Zemax, LLC
Getting Started With
OpticStudio 16.5
October 2016
www.zemax.com
[email protected]
[email protected]
目次
目次
1
OpticStudio 16.5 入門
5
Zemax OpticStudio をご購入いただきありがとうございます。............................5
重要な注意事項 .........................................................................................................................6
インストール ..............................................................................................................................7
ハードキー (USB) ライセンス ...............................................................................7
ソフトキー ライセンス ........................................................................................ 10
トラブルシューティング .................................................................................................... 13
インストールのカスタマイズ ........................................................................................... 14
OpticStudio のインターフェイスの操作
15
システム エクスプローラ ................................................................................................... 19
[ファイル] (File) タブ ............................................................................................................ 20
[設定] (Setup) タブ ................................................................................................................ 21
[解析] (Analysis) タブ ............................................................................................................ 22
[解析] (Analysis) タブ (ノンシーケンシャル UI モード) ........................................... 23
[最適化] (Optimize) タブ ..................................................................................................... 24
[公差] (Tolerance) タブ ........................................................................................................ 25
[ライブラリ] (Libraries) タブ ............................................................................................. 25
[パート デザイナー] (Part Designer) タブ .................................................................... 26
[プログラミング] (Programming) タブ ......................................................................... 27
[ヘルプ] (Help) タブ .............................................................................................................. 28
スプレッドシート エディタの使用 ................................................................................ 28
解析ウィンドウの使用 ......................................................................................................... 30
シェーデッド モデルの使用 .............................................................................................. 32
ウィンドウの配置 .................................................................................................................. 32
印刷で使用するウィンドウ ............................................................................................... 33
チュートリアル
35
チュートリアル 1: OpticStudio による設計のウォークスルー............................. 35
チュートリアル 1.1: レンズ データ エディタ ............................................. 42
チュートリアル 1.2: 解析ウィンドウ .............................................................. 45
チュートリアル 1.3: システム エクスプローラ .......................................... 47
チュートリアル 1.4: 正規化座標系 .................................................................. 51
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目次 • 1
チュートリアル 2: 面の定義、配置、移動 .................................................................. 56
チュートリアル 2.1: 三次元での作業 .............................................................. 59
チュートリアル 3: マルチコンフィグレーションの設計 ....................................... 63
チュートリアル 4: 機械 CAD パッケージへのエクスポート ................................ 78
チュートリアル 5: 最適化 ................................................................................................... 81
チュートリアル 5.1: レンズの仕様 .................................................................. 81
チュートリアル 5.2: システム エクスプローラでの基本光学系の入力 82
チュートリアル 5.3: レンズ データ エディタでの基本光学系の入力 86
チュートリアル 5.4: 適切な最適化のためのヒント ................................108
チュートリアル 6: ノンシーケンシャル光線追跡 (Professional および
Premium のみ)........................................................................................................................112
チュートリアル 6.1: 簡単な例 .........................................................................112
チュートリアル 6.2: オブジェクトの配置と定義 .....................................123
チュートリアル 6.3: シーケンシャル光線追跡とノンシーケンシャル光
線追跡の組み合わせ ............................................................................................129
チュートリアル 6.4: 光線追跡とデータの取得 .........................................131
チュートリアル 6.5: 複雑なオブジェクトの作成 .....................................141
チュートリアル 7: ノンシーケンシャル光学系の最適化 .....................................146
チュートリアル 8: 測色 .....................................................................................................151
チュートリアル 9: 偏光、コーティング、散乱 .......................................................154
チュートリアル 9.1: 偏光 ...................................................................................155
チュートリアル 9.2: 薄膜コーティング .......................................................159
チュートリアル 9.3: 光線分割 .........................................................................169
チュートリアル 9.4: 光線の散乱 .....................................................................171
チュートリアル 9.5: 重要度サンプリング ...................................................175
チュートリアル 9.6: バルク散乱と蛍光散乱 ..............................................176
次のステップ .........................................................................................................................178
テクニカル サポートの利用方法 ....................................................................179
レンズ設計に関する参考文献 ..........................................................................180
Zemax 13 以前からの変換
181
Zemax 13 の [ファイル] (File) メニュー .......................................................................184
Zemax 13 の [エディタ] (Editors) メニュー ................................................................185
Zemax 13 の [システム] (System) タブ ........................................................................187
Zemax 13 の [解析] (Analysis) メニュー .......................................................................190
Zemax 13 の [ツール] (Tools) メニュー ........................................................................195
Zemax 13 の [レポート] (Reports) メニュー ..............................................................203
Zemax 13 の [マクロ] (Macros) メニュー ....................................................................205
Zemax 13 の [拡張機能] (Extensions) メニュー .........................................................206
Zemax 13 の [ヘルプ] (Help) メニュー .........................................................................207
2D 解析ウィンドウ .............................................................................................................208
3D 解析ウィンドウ .............................................................................................................209
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目次 • 2
シェーデッド モデル ..........................................................................................................210
エディタ ..................................................................................................................................210
規則と定義
210
索引
227
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目次 • 3
OpticStudio 16.5 入門
Zemax OpticStudio をご購入いただ
きありがとうございます。
OpticStudio は業界標準の光学系設計ソフトウェアであり、シーケンシャルなレンズ設計、解析、
最適化、公差解析、物理光学、ノンシーケンシャル光学系設計、偏光、薄膜モデリング、および機
械設計 CAD のインポート/エクスポートを、使いやすい単一のパッケージに収めています。
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OpticStudio 16.5 入門 • 5
OpticStudio の使用は容易ですが、光学系設計は非常に幅広い技術です。このガイドは、短期間で
OpticStudio を使用できるようにすることを目的としています。初めて OpticStudio を使用する場
合、または Zemax の以前のバージョンからアップグレードする場合は、まずこのドキュメントに
目を通してください。
この OpticStudio 入門の情報を最初から最後まで理解されることを強くお勧めします。ここで取り
上げている内容は次のとおりです。
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OpticStudio のインストール、および環境設定での外観とファイルの場所のカスタマイズ
簡単なシーケンシャル設計の入力
OpticStudio で使用する初期化の定義の理解
マルチ コンフィグレーション機能の概要
機械設計 CAD パッケージにコンポーネントと光線をエクスポートする方法
簡単なレンズの最適化
OpticStudio に用意されているいくつかの高機能なツールの使用
光学部品のティルトとディセンタ
簡単なノンシーケンシャル光学系の入力、光線追跡、およびディテクタの使用
測色
薄膜コーティング
面散乱、バルク散乱、および蛍光散乱
また、当社の Web ベースのナレッジ ベース (www.zemax.com/kb) もすべての OpticStudio ユーザ
にとって不可欠のリソースです。ここには、チュートリアル、使用例、さまざまなよくある質問に
対する回答が掲載されています。
重要な注意事項
OpticStudio® は Zemax LLC の登録商標です。Copyright © Zemax LLC 1990-2016. All rights
reserved.
LightingTrace® は Zemax LLC の登録商標です。Copyright © Zemax LLC 1990-2016. All rights
reserved.
ReverseRadiance は Zemax LLC の商標です。Copyright © Zemax LLC 1990-2016. All rights reserved.
