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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μm，弧矢弥散半径近似为1300 μm。
由Ray aberration图可以看出几何像差存在时的综合弥散情况，还可以看出其他独立几
何像差的大小，如由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差分量，诸如球差、场曲、离焦的大小，图1.9中表明目前初始结构的场曲较大；再如由曲线边缘孔径（±1.0）处的Y-aberration之和，能够反映慧差大小；如果工作波长是一光谱段，每一视场的Ray aberration曲线中每一幅图有三根曲线，反映波长序号为1,2,3的Ray aberration数据。这样Ray aberration曲线中，1,3波长的曲线与EY轴的交点之差反映垂轴色差的大小。随着视场的变化，可以清楚垂轴色差的变化。
图 1.9 前例Ray aberration曲线
如果在Ray aberration曲线窗口中，选择Setting或在任一位置，右击鼠标，将弹出设置对话框，对话框中选项的含义参见表1.2。
表1.2 例题的初始结构参数
选 项 Plot Scale
含 义
绘图比例，输入的数值用于定义纵轴半轴长度，单位：μm；数值越小，曲线被放大；数值越大，曲线被压缩，0表示正半轴最大数值自动选定。
Number of Rays Wavelength Field
子午或弧矢面主光线两侧追迹的光线数目 波长序号选项，All表示全选 视场，All表示全选
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Tangential 每一视场左边曲线纵轴像差的选项，有X-aberration和Y-aberration两种，如果选X-aberration，纵轴变为EX，否则EY
Sagital 每一视场右边曲线纵轴像差的选项，有X-aberration和Y-aberration两种，如果选X-aberration，纵轴变为EX，否则EY
Use Dashes Check apertures Vignetted Pupil
选中，曲线以黑白虚线表示
选中，则检查光线是否在每个光学面上的有效通光孔径内 选中，则横轴1.0表示轴上物点的光瞳直径，对大视场光学系统，如存在渐晕，则轴外视场的Ray aberration曲线中横轴取值会小于1.0，能够明显反映渐晕现象；如不选，横轴1.0可以表示渐晕时光瞳归一化孔径，取值从0~1.0，曲线反映不出渐晕现象。此时，0视场与轴外视场曲线中横轴1.0表示绝对孔径长度是不等的
?
Optical path
显示的光瞳归一化坐标（PX,PY）为横轴的光程差曲线，相当于一维波差曲线，纵轴为光程差，以主光线所走过的光程为基准。
?
Pupil Aberration
反映光瞳像差。表示实际主光线与光瞳面交点，离开高斯主光线与光瞳面交点的距离，一般用占光瞳半径的百分数表示，图1.10给出了1.3节例物在1000 mm处初始结构的光瞳像差曲线，由该图看出，由于物位于子午面内，在子午面内存在明显的光瞳像差，表示轴外光瞳偏心。此时，如不消除光瞳像差，会影响各种轴外像差值的精确计算，如选“System→General…→Ray Aiming→Aiming to aberration (real) stop height”，则可以很好地消除光瞳像差。
图1.10 1.3节中例在1000mm处初始结构的Pupil Aberration
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2. Stop Diagrams（几何点列图）
Ray aberration仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，几何点列图则能反映任一物点发出的充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散情况。
几何点列图通常以主光线与像面交点为原点，进行量化计算点列图的弥散情况，ZEMAX在此基础上，还给出以虚拟的“质心”、“平均”为原点的量化点列图。
图1.11表示了1.3节例子物在1000mm处初始结构的像面点列图。使用点列图的评价像质，除了观察点列图形状外，一般还使用两个指标，即，如图1.11下方的RMS Radius与GEO Radius，单位一般仍为 μm。前者表示点列图弥散的实际几何半径。有时如仅有两根光线与像面交点散的厉害，而其他光线分布比较集中，即RMS Radius较小，而GEO Radius较大，仍认为像质比RMS Radius值较大时好一些。
过去在设计使用胶卷的照相物镜时，常用点列图进行像质评价，如果每一视场点列图的RMS Radius小于15 μm，则可认为设计中的照相物镜系统已经具有较好的像质。
图1.11中给出了三个视场的点列图情况，由点列图的图案及RMS Radius、Geo Radius值也可以估算独立几何像差大小，即可判断是什么样的像差影响点列图的渐小。如从图1.11中可以明显地看出场曲与像散是该初始结构主要存在的几何像差。
图1.11 1.3节例物在1000mm处初始结构的点列图
点列图（Spot Diagrams）的表现形式有五种：标准点列图（Standard）、离焦点列图（Through Focus）、反映视场像高的点列图（Full Field Spot Diagrams）、随视场与波长变化的点列阵图（Matrix Spot Diagrams）、随视场与多重结构变化的点列阵图（Configuration Matrix Spot Diagrams）。其
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