（2） Glass Catalogs（玻璃库）

ZEMAX提供了德国的Schott、日本Hoya、Ohara、美国Corning等玻璃生产厂商的玻璃库，还有红外、塑料材料（PMMA）、双折射晶体材料等内建玻璃库。 如光学设计中，要选用中国玻璃库，有两种方法：

a) 使用Len Data Editor视窗中Glass栏的Model功能，输入νd，nd即可； b) 导入中国玻璃库 Chinaglass 库文件到玻璃库数据库中，直接调用。 （3） Ray Aiming

适用于大视场镜头设计中，确保主光线通过孔径光阑的中心。选项有：

? No Ray Aiming

这是ZEMAX预设选项, 表示不进行光线瞄准，此时ZEMAX认为光瞳无像差。对于中等视场的光学系统，可以用磁此项。但是对于大相对孔径或大视场光学系统，会存在严重的光阑像差，光阑像差的表现为：（a）光瞳位置随视场值变化；（b）光瞳边缘发生变形。

? Aim to aberrated (real) stop height

对于大视场光学系统，通常用此选项，用于消除光阑像差。含义是：瞄准有像差时的孔径光阑高度。选用该选项后，ZEMAX计算像差，孔径光阑大小有来自物面中心的主波长边缘光线在光阑面上的交点决定。然后适用迭代法追迹光线，找出一根经过孔径光阑中心的光线（此时不一定经过入瞳或岀瞳中心，但经过像差校正后，也会同时经过入瞳、岀瞳的中心），作为主光线。

? Aim to unaberrated (paraxial) stop height

该选项与前一选项的明显区别，在于该项假设镜头系统没有像差，使用理想情况下的近光线追迹来瞄准光阑中心，优点是计算时间短。 2．Fields对话框中定义视场

通过System → Fields … 可以打开视场定义对话框，如图1.6，首先给出了视场种类定义的四个选项：角度（视场角）、物高、近轴像高和实际像高。其中视场角单位为度，线视场的单位为ZEMAX选择的Lens Units，一般为毫米（mm）。

接下来，给出最多为12的视场序号，即最多可定义12个视场，X-Field与Y-Field同时选用，适用于非旋转对称光学系统；对于旋转对称系统，一般仅在Y-Field栏中输入数据，定义子午面内的视场。Weight用于定义各个视场的权重。

对于大视场光学系统，一般要考虑渐晕现象，有渐晕系数来描述。ZEMAX提供了4个参数，即VDX、VDY、VCX和VCY来描述渐晕现象，其中VDX、VDY用于定义光瞳中心位置的x,y偏心；VCX、VCY用来定义渐晕因子。当VDX＝VDY=VCX=VCY=0，表示无渐晕现象，对于旋转对称系统，仅使用VDY与VCY即可。

如轴上物点光瞳归一化坐标为Px、Py，有渐晕时轴外光瞳归一化坐标为：

Px??VDX?Px(1?VCX) （1.9）

Py??VDY?Py(1?VCY)7

图 1.6 Fields 定义对话框

例如，图1.7表示了旋转对称光学系统在偏心VDY=0.3，渐晕系数VCY=1?o?a的渐晕光H瞳，其中H为轴上物点光瞳半径，o’a表示轴外物点光瞳渐晕时的子午面上的半径，此时，VDX=0，VDY=0.3，VCX=0，VCY=1?

图 1.7 渐晕定义示意图

考虑渐晕后，优点为：（a）可以缩小透镜的口径，节省加工成本，（b）可以把引起严重轴外像差的光线去除掉（即选择光阑位置消除轴外像差）。

图1.6中底部“Set Vig”按钮，由ZEMAX可自动设置渐晕系数。在两种状态下可以自动设置渐晕系数：

（a） 当Lens data Editors中，某一光学面的通光直径固定； （b） 使用Tools →Convert Semi-Diameters to Floating Apertures。

Save与Load对已经建好的视场数据，可以完成存储和调用，文件扩展名为“* . Fld”。

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o?a。 Ha O’ O 0.3H H 3．Wavelengths定义镜头工作波长

通过桌面上的快捷键“Wav”或“System → Wavelengths”打开“Wavelengths”对话框，可以定义最多12个波长（单位：微米μm）。典型波长的数据已经存储在对话框中，通过“Select”勾选，其中“Primary”定义主波长，用于考查镜头系统的单色像差。 4．前例中的光学特性数据的输入方法