SolidWorks® は Dassault Systèmes SolidWorks Corporation の登録商標です。
AutoDesk Inventor® は Autodesk, Inc. の登録商標です。
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OpticStudio 16.5 入門 • 6
Creo Parametric® は Parametric Technology Corporation の登録商標です。
MATLAB® は The Mathworks, Inc. の登録商標です。
その他すべての製品名または商標には、それぞれの所有者が所有権を有しています。
ヘルプ ファイル ドキュメントに記述された情報は、通知なしに変更されることがあります。また、
ドキュメント提供者の責務を示すものではありません。このドキュメントに記載されているソフト
ウェアは、ライセンス許諾契約に基づいて提供され、その契約の条項に従ってのみ、使用または複
製できます。
Zemax LLC では、このドキュメントを現状有姿で提供するものであり、商品性の暗黙的な保証や特
定用途への適合性の保証も含め、明示的であるか暗黙的であるかを問わず、いかなる保証もいたし
ません。いかなる場合も Zemax LLC は、このドキュメントまたはソフトウェアの欠陥またはエラ
ーに起因して発生した利益の損失、事業の損失、使用機会またはデータの損失、事業の中断に一切
責任を負わず、これらによって発生した間接的、特別、偶発的、必然的ないかなる損害に対しも一
切責任を負いません。このような損害が発生する可能性が Zemax LLC に通知されていたとしても
同様です。
インストール
Zemax から購入したライセンスの種類に応じて、ハードキーまたはソフトキーのいずれかのライ
センスの指示に従う必要があります。ソフトキー ライセンスを購入された場合は、25 ～ 30 桁の
英数字コードを通知する電子メールを当社営業担当からお送りします。ハードキー ライセンスを
購入された場合は、USB ドングルを郵送いたします。
ハードキー (USB) ライセンス
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OpticStudio 16.5 入門 • 7
ハードキー (USB) のインストール
必要なすべてのファイルは www.zemax.com/downloads からダウンロードできます。
OpticStudio のインストーラは、必要なファイルをすべて収めたインストール パッケージです。
OpticStudio のプログラム (ZOS)、USB ライセンス ドライバ、および ZOS を実行するために必要と
なる Microsoft 製コンポーネントを収録しています。最初はハードウェア キーをコンピュータに接
続しないでください。インストーラをダウンロードして実行し、画面上の指示に従います。
OpticStudio のインストール先を \program files\ 階層の中で選択できます (デフォルトでは
C:\Program Files\Zemax OpticStudio\ です)。デフォルトと異なるフォルダを選択すると、今後イン
ストールする更新ではそのフォルダの場所が記憶されており、別の場所を定義するまで、そこがデ
フォルトとして扱われます。
インストーラでは、自動的にコンピュータをスキャンして、キー ドライバと OpticStudio の実行に
必要な Microsoft 製コンポーネントが存在していることを確認します。キー ドライバまたはいずれ
かの必須コンポーネントが欠落している場合は、必要なファイルがダウンロードされ、インストー
ルされます。以降は、Windows Update によってこれらが最新の状態に維持されます。
また、コンピュータのファイアウォール設定を変更する許可を求めるダイアログ ボックスが表示
されます。これは、このコンピュータのリモート ユーザがリモート デスクトップを使用して、こ
のコンピュータにインストールされている Zemax を実行できるようにするためです。このような
変更を許可する場合は [はい] (Yes)、許可しない場合は [いいえ] (No) をクリックします。この設定
を変更するにはインストーラを再実行します。
インストールが完了した時点でキーを接続すると Windows によってハードウェア キーが検出され
ます。キーの先端にある緑色の LED が点灯します。この緑色の LED の点灯を確認できれば、
OpticStudio を起動して作業を開始できます。
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OpticStudio 16.5 入門 • 8
初めて OpticStudio をインストールする際の詳細な指示については、次のナレッジ ベースの記事を
参照してください。http://www.zemax.com/support/knowledgebase/installing-opticstudio-for-thefirst-time
ライセンス コード
OpticStudio には、ご使用のバージョンがコンパイルされた時点で実行可能なすべてのキーのライ
センス コードが組み込まれています。新しいキーを購入した場合は、そのライセンス コードが組
み込まれていないので、自動的に最新バージョンのライセンス コード ファイルが zemax.com の
Web サイトからダウンロードされます。何らかの理由で有効なライセンス コードを取得できない
場合は、次のダイアログが表示されます。
Alt + Print Screen キーを使用してこのダイアログをクリップボードにコピーし、電子メールに貼り
付けて [email protected] まで送付してください。直ちにライセンス コードを送付するか、詳し
い操作方法を説明させていただきます。
注釈 : 電話でのライセンス コードのお問い合わせはご遠慮ください。ライセンス コードは複数の
文字から成る複雑な文字列であり、電話では正確にお伝えできません。ライセンス コードを入手
するには、ダイアログ ボックスのスクリーンショットを電子メールでお送りいただくことが、最
も早く、間違いのない方法です。
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OpticStudio 16.5 入門 • 9
ハードキーのネットワーク インストール
Zemax OpticStudio には、5 人、10 人、25 人、50 人のユーザで利用できるネットワーク キーも用
意されています。インストール方法はほとんど同じですが、キー ドライバとハードウェア キーを
1 台のコンピュータ (「キーサーバー」) にインストールし、Zemax OpticStudio と必須コンポーネ
ントを必要な台数の他のコンピュータ (「クライアント」コンピュータ) にインストールする点が異
なります。クライアント コンピュータで OpticStudio を起動しようとすると、使用可能なライセン
スがキーサーバーに存在するかどうかが確認され、存在していれば OpticStudio が起動します。
キーサーバーへのキー ドライバのインストールは通常のインストールと同じですが、キーにネッ
トワーク アクセスできるようにファイアウォールの設定変更を明示的に許可する必要がある点が
異なります。
クライアント コンピュータへの OpticStudio のインストールも通常のインストールと同じですが、
インストール後にキーサーバーを探す場所を OpticStudio に指示する必要があります。OpticStudio
のインストール先フォルダ (デフォルトでは C:\Program Files\Zemax OpticStudio\) に移動して
sntlconfig.xml.bak というファイルを探します。このファイルの名前を sntlconfig.xml に変更し、メ
モ帳で開きます。次の行を編集します。
<ContactServer>
10.0.0.1
</ContactServer>
デフォルトのエントリ 10.0.0.1 を、キーサーバーの IP アドレスに置き換え、ファイルを保存しま
す。
ネットワーク ライセンス バージョンの OpticStudio をインストールしている場合は、次のインス
トール ガイドを参照してください。
http://www.zemax.com/support/resource-center/knowledgebase/how-to-install-the-networklicense-version-of-opti
ソフトキー ライセンス
www.zemax.com/downloads から OpticStudio のインストーラをダウンロードします。ソフトキー
ライセンスは、OpticStudio 15.5 以降でのみ使用可能です。インストーラを実行し、画面上の指示
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OpticStudio 16.5 入門 • 10
に従います。OpticStudio をインストールする場所を \program files\ 階層の中で選択できます (デ
フォルトでは C:\Program Files\Zemax OpticStudio\ です)。デフォルトと異なるフォルダを選択す
ると、今後インストールする更新ではそのフォルダの場所が記憶されており、別の場所を定義する
まで、そこがデフォルトとして扱われます。
インストーラでは、自動的にコンピュータをスキャンして、OpticStudio の実行に必要な Microsoft
製コンポーネントが存在していることを確認します。いずれかの必須コンポーネントが欠落してい
る場合は、必要なファイルがダウンロードされ、インストールされます。以降は、Windows
Update によってこれらが最新の状態に維持されます。
このインストーラでは、ソフトキー ドライバと管理ソフトウェアのすべてのコンポーネント、
Zemax ライセンス マネージャー (ZLM) もインストールします。また、コンピュータのファイアウ
ォール設定を変更する許可を求めるダイアログ ボックスが表示されることがあります。これは、
このコンピュータのリモート ユーザがリモート デスクトップを使用して、このコンピュータにイ
ンストールされている Zemax を実行できるようにするためです。このような変更を許可する場合
は [はい] (Yes)、許可しない場合は [いいえ] (No) をクリックします。この設定を変更するにはイン
ストーラを再実行します。
インストールが完了したところで Zemax OpticStudio (ZOS) を起動します。ライセンスが検出され
ない場合は、ZLM を開きます。Zemax の営業担当から電子メールでお送りした英数字のアクティ
ベーション コードを [アクティベート] (Activate) タブで入力する必要があります。ライセンスをア
クティベートするには、インターネットに接続する必要があります。コンピュータをインターネッ
トに接続していない場合は、必要に応じて [email protected] より手動のインストール手順をご
案内できます。
ネットワーク ライセンス バージョンの OpticStudio のインストール方法の詳細については、次の
インストール ガイドを参照してください。http://www.zemax.com/support/resourcecenter/knowledgebase/how-to-install-the-network-license-version-of-opti
