zemax像差知识总结.docx

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1、一、zemax的spotdiagram的看图方式说明光学设计程序zemax中有个很常用的评测光学系统质量的分析工具－spotdiagram，中文翻译就是点图，借助它可以形象的对光学系统成像进行很好的描述。这里写下本人对spotdiagram的体会和认识。可以通过多种方式在zemax中显示点图，方式一：直接点击在屏幕菜单工具栏中的“Spt”按钮；方式二：选择菜单Analysis-SpotDiagrams-Standard。点图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。换句话说，它就是通过计算，把一系列物方的点通过光学系统以后，成像在IMA面上的情况给实际绘制

2、出来。为了表现方便，它可以选择一系列预定的模板形式，具体来说，比如一个在轴上的点，从无限远成像到IMA面上，zemax就模拟在无限远有若干个发光点，这些点平行射入入瞳，然后经过光学系统，最后成像在IMA面上。显然如果光学系统是完美的光学系统，那么这些点成像点为一个理想的点。但对于实际的光学系统，就会成像为一个弥散斑。那么这个弥散斑在IMA面上的像，就是SpotDiagram。同理，在非轴上点，也可以参照主光线的角度和位置，形成一系列的发光点，经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。如何通过spotdiagram看光学设计的质量，简单说，这个弥散

3、斑越小越好。如果你发现弥散斑足够小，满足你对光学系统最小弥散斑的要求（spotdiagram的单位是微米）那么你的光学系统就完全可以进行实际的加工了。换句话说，就是你的光学系统已经可以设计完成了。如何才知道你的光学系统足够的好？这里有个参考，就是airy斑的参考。airy斑是物理光学的一个概念。它指出在形成的弥散斑直径在2.44*F*(主波长)以内的时候，该光学系统可以认为是理想（完美）光学系统。这样当你在spotdiagram图中，在setting菜单中，设置显示airy斑。然后发现你的点图完全都在airy斑环之内，你就可以认为你的光学系统设计已经完美

4、。但实际上，很少有光学系统，可以满足符合airy斑直径的要求。那么说明你的光学系统有像差。究竟是哪种像差在起主要作用？主要的像差有，球差，慧差，像散，场曲，畸变。这些像差在spotdiagram上的表现各不相同。但由于一个光学系统通常是各种像差的混合。因此需要你对spotdiagram的形状进行判断。确认是主要是哪种像差，然后通过修改玻璃，或者曲率以及光阑的位置等加以调整。在spotdiagram中还有几个参数可以参考，RMSRADIUS，均平方根半径是一个重要的半径参数，它是弥散斑各个点坐标，参考中心点，进行的坐标平方和后，除以点数量，然后开方的值，这

5、个值的半径可以反映一个典型的弥散斑的大小，但它不是全部弥散斑的直径，全部弥散斑的直径是GEORADIUS。RMSRADIUS是重要的反映弥散质量的参数，它和在优化中，MF的值极大的吻合。(就是说MF的某个视场最后值就是RMS的半径)二、Zemax基本像差的控制和优化光学设计论著中评价光学系统设计阶段的成像质量通常使用两套像差曲线体系。一个是“独立几何像差”，分别描述了成像光束在像空间的结构和状态。例如轴上点球差和轴向色差曲线，轴外点像散、场曲曲线，等等，其优点是很明显的，能够直观的了解该项像差的定性和定量数值。对于特定的光学系统，设计人员容易从该系统可能

6、存在的主要像差分析入手，快速了解和控制像差优化进程中变化趋势，很方便制定下一步校正方法。其缺点就是系统性不强，只能反映影响像质的某些方面，不能反映全局的像差情况。一个是“垂轴像差曲线”，定义为不同孔径子午、弧矢光线和主光线在理想像平面上的交点之间的距离来表示。其直接给出了不同孔径的光线对在像平面上的弥散位置，反映了像点的大小和光束能量集中程度，全面显示了系统的成像质量。单项几何像差和垂轴像差都是用来描述系统的成像质量的，两者从不同的方向对系统成像质量进行了描述。如果说垂轴像差侧重于综合性、总体性，那么单项几何像差侧重于局部、某个形态。两者之间的关系可以概

7、括为“系统”和“局部”的关系。也就是说，从垂轴像差曲线设计人员能够宏观的了解成像质量的情况，例如：像点弥散斑大小，能量集中程度，彗差大小，场曲大小，轴外球差情况，从而判定系统的整体好坏。当然，如果要更为直观的、定量的了解垂轴像差曲线反映的像差情况，可以查看几何像差曲线。ZEMAX中没有提到的像差曲线，例如：轴外球差，彗差等。正确的设计思路归结如下：设计人员心中对系统的成像质量评价要综合使用目的、设计、加工制造等环节后建立的一套清晰的体系。ZEMAX提供的工具很多，有些是侧重某个方面的像差，有的是仿真计算某种光学特性。笔者认为，设计人员手下的作品都是有针对

8、性的，有服务方向的，就拿光学镜头而言，摄像机镜头、数码相机镜头、照相镜头、安防镜