在光学系统设计与分析中，光线高度数的控制与光线光扇图的解读是评估成像质量、优化镜头结构的重要手段。Zemax作为全球广泛使用的光学设计软件，提供了强大的光线追迹与图形分析工具，支持工程师高效处理复杂光路结构。然而，很多初学者在使用时常常会问：“Zemax怎么操作光线高度数？”“Zemax光线光扇图怎么分析？”这些问题不仅关乎操作技巧，更关系到对成像误差来源与系统性能的理解。本文将围绕这两个主题，从参数设定、分析方法到实战技巧，系统讲解Zemax中如何操控光线高度数与解读光扇图，助你提升光学系统设计水平。

　　一、Zemax怎么操作光线高度数

　　所谓“光线高度数”（Ray Height），是指某条光线在透镜或光学表面处与光轴的垂直距离，是光线追迹分析中的基础参数。Zemax提供了多种方式来控制光线高度，用于定义不同视场角、像面位置或光瞳位置下的光线路径。

　　下面是具体操作方式：

　　1.设置视场点（Field Point）实现光线高度控制

　　在Zemax的LDE（Lens Data Editor）中，点击“Field”页签；

　　设置视场角（以角度或像高形式）：

　　使用Angle：如0°表示主光轴，10°表示偏轴；

　　使用Image Height：指定像平面上的位置，如±7mm；

　　每个视场点将追迹一组不同入射角度的光线，间接控制光线高度。

　　2.修改Entrance Pupil Parameters控制入瞳位置

　　打开System Explorer→Aperture→Entrance Pupil；

　　修改Entrance Pupil Diameter（瞳孔直径）和位置（Pupil Location）；

　　这将影响光线在前组透镜上的入射高度，尤其影响高像差设计。

　　3.使用特定追迹光线（Paraxial、Real Ray）观察高度数

　　在Analyze→Ray Trace中选择Paraxial Ray；

　　或使用Single Ray Trace手动输入位置、角度；

　　Zemax会返回每个光学面上的光线高度值，供对比与诊断。

　　4.配合Merit Function或操作脚本控制高度

　　在Merit Function中使用operand如HAYE（光线高度）追踪特定光线高度；

　　用于自动优化某个表面光线交点位置；

　　高级用户可借助ZPL（Zemax Programming Language）动态生成光线组合。

　　5.调整Aperture Stop与各面Aperture

　　指定某个光学面为Aperture Stop；

　　Zemax自动计算该面上下游光线通过时的实际高度；

　　可通过查看光线追迹表确认是否符合系统光瞳设计。

　　二、Zemax光线光扇图分析

　　光线光扇图（Ray Fan）是Zemax中用于分析像差（特别是横向像差和主光线倾斜误差）的核心图表之一，能直观反映不同光线偏离理想成像位置的程度。

　　1.打开Ray Fan图

　　进入Zemax；

　　点击菜单栏：Analyze→Aberrations→Ray Fan；

　　或点击快捷图标直接生成图表；

　　可以选择显示纵向（Y）或横向（X）方向的光扇图。

　　2.Ray Fan图的基本结构

　　横坐标为光线在瞳面上的高度（通常以pupil fraction表示）；

　　纵坐标为该光线在像面的像差偏移（单位可为mm、µm或波长）；

　　图中多条曲线代表不同视场点（如中心视场、边缘视场）；

　　一条曲线的上下弯曲代表系统存在球差、像散、彗差等。

　　3.如何解读Ray Fan图

　　直线性偏移：表明系统中存在倾斜误差或主光线偏心；

　　抛物线形状：可能是球差或孔径像差；

　　双峰曲线：典型像散；

　　明显偏离零线：整体偏心或校准问题；

　　不同视场点曲线间隔大：系统视场像差显著；

　　若所有曲线接近水平零线，说明系统像差校正较好。

　　4.Ray Fan与波前差图的关系

　　Ray Fan表示的是几何像差；

　　Wavefront Map则表示光学相位偏差；

　　两者结合使用，可同时评估光路偏移与波前质量。

　　5.用Merit Function关联Ray Fan优化结果

　　可将Ray Fan中的像差偏差数值导入Merit Function（使用operand，如RAYX、RAYY）；

　　进行自动像差校正或优化特定视场点表现；

　　常用于设计照相镜头、显微镜物镜、激光准直模块等高精度系统。

　　三、实用技巧：高效运用高度控制与光扇图分析

　　1.不同像高对应不同入射角

　　在光学系统中，改变视场高度等于改变主光线倾角；

　　可利用“Field Type”切换Image Height与Angle模式，适应不同系统布局。

　　2.多视场组合追迹效果更具参考意义

　　单视场分析可能掩盖问题；

　　建议设置中心、半视场、边缘视场共3~5个视场点；

　　可结合Ray Fan、Spot Diagram、Wavefront分析综合判断系统成像质量。

　　3.Ray Fan可作为优化目标

　　可将光扇图结果写入Merit Function；

　　通过优化折射率、曲率半径、镜片间距等参数，压缩光线偏移；

　　有助于降低像差，提高分辨率与均匀性。

　　4.自定义光线组测试高度响应

　　使用“Single Ray Trace”功能测试某一高度光线穿过系统后的行为；

　　用于验证对称性或特殊偏心设置下的系统鲁棒性。

　　四、总结

　　综上所述，“Zemax怎么操作光线高度数”可通过设置视场点、控制入瞳参数、调整Aperture Stop、追踪特定光线等方式实现，精确分析不同入射高度光线在系统内的行为；“Zemax光线光扇图分析”则是利用Ray Fan图直观展示不同光线在像面上的像差偏移，通过曲线形态判断像差类型，并作为优化依据提升系统性能；只要灵活使用光线高度和光扇图，你就能让Zemax成为光学系统从原理验证到性能调优的高效引擎，助你构建更优质的成像和投光解决方案。