ソフトキーのネットワーク インストール
Zemax OpticStudio には、任意のシート数で利用できるネットワーク ライセンスが用意されていま
す。インストール方法はスタンドアロン ライセンスによく似ていますが、キー ドライバとアクテ
ィベーション コードを 1 台のコンピュータ (「キーサーバー」または「ネットワーク」マシン) に
インストールし、Zemax OpticStudio と必須コンポーネントを必要な台数の他のコンピュータ
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OpticStudio 16.5 入門 • 11
(「クライアント」コンピュータ) にインストールする点が異なります。クライアント コンピュータ
で OpticStudio を起動しようとすると、キーサーバーが検索され、ネットワーク ライセンスで使用
できるシートがあるかどうかが確認されます。シートがある場合は、そのシートが予約され、
OpticStudio のプログラムが起動します。
すべてのダウンロードは、www.zemax.com/downloads に用意されています。
キーサーバー マシン
Zemax ライセンス マネージャー (ZLM) のインストーラ パッケージをダウンロードし、実行します。
システムのファイアウォール設定を変更する許可が求められるので [はい] (Yes) をクリックします。
これによって、ネットワーク ライセンスのシートをクライアント コンピュータで確認できるよう
になります。このインストーラ パッケージには、ソフトキー ライセンス ドライバが付属していま
す。インストールの完了後、ZLM の起動アイコンまたは C:/Program Files/Zemax License
Manager/ZemaxLicenseManager.exe から ZLM を起動します。
Zemax の営業担当からお送りした 25 ～ 30 桁の英数字コードを [アクティベート] (Activate) タブで
入力する必要があります。この手順を実行するには、ネットワーク コンピュータをインターネッ
トに接続している必要があります。サーバーとクライアント コンピュータをインターネットに接
続していない場合は、必要に応じて [email protected] より手動のインストール手順をご案内で
きます。ライセンスをアクティベートすると、[ライセンス情報] (License Information) タブに該当
の情報が表示されます。ZLM のインターフェイスの詳細およびシステム管理者としての管理作業
の詳細については、以下のナレッジ ベースの記事を参照してください。
http://zemax.com/support/resource-center/knowledgebase/how-do-i-monitor-usage-of-thenetwork-key
キーサーバーで OpticStudio を実行する場合は、以下の「クライアント コンピュータ」の指示にも
従ってください。
クライアント マシン
www.zemax.com/downloads から OpticStudio のインストーラをダウンロードします。ソフトキー
ライセンスは、OpticStudio 15.5 以降でのみ使用可能です。インストーラを実行し、画面上の指示
に従います。OpticStudio をインストールする場所を \program files\ 階層の中で選択できます (デ
フォルトでは C:\Program Files\Zemax OpticStudio\ です)。デフォルトと異なるフォルダを選択す
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
OpticStudio 16.5 入門 • 12
ると、今後インストールする更新ではそのフォルダの場所が記憶されており、別の場所を定義する
まで、そこがデフォルトとして扱われます。
インストーラでは、自動的にコンピュータをスキャンして、OpticStudio の実行に必要な Microsoft
製コンポーネントが存在していることを確認します。いずれかの必須コンポーネントが欠落してい
る場合は、必要なファイルがダウンロードされ、インストールされます。以降は、Windows
Update によってこれらが最新の状態に維持されます。
このインストーラでは、ソフトキー ドライバと管理ソフトウェアのすべてのコンポーネント、
Zemax ライセンス マネージャー (ZLM) もインストールします。また、コンピュータのファイアウ
ォール設定を変更する許可を求めるダイアログ ボックスが表示されることがあります。これは、
このコンピュータのリモート ユーザがリモート デスクトップを使用して、このコンピュータにイ
ンストールされている Zemax を実行できるようにするためです。このダイアログ ボックスが表示
された場合は [はい] (Yes) をクリックします。
インストールが完了したところで Zemax OpticStudio (ZOS) を起動します。OpticStudio はネット
ワークを検索し、使用できるライセンスを探し出します。ほとんどの場合、追加の情報が要求され
ることなく、OpticStudio が起動します。使用しているライセンスの詳細は、[ヘルプ] (Help) →
[OpticStudio について] (About) または [ヘルプ] (Help) → [ライセンス マネージャー] (License
Manager) で確認できます。ライセンスが検出されない場合は、以下にあるトラブルシューティン
グの手順を参照してください。http://zemax.com/support/resourcecenter/knowledgebase/troubleshooting-your-opticstudio-installation
コンピュータで使用できるライセンスが複数ある場合は、[ヘルプ] (Help) → [ライセンス マネージ
ャー] (License Manager) → [ライセンス情報] (License Information) で、使用するライセンスを設定
することもできます。プログラムの起動時にこのライセンスが使用可能であれば、最初に使用され
ます。
トラブルシューティング
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
OpticStudio 16.5 入門 • 13
OpticStudio はほとんどの場合、問題なく実行されます。問題が発生した場合は、
www.zemax.com/kb のナレッジ ベースを参照してください。インストールとトラブルシューティ
ングに関するカテゴリが参考になります。
キーを接続していることまたはソフトキー ライセンスがアクティベート済みであることを確認し
ます。
インストールのカスタマイズ
OpticStudio のインストールでは、変更可能ないくつかのデフォルト設定が使用されます。プロジ
ェクト単位でこれらのデフォルトを設定することで、特定のプロジェクトのすべての設計で同じ設
定を使用することもできます。OpticStudio を起動し、次のように [設定] (Setup) → [プロジェクト
環境設定] (Project Preferences) に移動します。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
OpticStudio 16.5 入門 • 14
OpticStudio のインターフェイスの
操作
OpticStudio のユーザ インターフェイスは、ほとんどすべての光学系の設計と評価が可能な迅速で
柔軟なプラットフォームを提供します。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
OpticStudio のインターフェイスの操作 • 15
このインターフェイスは、主に次の領域で構成されています。
1. リボン バー : タスクごとのタブにまとめられ、このプログラムのすべての機能を容易に利
用できるようにしています。各タブでは各種のアイコンがグループ分けされています。以
下にその例を示します。
[設定] (Setup) はリボン バーの名前、[システム] (System)、[エディタ] (Editors)、[システム ビュ
ーア] (System Viewers) はグループの例です。
2. システム エクスプローラ : システム エクスプローラの表示と非表示はいつでも切り替える
ことができます。設計中の光学系に関するシステム固有の情報を表示します。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 16
3. ワークスペース : 作業を実施するための主要領域です。
4. クイック アクセス ツールバー : 頻繁に使用する機能をデスクトップに配置して、1 回のク
リックで利用できるようにします。ユーザ側で内容を定義できます。
このツールバーを設定するには、[設定] (Setup) → [プロジェクト環境設定] (Project
Preferences) → [ツールバー] (Toolbars) を使用します。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
OpticStudio のインターフェイスの操作 • 17
プロジェクトの環境設定を複数作成しておいて適宜呼び出し、進行中の作業に合わせてユ
ーザ インターフェイスをカスタマイズできます。
5. ステータス バー : ワークスペースの下部に、設計に関する有用な情報を表示します。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
OpticStudio のインターフェイスの操作 • 18
システム エクスプローラ
システム エクスプローラには、普通は設計プロジェクト
のごく初期段階で入力する基本的なシステム設定が表示
されます。これらの設定は最適化しないことが普通です
が、必要であれば最適化も可能です。
システム エクスプローラにある各グループは、必要に応
じて展開、閉じる操作、再編成が可能で、右上隅のコン
トロールを使用すれば、いつでも全体を非表示または拡
張表示にすることができます。
詳細については、ヘルプ ファイルで「[設定] (Setup) タ
ブ」の「[システム エクスプローラ] (System Explorer)」
を参照してください。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 19
[ファイル] (File) タブ
[ファイル] (File) タブには、ファイルの入出力に関するすべての機能が次のようなグループ分けで
配置されています。
[レンズ ファイル] (Lens File) グループには、ファイルを開く操作や保存など、Windows で通常実
行するすべてのファイル管理タスクがあります。OpticStudio のファイルは .ZMX 形式ファイルで
保存されますが、コンフィグレーションの設定を記述した .CFG ファイル、.ZMX ファイルを保存し
たときに開いていたウィンドウの設定を記録した .SES ファイルも同時に保存されます。
[アーカイブ] (Archive) グループでは、OpticStudio のアーカイブ ファイルの作成と開く操作が可
能です。これらのファイルは .ZAR 形式で保存され、OpticStudio がインストールされた別のコンピ
ュータでこのファイルを開くために必要なすべてのファイルが収められています。OpticStudio デ
