约定和定义”（Conventions and Definition）。

ZEMAX 也提供定义渐晕系数的数据栏。4个渐晕因子为：VDX，VDY，VCX，和VCY。 如果系统中没有渐晕，这些渐晕因子被设为0。这些因子在第三章“约定和定义”（ Conventions and Definition）的“渐晕系数”中有说明。

在视场对话框中也有一个标为“Set Vig”的按钮。点击此按钮将重新计算当前数据下每个视场的渐晕因子。用设置渐晕的算法估算渐晕偏心和压缩因子以便光瞳边缘的上，下，左，右四条边缘光线能通过每个面的用户自定义半口径。计算时只使用主波长。若要使渐晕因子成为缺省值0，单击：“Clr Vig”。

该算法通过从光瞳发出一网格光线来开始运算。在使用用户自定义半口径的每一个面，光线被测试是否在确定的口径内通过。通过所有面的所有光线用于计算无渐晕的光瞳中心。注意只有用户自定义（非自动）半口径被使用时，面孔径（如长方形或环形口径）被忽略。无渐晕的光瞳边缘用迭代方式精确计算到0.001% 。

这种算法不是在所有场合中都能起作用。对于设置渐晕失败的系统，渐晕因子需要手工调整。设置渐晕运算的精度可以用追迹少数边缘光线检测。

§6 波长 （Wavelength）

波长对话框用于设置波长，权因子，和主波长。按钮可以用来启动或停止输入波长和捡取数据。包括常用的波长列表。要使用列表中的项目，选择所需的波长，点击”Select”按钮。

其它信息参见第三章“约定和定义”（Conventions and Definition）。

§7 偏振状态 （Polarization State）

偏振状态对话框用于设置使用偏振光线追迹的许多分析计算的缺省输入状态。许多分析功能“Use Polarization”开关来使用偏振光线追迹和变迹，如点列图和作为视场函数的均方根RMS 。本对话框是设置初始偏振状态的唯一工具。对于这些功能，当考虑菲涅尔衍射，薄膜和内部吸收影响时，偏振光线追迹只被用来决定光线的透过强度。在这里电磁场的矢量方向被忽略，而假定只有标量理论可适用。光线只是在强度上衰减，加权计算被应用。

偏振是由4个数值定义的：表示电磁场X和Y方向模值的Ex和Ey，用度表示的X-位相和Ｙ－位相的相位角。ZEMAX 将电磁场向量归一化为1个强度单位。

有一个标签为“Unpolarized”检查框。若选取，那么偏振值Ex，Ey，X-位相，Y-位相被忽略。这时使用非偏振计算。非偏振计算用正交偏振的两条光线追迹并计算最终透过率的平均值。注意，非偏振计算比偏振计算所需的时间长，而偏振计算也比完全忽略偏振的计算所需的时间长。 偏振光线追迹只在ZEMAX-EE版本中使用。

§8下一重结构 （Next Configuration）

当要更新所有的图表以便反映下一个结构（或变焦位置）时，本菜单选项提供了快捷方式。若选中，所有的电子表格，文本和图解数据都将被更新。

§9 最后结构 （Last Configuration）

当要更新所有的图表以便反映最后一个结构（或变焦位置）时，本菜单选项提供了快捷方式。

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若选中，所有的电子表格，文本和图解数据都将被更新。

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