光学系统设计的第一步：建立光学系统模型

建立光学系统模型是光学系统设计的第一步。对一个系统进行建模之前，应根据其特点，确定选择序列（Sequential）或非序列（Non−Sequential）模式，这两种模式可以在文件（File）菜单中选择。

在Zemax中，光学系统建模分为两方面：系统特性参数的输入和初始结构的输入。

（1）系统特性参数输入。

系统特性参数输入主要是对孔径（Aperture）、视场（Field）和波长（Wavelength）进行设定。

孔径：在主窗口System菜单下，选择General可以打开General系统通用数据对话框，如图2−12所示（也可以通过工具栏上的Gen按钮直接打开）。这一对话框中，包含了光学系统作为一个整体的性能参数以及使用环境的要求。对一般使用者而言，主要要输入的系统性能参数有孔径（Aperture）和玻璃库名称（Glass Catalogs），其他项如无特殊要求，保持其默认值即可。

系统的孔径确定了能够通过光学系统的轴向光束。要对孔径类型和大小进行设置，可选择Aperture标签，如图2−12所示。在孔径类型Aperture Type的下拉式列表中，可以选择如下方式之一来指定系统的孔径类型：

入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）：直接指定入瞳直径的大小；

像空间F/#（Image Space F/#）：与无限远相共轭的像空间近轴F数；

物空间数值孔径（Object Space Numerical Aperture）：物距为有限距离时，物空间边缘光线的数值孔径nsinθm；

图2−12　通用数据对话框

通过光阑尺寸浮动（Float by Stop Size）：入瞳大小由系统光阑的半口径决定；

近轴工作F/#（Paraxial Working F/#）：共轭像空间近轴F/#；

物方孔径角（Object Cone Angle）：物在有限距离时，物空间边缘光线的半角度。

对于同一个系统，只能选择上述孔径类型中的一种。孔径大小根据所选择的孔径类型在Aperture Value右侧的空格中直接输入。在选择Float by Stop Size类型时，由于入瞳大小由系统光阑的半口径决定，此时Aperture Value不可输入，显示为灰色。

视场的设定：在Zemax主窗口系统（System）菜单中单击Field或在工具栏中单击Fie按钮都可以打开视场设定对话框，如图2−13所示。

图2−13　视场设定对话框(www.xing528.com)

Zemax可以以4种不同的方式设定视场：物方视场角（Angle），物高（Object Height），近轴像高（Paraxial Image Height），实际像高（Real Image Height）。其中，Angle是指投影到XZ和YZ平面上时，主光线与Z轴的夹角，主要用在无限共轭的系统中；Object Height指物面X、Y方向的高度，主要用在有限共轭的系统中；Paraxial Image Height用在近轴光学系统的设计中；Real Image Height则在需要固定像的大小的光学系统设计中被选用。

Zemax允许设置12个视场，同时在这一对话框中可以设置每一视场的偏心与渐晕：X向偏心VDX、Y向偏心VDY、X向渐晕系数VCX、Y向渐晕系数VCY和渐晕的角度VAN。

波长的设定：在Zemax主窗口System菜单中单击Wavelengths或在工具栏中单击Wav按钮即可打开波长数据设定对话框，如图2−14所示。波长对话框用于设置波长、权因子和主波长。Zemax对每个光学系统最多可以设定12种波长。根据不同的权因子，系统在进行点列图计算时决定不同波长的贡献。波长的单位为微米。Zemax还提供了常用的波长列表，可通过“Select”按钮直接选取。

图2−14　波长设定对话框

（2）初始结构输入。

在序列（Sequential）模式下，初始结构通过Lens Data Editor界面输入，如图2−15所示。在这一界面中，采用表格输入的方式，可以设定系统的表面（Surface）数量及序号，每一表面的面型和表面结构参数，包括半径、厚度、玻璃材料、口径及描述非标准面型的参数等。

表面数量及序号：采用File≫New新建一个镜头文件时，在Lens Data Editor中自动生成3个面：物面（OBJ），光阑面（STO），像面（IMA）。在物面和像面之间可以根据光学系统的需要加入多个表面。按键盘Insert键可以在当前高亮行（该行某一单元格底色显示为黑色）前面插入一个新的表面，按Ctrl+Insert键则在高亮行后面插入新的表面，按Delete键可以删除高亮行。这些操作也可以通过Lens Data Editor的Edit菜单选项来实现。

图2−15　初始结构输入

面型（Surf：Type）：插入新的表面时，表面类型默认为标准面（Standard），标准面包括平面、球面和二次非球面。要改变表面面型，可以用鼠标左键双击该表面类型，或者在该表面类型上单击鼠标右键，弹出Surface Properties表面特性设置对话框，通过Type标签选择所需要的面型。

Zemax提供了60多种光学曲面面型。主要类型有球面、平面、标准二次曲面、非球面、光锥面、环形面、光栅、全息表面、菲涅尔表面、波带片等。另外，Zemax还支持用户自定义表面（User Define Surface），运用Zemax的扩展功能，用户可以编写DLL文件与Zemax相连接，就可以建立自己需要的面型。

表面结构参数输入：Lens Data Editor表格中Radius及其右方的所有列被用来输入各表面的结构参数。标准表面类型（Standard）需输入的结构参数有半径（Radius）、厚度（Thickness）、玻璃（Glass）、半口径（Semi−Diameter）及二次曲面系数（Conic，缺省值为0，表示是球面）。其他表面类型除了也要输入这些基本参数之外，还要在从Par 0开始往右的各列中输入附加参数值。这些参数的具体含义随着不同表面类型而改变。例如，“偶次非球面”（Even Sphere）除输入标准列数据外，还需输入8个附加参数用来描述多项式的系数。其中参数1表示的是二次项系数；而在“近轴面”（Paraxial）中，参数1用来指定表面焦距。

在输入半径（Radius）和厚度（Thickness）时应注意符号规则。其中，半径的符号规则是由表面顶点到曲率中心从左到右为正，反之为负。平面的半径值为无穷大（Infinity）。厚度指由该表面到下一面的相对距离，沿+Z方向由左向右为正。在Zemax中，光线角度的符号是以光轴为起始轴，逆时针为正，顺时针为负。

玻璃（Glass）一栏中可以输入玻璃牌号，也可以输入折射率和色散系数来代表玻璃。如果表面后方为空气，则玻璃一栏为空格；如果为反射面，则玻璃属性应输入“Mirror”。

半口径（Semi−Diameter）一般情况下都不需输入，当系统孔径类型和大小被设定后，各表面的通光半口径将自动生成。如果用户自行输入数值，则在半口径后会自动加上“U”的标志，表示这一口径为用户自定义。

在非序列（Non−Sequential）模式下，初始结构通过Non−Sequential Component Editor输入，主要包括所有物体（Object）、光源（Source）和探测器（detector）的结构参数和位置参数。因输入参数的方法与Lens Data Editor类似，在此不再赘述，具体操作可查阅Zemax使用手册。

系统特性参数和结构参数输入完成后，光学系统的初始结构已经构建完成。此时可以通过主窗口Analysis菜单中的Layout选项，以二维/三维/线框/实体等不同方式显示系统的结构图。根据结构图，使用者可以对初始结构进行适当调整，使结构趋于合理化。