ータ、ガラス、コーティング、CAD ファイル、SolidWorks™ など、レンズ設計で使用するすべての
ファイルがこの単一ファイルに圧縮されています。アーカイブの機能では、設計プロセスの進捗に
伴って容易に設計のバックアップを作成できるほか、別のコンピュータに設計を移行することもで
きます。
[エクスポート] (Export) グループでは、OpticStudio のすべてのエクスポート機能を利用できます。
STEP、IGES、SAT、STL の各形式の CAD ファイルへのエクスポートや、DXF 形式および IGES 形式
の線画図面へのエクスポートなどが可能です。
OpticStudio のブラック ボックス機能では、レンズ データのスプレッドシートの中で面の範囲を暗
号化できるので、設計の詳細そのものは開示せずに、そのスプレッドシートを OpticStudio の他の
ユーザに提供できます。これにより、必要に応じて光線追跡が全面的に可能なファイルを顧客や他
の同僚に提供し、設計の詳細を明らかにせずに光線追跡の正確な結果を伝えることができます。
暗号化コーティング機能は、薄膜コーティングの機能と似ており、薄膜コーティングのすべてのプ
レスクリプションを暗号化した形式でエクスポートできます。この機能でエクスポートしたファイ
ルでは、設計そのものは利用できない状態で、正確な光線追跡を実行できます。
[変換] (Convert) グループでは、OpticStudio のシーケンシャル (レンズ設計) モードとノンシーケ
ンシャル (システム設計) モード間の変換のほか、.MAT Matlab®、.INT 干渉計データ、.f3d
OptiWave データなどのさまざまなファイル形式と OpticStudio 形式との変換が可能です。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
OpticStudio のインターフェイスの操作 • 20
すべてのオプションの詳細については、ヘルプ ファイルの「[ファイル] (File) タブ」を参照してく
ださい。
[設定] (Setup) タブ
このタブは、設計プロジェクトに着手する際に使用するだけで、その後はほとんど使用しないか、
まったく使用しません。
[システム] (System) グループには、光学系の基本設計で使用するすべての操作がまとめて配置さ
れています。[プロジェクト環境設定] (Project Preferences) では、OpticStudio のインストール環境、
各種フォルダの場所、クイック アクセス ツールバーなどをカスタマイズし、これらの設定をプロ
ジェクトの設定ファイルに保存できます。
[エディタ] (Editor) グループでは、面ごとまたはオブジェクトごとに光学系を定義するために使用
するスプレッドシートを利用できます。
[システム ビューア] (System Viewers) グループでは、光学系自体の表示に使用するレイアウト プ
ロットを利用できます。
[システム診断] (Diagnostics) では、OpticStudio ファイルに問題がないかどうかを検査できます。
[システム チェック] (System Check) ユーティリティでは、発生しがちなさまざまな設定上の誤りを
検出できます。
[ウィンドウ コントロール] (Windows Control) では、OpticStudio のワークスペースで各ウィンド
ウが示す動作を定義します。ウィンドウは、固定表示、浮動表示、タイル表示、カスケード表示な
どが可能です。
[コンフィグレーション] (Configuration) は、複数のバージョンを持つ設計で使用します。このよ
うな設計の一般例として、ズーム レンズ、一定の温度範囲にわたるレンズの熱解析、走査レンズ、
可動部を備えたレンズなどがあります。複数のコンフィグレーションを定義していると、すべての
リボンに [コンフィグレーション] (Configuration) グループが表示されます。
すべてのオプションの詳細については、ヘルプ ファイルの「[設定] (Setup) タブ」を参照してくだ
さい。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 21
[解析] (Analysis) タブ
このタブでは、シーケンシャル UI モードでのすべての OpticStudio 解析機能を利用できます。ほ
とんどすべての結像光学系設計は、この UI モードで進めます。解析機能では、広範な要件にわた
って詳細な性能データが得られます。解析機能は、基本の設計を変更する機能は備えていませんが、
設計に必要な変更の指針として使用できる診断情報を提供します。
[システム ビューア] (System Viewers) タブでは、光学系自体を表示するレイアウト プロットを利
用できます。
[像質] (Image Quality) タブには、結像光学系とアフォーカル光学系の設計で使用するすべての解
析機能があります。この解析データとして、光線追跡データ、収差データ、波面、点像分布関数な
どがあります。
[レーザーとファイバ] (Lasers and Fibers) では、簡単なガウス ビーム解析、物理光学、ファイバ
結合計算など、レーザー システム特有の機能を利用できます。
[偏光と表面特性] (Polarization and Surface Physics) では、個々の面での薄膜コーティングの性
能、偏光による総合的な光学系性能の変化、面のサグ、位相、曲率のプロットなどを計算します。
[レポート] (Reports) は、プレゼンテーションを目的としたテキスト ベースの解析を提供します。
[ユニバーサル プロット] (Universal Plots) では、必要に応じて独自の解析機能を作成できます。
[アプリケーション] (Applications) では、双眼系解析、フリーフォーム解析、累進多焦点レンズ解
析など、用途固有の解析機能を提供します。また、OpticStudio のすべてのノンシーケンシャル機
能を利用できます。
複数のコンフィグレーションを使用しているレンズの場合は、[コンフィグレーション]
(Configuration) グループ (「[設定] (Setup) タブ」を参照) も表示されます。
詳細については、ヘルプ ファイルの「[解析] (Analysis) タブ」を参照してください。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 22
[解析] (Analysis) タブ (ノンシーケン
シャル UI モード)
このタブでは、ノンシーケンシャル UI モードで OpticStudio に用意されているすべての解析機能
を利用できます。ほとんどの照明、迷光、ライティングなどの設計でこのモードを使用します。解
析機能では、広範な要件にわたって詳細な性能データが得られます。解析機能は、基本の設計を変
更する機能は備えていませんが、設計に必要な変更の指針として使用できる診断情報を提供します。
[システム ビューア] (System Viewers) グループでは、光学系自体の表示に使用するレイアウト プ
ロットを利用できます。
[光線を追跡] (Trace Rays) では、包括的なノンシーケンシャル光線追跡エンジンまたは高速な近似
手法である LightningTrace™ を使用して光線追跡を開始します。LightningTrace™ は、光源を点光源
として近似できる場合にきわめて効果的です。
[ディテクタ] (Detectors) グループおよび [光線追跡解析] (Raytrace Analysis) グループでは、それ
までに実行済みの光線追跡を対象として幅広い解析を実行できます。
[偏光] (Polarization) では、オブジェクトの個々のフェイスに対する薄膜コーティングの性能を計
算します。
[ユニバーサル プロット] (Universal Plots) では、必要に応じて独自の解析機能を作成できます。
[アプリケーション] (Applications) では、街路照明解析など、用途特有の解析機能を提供します。
詳細については、ヘルプ ファイルの「[解析] (Analysis) タブ」を参照してください。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 23
[最適化] (Optimize) タブ
このタブでは、Zemax の最適化機能を制御します。
[手動調整] (Manual Adjustment) には、目的の性能を得るために手動で設計を調整するための機
能があります。このグループは、シーケンシャル UI モードでのみ使用可能です。
[自動最適化] (Automatic Optimization) では、Zemax で光学系の性能仕様をどのように定義する
かを記述するメリット ファンクション エディタを利用できます。最適化ウィザードでは、最小ス
ポット、最良の波面収差、最小角偏差などの一般的な要件に基づき、迅速に評価関数を生成し、実
際の要件に合わせて編集できます。
[グローバル サーチ] (Global Optimization) は、主に 2 つのシナリオで使用します。1 つは、設計
プロセスの着手時に、詳細な解析を実現できる設計形態を生成する場合 (グローバル最適化)、もう
1 つは、当初の最適化の後で現在の設計を徹底的に改善する場合 (ハンマー最適化) です。
[最適化ツール] (Optimization Tools) では、最適化後のさまざまな機能を実行できます。このよう
な機能として、非球面化に最適な面を特定する機能や、カタログ光学系を目指して現在の設計でレ
ンズを入れ替える機能などがあります。このグループは、シーケンシャル UI モードでのみ使用可
能です。
詳細については、ヘルプ ファイルの「[最適化] (Optimize) タブ」を参照してください。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 24
[公差] (Tolerance) タブ
公差解析では、有限の製造公差および組み立て公差が設計に及ぼす影響を確認できます。
[公差解析] (Tolerancing) グループでは、各パラメータに設定する公差を公差解析データ エディタ
で入力します。公差解析ウィザードを使用すると迅速に複数の公差を設定でき、後で編集できます。
[製造図面と製造データ] (Manufacturing Drawings and Data) グループ (シーケンシャル UI モー
ドのみ) では、ISO 10110 形式および Zemax の固有形式の製造図面や、製造設定の相互確認の対象
とする面に関するエクスポート データを作成します。
[自由曲面製造データ] (Freeform Manufacturing Data) グループでは、製造公差解析で使用できる
面情報が得られます。
[コスト エスティメータ] (Cost Estimator) は、レンズの製造コストを見積もるツールです。
詳細については、ヘルプ ファイルの「[公差] (Tolerance) タブ」を参照してください。
[ライブラリ] (Libraries) タブ
OpticStudio には、光学材料、在庫レンズ、薄膜コーティング、光源などに関する多くのデータが
カタログ データの形態で組み込まれていますが、ここに独自のデータを追加することもできます。
このタブでは、OpticStudio に付属しているすべてのカタログ データを利用でき、独自のデータを
入力することもできます。
[光学材料] (Optical Materials) グループでは、ガラス、プラスチック、複屈折媒質などのカタログ