(a) 定义近轴工作F数（Paraxial working F-number）＝10，方法：逐层选择“System → General …→ Aperture → Paraxial working F-number”，在“Aper Value”后面的数值框中输入“10”。 (b) 定义半视场“0°, 10.5°, 15°”，逐层选择“System → Fields…→”对话框中，选择1, 2, 3视场序号，输入“Y-Field”分别为“0°, 10.5°, 15°”。不定义“权重”与“渐晕因子”等。

(c) 对有限远物距1000 mm，在“Lens Data Editors”中“Object”的“Thickness”输入1000，目前镜头系统的近轴放大率可能不为“－1.0”，输入恰当的有限远物距后，可经过优化设计，改变物距或改变结构参数以保证近轴放大率要求。 1.4.4 ZEMAX中像质评价方法

图 1.8 光学系统草图

建立了初始结构如表1.1的镜头数据以及光学特性参数以后，可以用“Analysis → Layout →3D Layout”画出该结构的光学系统草图，如图1.8所示，由“3D Layout”可以检查输入数据是否存在错误，是否与预想的结构形式一样。然后，可以运用ZEMAX的像质评价功能，对初始结构进行评价。当然像质评价功能可以贯穿整个光学设计的中间过程和最终设计环节之中。下面我们选取主要的像质评价指标，来说明指标的具体含义。

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1. Fans

光学中的“Fans”，此处意为光扇图，与光学设计中的子午面和弧矢面的光线结构相对应。由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内，形成子午扇形光线和弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可以统称为“Fans”。因此，Fans描述的是子午与弧矢两个截面内的像差曲线图。共有“Ray Aberration，Optical Path和Pupil Aberration“三种：

?

Ray Aberration

垂轴表示的几何像差曲线。由像质评价技术，独立的几何像差是按几何光线的空间结构

来定义。轴上有球差、高级球差两种单色像差；有轴向色差（一般取0.707孔径）、色球差、二级光谱三种色差；轴外有子午像差、弧矢像差与主光线像差。子午面与弧矢面单色像差有：场曲、慧差、像散，主光线像差有畸变、垂轴色差。在考虑视场和孔径的高级像差时，种类更加繁多，有沿轴（或轴向）像差，每一种像差反映了几何光线在成像时的空间位置分布，如果镜头系统理想成像，所有的像差必须为零，数据量大，不利于总体掌握成像情况。

几何像差的垂轴标识法，只考虑由一个物点发出的子午面或弧矢面内不同孔径光线，在

像面上交点离开主光线交点的变化情况，相当于弥散大小，不去考虑到底是沿轴分量的像差，还是垂轴分量的像差，让我们产生综合的印象。

Ray Aberration是Fields对话框中定义的每一个视场序号，而绘出的像面（XOY面）上的

X分量像差（X aberration）和Y分量像差（Y aberration）随光线孔径高之间的变化曲线。一般的，X-aberration用EX表示，Y-abberation用EY表示，光线孔径高用PX、PY表示。

在子午面（YOZ面）内，某一物点（视场序号表示）发出不同孔径高的光线，经过镜头

系统后，光线均在子午面内，光线坐标中PX=0，PY从0－1变化，因此离开主光线在像面上交点的位置表示只有Y分量（Y-aberration），X-aberration均为0，即Tan Fan（子午光扇图）只有Y-aberration，只有EY~PY关系曲线图。

在弧矢面（XOZ）内，某一物体发出不同孔径高的光线，此时关系坐标PX从0~1变化，

PY=0，这些光线经过镜头系统后，孔径高绝对值相等的光线对仍以子午面对称，即与像面交点离开主光线交点位置偏差具有X分量（X-aberration），也具有Y分量（Y-aberration）；且光线对的X-aberration大小相等，符号相反，Y-aberration相爱那个等，Sag Fan（弧矢光扇图）即有EY~PX曲线，也有EX~PX曲线，EY~PX以EY呈轴对称，EX~PX曲线以原点呈旋转对称。

在旋转对称系统中，轴上物点的子午面与弧矢面相同，所以其EY~PY与EX~PX曲线完全

相同。图1.9给出1.3节例子物在1000 mm 初始结构的Ray aberration曲线，图中前一对是0视场的Ray aberration曲线，中间一对是10.5°视场的Ray aberration曲线，最后一对是15°视场角的Ray aberration曲线。每一条曲线的横坐标为归一化光瞳坐标，由﹣1～1变化，纵坐标表示几何像差在像面上的弥散情况，其每一格值由图下方给出的Maximum Scale确定。该图中，纵轴正半轴大小为5000 μm，每一格值为1000 μm。所以0°视场弥散像差很小，10.5°视场子午弥散半径近似为1500 μm，弧矢弥散半径近似为800 μm， 15°视场子午弥散半径近似为3000

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