を利用できます。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 25
[部品の在庫] (Stock Parts) グループには、Zemax に用意されているすべてのベンダーのレンズ カ
タログが保持されています。これらのカタログを迅速に検索して、用途に適したレンズを探し出す
ことができます。
[コーティング] (Coatings) グループには、薄膜コーティングを設計し、光学面に適用するためのデ
ータとツールがあります。
[散乱] (Scattering) グループでは、Zemax の面散乱ライブラリと散乱ビューアを利用できます。[IS
ライブラリ] (IS Scatter Catalog) には、さまざまな光学仕上げに関する測定データがあります。こ
のような仕上げとして、各種の無光沢黒色面、すりガラス面、異方性散乱面などがあります。
[光源] (Sources) グループでは、Radiant Source データ (空間、角度、オプションで波長) および
IES データ (角度のみ) のライブラリを利用できます。スペクトル (色) 情報がないデータ ファイルに
その情報を追加できます。また、いくつかの光源ビューア オプションが用意されています。
[光源ビューア] (Source Viewers) グループには、光源配光分布図およびスペクトルをモデル化す
るためのツールがあります。
詳細については、ヘルプ ファイルの「[ライブラリ] (Libraries) タブ」を参照してください。
[パート デザイナー] (Part Designer)
タブ
パート デザイナーは、パラメトリック オブジェクトを作成できる高度な形状作成ツールです。パ
ラメトリック オブジェクトは、OpticStudio Premium で最適化できます。パート デザイナーは、
ノンシーケンシャル UI モードでのみ使用可能です。
詳細については、ヘルプ ファイルの「[パート デザイナー] (Part Designer) タブ」を参照してくだ
さい。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 26
[プログラミング] (Programming) タ
ブ
OpticStudio には、きわめて多彩な機能と解析オプションが用意されていますが、そこには必ず機
能上の何らかの特殊な要件があります。このことから、OpticStudio にはいくつかのプログラミン
グ インターフェイスが組み込まれています。その 1 つとして、Basic に似ていることから習得が容
易なスクリプト言語である Zemax プログラミング言語 (ZPL) があります。特殊な計算、さまざま
な方法でのデータ表示、多用するキーボード操作の自動化などを ZPL で容易に実現できます。
拡張機能は、Zemax を制御し、解析の実行を指示して、得られた解析データを抽出できる外部プ
ログラムです。広く使用されているプログラムのうち、OpticStudio で機能するものとして
MatLab® と Python があります。当社がアプリケーション プログラマ向けに提供しているソフト
ウェア開発キット (SDK) である zclient を使用して、独自のプログラムを記述することもできます。
Zemax OpticStudio には、.NET 環境で使用できる ZOS-API プログラミング インターフェイスも用
意されています。このインターフェイスでは、C# などのあらゆる .NET 対応言語を使用できます。
また、ZOS-API を .COM 環境で使用することもできます。その場合は、C++ などのあらゆる .COM
対応言語を使用できます。
詳細については、ヘルプ ファイルの「[プログラミング] (Programming) タブ」を参照してください。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 27
[ヘルプ] (Help) タブ
[ヘルプ] (Help) タブには、このヘルプ ファイルへのリンクがあるほか、当社が提供する Web ベー
スのナレッジ ベース、Web サイト、およびユーザ フォーラムへのリンクも用意されています。
詳細については、ヘルプ ファイルの「[ヘルプ] (Help) タブ」を参照してください。
スプレッドシート エディタの使用
光学系に関するほとんどのデータは、1 つ以上のスプレッドシートに記述します。OpticStudio の
スプレッドシートは、使いやすさを考慮して、可能な限り Microsoft Excel® のシートに近い動作と
なるように設計されています。OpticStudio を使用する際の生産性向上を目的として、光学系設計
特有の構成となっている部分もあります。このエディタの一般的な画面を以下に示します。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 28
すべてのエディタは次の 3 つの領域で構成されています。
1. ウィンドウ上部のツールバー領域 : エディタに表示されたデータに対する各種操作およびそ
のデータに固有なタスクを実行するためのツールを提供します。たとえば、上の図に示し
たレンズ データ エディタの最初のアイコンは、任意のエレメント群にティルトやディセン
タを適用する [ティルト/ディセンタ エレメント] (Tilt/Decenter elements) ツールです。
2. 表示と非表示を切り替え可能なプロパティ ダイアログ : エディタにある各行または各項目
に関する詳細なデータを表示し、設定できます。このダイアログでは、一度設定するとほ
とんど変更しないデータを扱います。表示しておく必要がないプロパティは非表示にする
ことができます。
3. スプレッドシート領域 : 操作対象のデータを表示します。スプレッドシートのセルには、デ
ータを直接入力できるほか、Excel® のスプレッドシート関数に似た動作を実行するソルブ
で計算したデータを入力することもできます。
それぞれのエディタ、ツールバー、およびプロパティについては、該当する各章の説明を参照して
ください。
詳細については、ヘルプ ファイルの「[設定] (Setup) タブ」にある「[エディタ] (Editor) グループ」
で「エディタの使用」を参照してください。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 29
解析ウィンドウの使用
すべての解析ウィンドウは、次の 4 つの主要な領域で構成されています。
1. ツールバー : すべての解析ウィンドウに共通です。計算のほか、印刷、コピー、名前を付け
て保存など、さまざまな操作を制御する解析設定をツールバーから利用できます。
2. [設定] (Settings) ダイアログ : ツールバーの [設定] (Setting) を使用して表示と非表示を切り
替えることができるダイアログです。
3. データ解析結果 : グラフィックまたはテキストのリストで表示できるほか、一部のウィンド
ウは旧バージョンの Zemax のグラフィック ライブラリを使用する「クラシック」モードで
表示できます。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
OpticStudio のインターフェイスの操作 • 30
4. コンテキスト メニュー : マウスの右ボタンをクリックすると表示されます。
詳細については、ヘルプ ファイルの「[解析] (Analysis) タブ」を参照してください。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 31
シェーデッド モデルの使用
シェーデッド モデルでは、最近の CAD プログラムを使用したことのあるユーザであれば使い慣れ
ている高度なグラフィック ビューで光学系を表示できます。マウスを使用してビューを直感的に
制御でき、ツールバーを使用してデフォルトのビュー (アイソメトリック、X-Y、Y-Z および Z-Y)
や切断面を利用できます。切断面を対話的に操作して、必要な詳細レベルでビューを表示できます。
ワイヤーフレーム、隠線、ソリッドのモデル化の表示に関するオプションもあります。
詳細については、ヘルプ ファイルの「[解析] (Analysis) タブ」の「シェーデッド モデル」を参照し
てください。
ウィンドウの配置
各ウィンドウは浮動表示と固定表示が可能で、固定表示のウィンドウは自由に並べ替えることがで
きます。この様子は次の動画を見ると理解できます。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
OpticStudio のインターフェイスの操作 • 32
ビデオの視聴: ウィンドウの配置:
http://zemax.com/products/opticstudio/feature-explorer/user-interface/window-management
印刷で使用するウィンドウ
ヘルプ ファイルの「[設定] (Setup) タブ」の「[プロジェクト環境設定] (Project Preferences)」にあ
る「[グラフィック] (Graphics)」では、スケーリングしたレイアウト表示を印刷するための設定お
よびデフォルトの印刷方向について説明しています。
また、解析ウィンドウのツールバーにあるプリンタ アイコンをクリックすると、[印刷プレビュー]
(Print Preview) ダイアログ ウィンドウを表示できます。このダイアログでは、印刷先のプリンタ、
縮尺、ページ範囲などのオプションを設定できます。印刷のショートカット キーを使用して [印刷
プレビュー] (Print Preview) ダイアログを開くこともできます。このショートカットのデフォルトは、
Ctrl + P です。
[詳細な設定] (Advanced Settings)
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 33
左上隅にある選択済みプリンタ名のリンクまたは [プロパティ] (Properties) ボタンを使用して、使
用するプリンタおよび詳細なプリンタ ドライバ設定を選択できます。なお、[詳細な設定]
(Advanced Settings) ダイアログの [印刷] (Print) ボタンをクリックしても印刷には進まず、新しい設
定が受け入れられてダイアログが閉じるだけです。
[方向] (Orientation)
[方向] (Orientation) は、出力を [縦方向] (Portrait) モードで印刷するか、[横方向] (Landscape) モー
ドで印刷するかを制御します。ここには次の 4 つのオプションがあります。
1.
[デフォルト] (Default) – プリンタの [詳細な設定] (Advanced Settings) で指定されている
現在の印刷方向を使用します。
2.
[自動] (Automatic) - 用紙の寸法と選択した縮尺モードに基づいて最適な方法が選択され
ます。
3.
[縦方向] (Portrait)
4.
[横方向] (Landscape)
[方向] (Orientation) 選択ボックスの直下に、プログラム側で判断した印刷方向が表示されます ([デ
フォルト] (Default) または [自動] (Automatic) を選択している場合に便利です)。
[縮尺] (Scale)
[縮尺] (Scale) では、出力するページに合わせてグラフィックをスケーリングする方法を指定します。
すべての縮尺オプションは、両方の軸に対して同様に適用されます (つまり、縦横比が維持されま
す)。現在、次の 3 つのオプションがあります。
1.
[ページに合わせる] (Fit To Page) : 1 ページで使用可能な最大限のスペースを使用します。
2.
[元のサイズ] (Original Size) : 現在の画面に表示されている入力テキストまたはグラフィ
ックのサイズで印刷します (プレビュー ウィンドウでのサイズではありません)。
3.
[縮尺に合わせて印刷] (Print To Scale) (レイアウト プロット専用) : レンズ ユニットに基
づく 1:1 の縮尺でレイアウト プロットを印刷します。
[中央揃え] (Center) オプションを使用すると、グラフィックが印刷ページの左上隅ではなく、中央
に配置されます。
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OpticStudio のインターフェイスの操作 • 34
[選択] (Selection)
印刷するページを選択するためのオプションがいくつかあります。ウィンドウの右下にあるプレビ
ュー ページのコントロールを使用して印刷するページを指定したうえで、以下のオプションから
いずれかを選択します。
1.
[全て] (All)
2.
[範囲] (Range) : 連続したページを印刷する場合に、x ページから y ページまでの範囲で
指定します。
3.
[現在] (Current) : 現在プレビューしているページのみを印刷します。
4.
[選択済み] (Selected) (テキスト専用) : 現在選択している解析テキストのみを印刷します。
このオプションは、テキストを印刷する際に、テキストのブロックを選択してから印刷
ダイアログを開いた場合にのみ使用できます。
チュートリアル
ここでは、OpticStudio の使用方法の例をいくつか紹介します。ある程度の時間をかけて、このセ
クションの演習に取り組むことを強くお勧めします。
この文書を HTML ダイアログで表示している場合は、[コンテンツ] (Contents) タブのトピック「チ
ュートリアル」を展開すると下位のセクションが表示されます。
チュートリアル 1: OpticStudio によ
る設計のウォークスルー
この例では、OpticStudio に付属するサンプル ファイルの 1 つを開き、各種コントロールの使用方
法に習熟することを目指します。OpticStudio を起動し (起動済みの場合は [ファイル] (File) → [新
規作製] (New) をクリックします)、[設定] (Setup) タブの [新規ウィンドウをドッキング] (Dock New
Windows) を選択します。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 35
次に、[ファイル] (File) → [開く] (Open) をクリックし、ファイルとして {現在のユー
ザ}\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Objectives\Double Gauss 28 degree field.zmx を選択し
ます。これは一般的なレンズ設計の例です。OpticStudio のノンシーケンシャル モードのみを使用
する場合でも、この例を実行してください。シーケンシャル光線追跡とノンシーケンシャル光線追
跡のユーザ インターフェイスは共通であり、この例は、OpticStudio のすべてのバージョンで使用
できます。次のような OpticStudio のウィンドウが表示されます。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 36
[レイアウト] (Layout) タブをクリックし、さらに右クリックするとウィンドウの配置を指定するメ
ニューが表示されます。
ウィンドウの浮動表示と固定表示を試してください。つづいて [レイアウト] (Layout) タブを左クリ
ックして、[ウィンドウ マネージャー] (Window Manager) アイコンが表示されるまで、ウィンドウ
を固定位置からドラッグします。このアイコンを使用してレイアウト ウィンドウを他の 3 つのウ
ィンドウの下に配置します。
マウス ボタンを放します。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 37
ワークスペースが次の図のように配置されるまで、この操作を繰り返します。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 38
さらに、次のように配置します。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 39
以上の操作から、OpticStudio のインターフェイスが持つ重要な特徴の 1 つを理解できます。つま
り、開いたウィンドウの表示方法として、浮動表示 (他のどのウィンドウにも関係なく、指定した
場所に表示)、ワークスペースの中で並べた表示、または他のウィンドウと重ねたタブ グループで
の表示のいずれかを選択できます。
つづいて、[設定] (Setup) タブの [システム診断] (Diagnostics) グループにある [パフォーマンス]
(Performance) をクリックします。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 40
現在のコンピュータで OpticStudio がどの程度の速さで動作しているかを示す簡単な指標が表示さ
れます。ここでも、OpticStudio の最も優れた機能の 1 つがわかります。コンピュータが複数の
CPU を備えている場合に、これらを並列で使用することによって 1 秒あたり数百万本の光線を追
跡できる機能です。特別な設定を指定しなくでも、使用可能なすべての CPU に演算処理が自動的
に配分され、各 CPU で得られた結果が再び結合されて演算結果が得られます。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 41
チュートリアル 1.1: レンズ データ エディ
タ
シーケンシャル光線追跡では、「物体」面と呼ばれる光源から面 1、面 2、面 3 …の順番で、最終
的に「像」面に達するまで光線を追跡します。光学系が光源の像を結ばない場合も、慣習に従い、
最後の面を必ず像面と呼びます。たとえば、レーザー ビーム エクスパンダや接眼レンズにはアフ
ォーカルなものがあります。このような光学系は後ほど取り上げます。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 42
エディタで面を挿入するにはキーボードの Insert キー、削除するには Delete キーをそれぞれ使用
します。右クリックして表示されるコンテキスト メニューを使用しても同様の操作が可能です。
個々のセルまたはスプレッドシート全体をクリップボードにコピーすることも可能です。各列の幅
は先頭行の列境界にカーソルを置くことで変更できます。カーソルが↔記号に変化した位置で、マ
ウスの左ボタンをクリックしたままドラッグして列幅を調整します。列見出しをクリックし、マウ
スボタンを押したままドラッグすると列を移動できます。
可変であるパラメータの横には「V」の文字が表示されます。OpticStudio には、これらのセルの値
を変更することで光学系の性能向上を実現する機能があります。この機能の詳細は後述します。
面のプロパティによっては、直接表示するためにプロパティ インスペクタを開くことが必要なも
のがあります。一般的に、これらは一度設定すればその後は変更しないプロパティです。このよう
なプロパティを表示するには、選択した面の [タイプ] (Type) セルをダブルクリックします。
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チュートリアル • 43
上の図のようにプロパティ インスペクタをクリックする方法もあります。複数のタブで構成され
たダイアログが表示されます。[面タイプ] (Surface Type) のドロップダウン リストから非球面、回
折グレーティング、トロイダルなどの面タイプを選択できます。
これらのタブをさまざまに試してください。最も頻繁に使用するタブは、[タイプ] (Type)、[描画]
(Draw)、[アパチャー] (Aperture)、[ティルト/ディセンタ] (Tilt/Decenter) です。オンライン ヘルプ
を参照するには、各タブの [ヘルプ] (Help) ボタンをクリックします。
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チュートリアル • 44
チュートリアル 1.2: 解析ウィンドウ
解析ウィンドウには、エディタで入力したレンズについて計算したデータがグラフィックまたはテ
キストの形式で表示されます。解析ウィンドウではレンズ データを変更できません。このウィン
ドウには、レンズ光学系の性能をさまざまな側面から診断した情報が表示されます。
すべての解析ウィンドウは、同じユーザ インターフェイスで動作し、メニュー バーも共通です。
•
[設定] (Settings) アイコンをクリックすると、計算に渡す入力パラメータを設定するダイア
ログ ボックスの表示と非表示を切り替えることができます。[保存] (Save)、[読み込み]
(Load)、[リセット] (Reset) の各ボタンでは、それぞれデフォルト設定の保存、再読み込み、
工場出荷時設定の復元が可能です。どのウィンドウで保存した設定も、固有の設定がない
すべてのファイルのデフォルト設定になります。したがって、目的の設定が、すべての作
業に自動的に反映されます。
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チュートリアル • 45
•
メニュー項目の [更新] (Update) ([設定] (Settings) アイコンの隣) をクリックするか、解析ウ
ィンドウの任意の場所をダブルクリックすると、解析ウィンドウが再計算されます。
•
ウィンドウには、標準的な [コピー] (Copy)、[名前を付けて保存] (Save As)、[印刷] (Print) の
各アイコンがあります。
•
マウスの右ボタンをクリックすると、コンテキスト メニューが表示されます。三次元デー
タを表示する解析ウィンドウには、二次元データ プロットの解析ウィンドウよりも多くの
オプションがあります。
•
各種の注釈ツールを使用すると、テキスト、矩形、矢印、線分などによる注釈を解析に追
加できます。
•
ウィンドウに対しては、ロック、ロック解除、複製、オーバーレイ、描画解像度の変更が
可能です。
•
目的の領域を拡大するには、マウスでクリックしたままドラッグして対象領域を囲むか、x
軸と y 軸の端にある灰色のバーをクリックしたままドラッグするか、マウスで右クリック
してコンテキスト メニューから [座標軸を編集オプション] (Edit Axis Options) を選択します。
[テキスト] (Text) タブには、計算の基準となるデータが表示されます。このデータの全体ま
たは一部 (目的の部分を強調表示して右クリックします) をクリップボードにコピーしたり、
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チュートリアル • 46
テキスト ファイルに保存したりできます。
解析ウィンドウのさまざまな機能をしばらく試してみてください。解析ウィンドウでは設計データ
を一切変更できないので、データを破損する心配がありません。
チュートリアル 1.3: システム エクスプロ
ーラ
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チュートリアル • 47
システム エクスプローラでは、光学
系に入射する光をはじめとして、光学
系の数多くの基本的なパラメータを定
義します。システム エクスプローラ
に入力したデータは、一度設定すれば
変更しないことが普通です。または、
設計が完成に近付いた時点でも、必要
に応じてシステム エクスプローラの
データを全面的に最適化できるように
している場合にのみ変更します。
たとえば、今取り上げているレンズで
はアパチャー タイプを [入射瞳径]
(Entrance Pupil Diameter) に設定して
いるので、入射瞳径として 33.33 レン
ズ ユニットを直接指定しています。
長さの単位を持つ項目は、特に注記の
ないかぎり、すべてレンズ ユニット
の単位で表します。[単位] (Units) タブ
をクリックすると、このレンズのレン
ズ ユニットとして指定されている単
位を確認できます (mm、cm、m、イ
ンチのいずれかです)。
入射瞳径 (EPD) は、レンズ光学系に入
射する軸上光束のサイズを定義しま
す。ここで取り上げているダブル ガ
ウス レンズのファイルは、従来の一
眼レフ カメラ レンズのものです。
OpticStudio では、この入射瞳径の半
分の高さでレンズを通過する光線を追
跡し、赤色の線で向かい合って描画さ
れている開口絞り面 (レンズ データ エ
ディタで STOP と表示されている面)
のサイズを計算します。通常、開口絞
り面は環状です。したがって、実際に
はこの面の半径で EPD が決まるので
あって、EPD で開口絞り面のサイズが
決まるわけではありません。
実情に替わるこの定義を使用する場合
は、[全般] (General) ダイアログ ボッ
クスの [アパチャー タイプ] (Aperture
Type) で [絞り面による定義] (Float by
Stop) を選択し、絞り面の半径をたと
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チュートリアル • 48
[視野] (Fields) セクション
えば 8 mm に変更します。開いている
すべての解析ウィンドウをダブルクリ
ックして更新し、この変更を反映する
ことで、レンズのアパチャーと性能の
変化を確認できます。OpticStudio で
は、面ごとにすべての光線が通過する
うえで最適なサイズが自動的に計算さ
れます。
広く使用されているアパチャー タイ
プとして物空間での NA もあります。
規定の開口数 (NA) の範囲で光を放射
する光ファイバのような光源に適して
います。NA ではなく光源の角度で定
義している光源では、物側円錐半角を
使用します。
視野は次の 3 つの方法で定義できます。そのうち 1 つには 2 つのオプションがあります。
•
結像対象とする物体シーンの高さ
•
形成される像の高さ。実像高または近軸像高を選択できます。
•
レンズに対して物体シーンが張る角度
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チュートリアル • 49
視野データを入力するには、システム エクスプローラの [視野] (Fields) セクションを展開するか、
[視野] (Fields) のデータ セクションをダブルクリックしてダイアログ ボックスを表示します。
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チュートリアル • 50
このダブル ガウス レンズのファイルでは物体面が無限遠にあるため、視野の定義として物体高は
使用できません。その代わりに、瞳に対して物体が張る画角を使用します。これはカメラの設計で
広く使われる手法です。ディテクタのサイズが CCD チップのように固定されている場合は、像の
高さを使用する方法もあります。この場合の視野は、レンズを通してディテクタで検出できる範囲
で定義します。
[波長] (Wavelengths) セクション
波長は、必ずミクロン単位で入力します。波長の重み付けを使用すると、相対的なスペクトル強度
を定義できるほか、単に設計上で最も重要な波長を定義することもできます。デフォルト波長とし
ては「主」波長が使用されます。たとえば、有効焦点距離を計算する場合、特定の波長を指定しな
いかぎり、OpticStudio では主波長が使用されます。
波長データをシステム エクスプローラで入力するには、[波長] (Wavelengths) のデータ セクション
を展開するか、ダブルクリックしてダイアログ ボックスを開きます。
チュートリアル 1.4: 正規化座標系
システム アパチャーの定義方法は 6 通り、視野の定義方法は 4 通りあるので、正規化座標で作業
すると効率的です。光学系の初期設定では最適なアパチャー定義と最適な視野定義を選択し、これ
ら両方のデータを入力します。以降は、すべての計算で正規化単位が使用されるので、入力した具
体的な値や使用した定義を参照する必要はありません。
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チュートリアル • 51
正規化視野座標
正規化視野座標 Hx および Hy は、OpticStudio とそのドキュメント、そして光学設計に関する文献
で広く使用されています。たとえば、正規化視野座標の (0, 1) は必ず y 方向の上端を表します。視
野点を角度または高さのいずれで定義していても、また視野座標の大きさが異なっても変わりませ
ん。同様に、視野座標の (0, 0) は必ず視野の中心です。
たとえば、ミリメートルをレンズ ユニットとした物体高を使用して、(x, y) 方向に 3 つの視野点 (0,
0)、(10, 0)、(0, 3) を定義したとします。動径座標が最大の視野点は 2 番目のものなので、最大円形
視野は 10 mm です。視野を物体高で定義しているので、正規化座標 (Hx = 0, Hy = 1) は物体面上の
(x =0, y = 10 mm) の位置を表します。正規化座標 (Hx = 1, Hy =0) は、物体面の (10, 0) の位置を表
します。
Hx2 + Hy2 ≦ 1 が成立するかぎり、レンズの視野にあるどの点も (Hx, Hy) 座標で定義できます。
正規化視野座標が単位円上の点を表すことから、この定義方法を円形視野正規化と呼びます。
OpticStudio は矩形視野正規化もサポートしています。この方法では、正規化視野座標が単位矩形
上の点を表します。
正規化瞳座標
正規化視野座標と同様に、正規化瞳座標も OpticStudio とそのドキュメント、そして光学設計に関
する文献で広く使用されています。まず、任意の最も便利な方法でシステム アパチャーを定義し
ます。つづいて、単位円上にある任意の点を正規化瞳座標 Px および Py で定義します。したがって、
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チュートリアル • 52
システム アパチャーの定義方法やその値にかかわらず、点 (0, 1) は光学系に入射する光束の上端を
表し、(0, 0) は光束の中心を表します。
正規化座標の使用方法
ここまでの手順で指定した変更をすべて取り消すために、視野 28°のダブル ガウス レンズのサン
プル ファイルを再度開きます。システム エクスプローラの [視野] (Field) セクションを開き、視野
が角度 (°) で定義され、最大視野点の値が 14°であることを確認します。この値は視野の半角な
ので、全視野角は 28°です。
注 : OpticStudio では、使用する定義が必ず明確になっていますが、これらの定義が光学業界全体で
広く使用されているわけではありません。重大な誤りを避けるために、重要な光学系の仕様では、
どのような定義を使用するかを必ず顧客との間で明確にしておく必要があります。
次に、システム エクスプローラの [アパチャー] (Aperture) セクションを展開し、システム アパチ
ャーが [入射瞳径] (Entrance Pupil Diameter) で定義され、その値が 33.33 であることを確認します。
[単位] (Units) タブに移動してレンズ ユニットを確認するとミリメートルであることから、EPD は
33.33 mm になります。
最後に、[波長] (Wavelength) セクションを展開し、この設計では、0.4861 ミクロン、0.5876 ミク
ロン、0.6563 ミクロンの 3 波長を使用することを確認します。主波長は、波長番号 2 の 0.5876 ミ
クロンに設定されています。
ここで [解析] (Analysis) タブをクリックし、[光線とスポット] (Rays and Spots) → [光線追跡] (Ray
Trace) を選択します。これは、OpticStudio で最も基本的な計算である単一光線の追跡です。この
ウィンドウを右クリックし、[設定] (Settings) ダイアログ ボックスを表示します。
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チュートリアル • 53
物体面上で光線が出発する位置を正規化座標 (Hx, Hy) で表し、その光線が瞳の中で到達する位置を
正規化座標 (Px, Py) で表すことで、あらゆる光線を定義できることを確認してください。光線をい
くつか追跡して、この機能で得られるデータを検討します。光学系の面ごとに、光線の (x, y, z) 位
置、光線の方向余弦、光路長が表示されます。これらの値は、シーケンシャル光線追跡ですべての
計算の基礎となる基本的なデータです。
「任意」の視野座標 (Hx, Hy) を定義する代わりに、視野点番号で光線の開始座標を定義することも
できます。
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チュートリアル • 54
視野点 3 で最大円形視野が定義されているため、その点の位置は正規化視野座標で (0, 1) になりま
す。同様に、視野点 2 は (0, 0.714)、視野点 1 は (0, 0) です。選択した解析機能に応じて、視野点番
号 ([視野] (Field) ダイアログ ボックスで入力します) または (H x , Hy) の値のいずれかで視野点を定
義できます。
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チュートリアル • 55
チュートリアル 2: 面の定義、配置、
移動
[ファイル] (File) → [開く] (Open) をクリックし、ファイルとして {現在のユー
ザ}\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Objectives\Double Gauss 28 degree field.zmx を選択しま
す。チュートリアル 1 で、このファイルを既に開いている場合は、チュートリアルで指定した変更
をすべて取り消すために、ファイルをいったん閉じて再度開きます。
シーケンシャル レンズ設計では、必ず物体面である面 0 で光線を開始し、面 1、面 2、面 3 …の順
に追跡します。したがって、面の配置を互いの相対位置関係で表すことが合理的です。ダブル ガ
ウス レンズのサンプル ファイルに戻り、レンズ データ エディタを開き、面 3 をクリックします。
エディタでクリックした面が [レイアウト] (Layout) プロットで赤色で描画されます。
光線はレイアウトの左から右へと伝播し、これが Z 軸の + 方向になります。+Y 軸はウィンドウの
下から上、+X 軸は画面の手前から奥に向かう方向です。右手の中指をレイアウト ウィンドウの面
1 に触れるように面の奥に向けると、人差指は画面の右方向に、親指は上方向を差します。これは、
OpticStudio 全般および光学設計に関する文献のほとんどで使用されている「右手」座標系です。
以下のシェーデッド モデルのプロットには、必ず座標軸が表示されます。
また、[レイアウト] (Layout) ウィンドウでマウスを移動すると、マウス ポインタの位置座標がウィ
ンドウのタイトル バーに表示されます。
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チュートリアル • 56
[レイアウト] (Layout) ウィンドウでマウスを左右に移動すると、Z 座標の値が変化し、上下に移動
すると Y 座標の値が変化します。
レンズ データ エディタには、面 1 について以下のデータが表示されます (OpticStudio のデモ版を
使用している場合、小数点以下の桁数が少なくなります)。
Radius of curvature: 54.153
Thickness: 8.747
Material: SK2
Semi-diameter: 29.225
Conic: 0
単位が明示されていない長さは、すべて「レンズ ユニット」を単位としており、このファイルの
場合は mm です (「[システム エクスプローラ] (System Explorer)」の「[単位] (Units)」を参照)。
面 1 の曲率半径は、54.153 mm です。曲率中心が Z の正方向に位置することから、曲率は正の値
になっています。これに対して、面 7 の曲率中心は Z の負方向にあるので、曲率半径は -25.685
mm になります。
面 1 の厚み 8.747 mm は、面 2 が面 1 から +Z 方向に 8.747 mm 離れた位置にあることを意味しま
す。つまり、「厚み」とは、ある面から次の面までの Z 軸に沿った距離です。エディタでこの値を
「z 方向の距離」ではなく「厚み」としているのは、面 1 と 面 2 で構成するレンズを記述する場合、
中央の厚みで表現する方が自然だからです。
面 1 の [材料] (Material) タイプは SK2 に設定されています。これは、面 1 と面 2 の間の空間が、
SK2 という名前の特定のガラスで満たされていることを意味します。エディタで SK2 ガラスをクリ
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チュートリアル • 57
ックしてから、[ライブラリ] (Libraries) タブの [材料カタログ] (Materials Catalog) アイコンをクリッ
クします。
SK2 が [ショット] (Schott) カタログに登録されている材料であることがわかり、このガラスに関し
て OpticStudio に収録されている全データが表示されます。
注 : このチュートリアルでは、このダイアログの詳細には触れません。詳細については、テクニカ
ル リファレンスの「ガラス カタログの使用」を参照してください。
次の面 2 の [ガラス] (Glass) 列は、何も入力されていない空欄です。これは、面 2 が標準の温度と
気圧の「空気」でできていることを意味します。温度と気圧は、いずれも光学系全体で変更できる
ほか、面単位で変更することもできます。これらは、光学系に重要で微妙な影響を及ぼします。第
一に、ガラスの屈折率は温度と波長の両方に依存し、空気を基準とした比屈折率も気圧によって変
化します。第二に、ガラスは温度に応じて膨張収縮するので、レンズの半径や厚みなどの寸法が変
化します。第三に、レンズの組み込み材料の膨張収縮により、レンズ間の距離が変化します。
OpticStudio の熱解析機能では、これらの影響をすべて考慮できます。OpticStudio では、任意の具
体的な温度または温度範囲で、設計の解析と最適化が可能です。なお、これらはこのチュートリア
ルの対象外なので、ここではすべてのレンズが 20℃、1 気圧にあるものと仮定します。
注 : 温度と気圧を包括的にモデル化する OpticStudio の機能の詳細については、テクニカル リファ
レンスの「熱解析」を参照してください。
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チュートリアル • 58
[半径] (Semi-Diameter) の列には、面の半径方向高さが表示されます (半径と呼ぶのは曲率半径との
混同を避けるためです)。この値は、OpticStudio による自動計算 (デフォルト) またはユーザによる
直接入力の 2 つの方法で計算できます。
自動計算の場合、エッジの光線が必ずレンズを通過するように半径が設定されます。これは、視野
全体からの光線が全開口を通過するうえでレンズが「必要十分」な大きさであることを意味します。
通常、これより若干大きめにレンズを製作し、光線の通過には使用しないガラス部分を生成します。
この部分でレンズを構造材に保持し、光線が遮蔽されないようにします。システム エクスプロー
ラの [その他] (Miscellaneous) グループにある半径マージンを追加することで、このガラス追加量
を容易に指定できます。
チュートリアル 2.1: 三次元での作業
ダブル ガウス レンズのサンプルを構成するレンズは軸対称です。このため、各面は前の面から Z
方向に一定の距離だけ離れた場所に配置されています。光学部品が互いに傾斜または偏心している
ような光学系は、どのように扱えばいいのかを考えてみます。
2 番目のエレメント (絞りの後の二枚レンズと一枚レンズ) が、1 番目のエレメントに対して傾斜し、
同時に偏心しているとします。レンズ データ エディタの面 7 をクリックし、そのままドラッグし
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チュートリアル • 59
て、面 7 ～ 11 を強調表示します。または、面 7 をクリックしてから、Shift キーを押したまま↓キ
ーを押して、面 7 ～ 11 を強調表示します。
レンズ データ エディタのツールバーで [ティルト/ディセンタ エレメント] (Tilt/Decenter Elements)
アイコンをクリックして、表示されたウィンドウで次のように設定します。
[OK] をクリックしてから、[システム] (System) → [全てを更新] (Update All) をクリックして、開い
ているすべてのウィンドウを更新します。[レイアウト] (Layout) プロットに「非軸対称光学系では
2D レイアウト表示を実行できません」 (Cannot perform 2D layout on non-axial system) という警
告が表示されます。この警告を閉じ、[解析] (Analyze) タブをクリックして、[システム ビューア]
(System Viewers) グループで [シェーデッド モデル] (Shaded Model) を選択します。ここで次のよ
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チュートリアル • 60
うに設定します。
この図から、第 2 のエレメントが y 方向 (シェーデッド モデルの上方向) にシフトし、x 軸 (画面の
奥に向かう方向) を中心に回転していることがわかります。3D レイアウト ウィンドウの任意の場
所をクリックして、ウィンドウをアクティブにします (タイトル バーが他の OpticStudio 解析ウィ
ンドウのタイトル バーより明るく表示されます)。このレイアウトはマウスを使用して回転できま
す。また、このウィンドウの [設定] (Settings) ダイアログ ボックスにある [回転 X/Y/Z] (Rotation
X/Y/Z) を使用して回転することもできます。
レンズ データ エディタに戻ると、設計に新しい面が 2 つ追加され、エディタの列が増えているこ
とがわかります。
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チュートリアル • 61
追加された面は、座標ブレーク (CB) 面という面です。座標ブレーク面には光学的な効果はなく、
前の面の座標系を基準として新しい座標系を定義するにすぎません。最初の CB 面をクリックして、
エディタの右方向にスクロールします。この面では、x 方向と y 方向へのディセンタ、さらに x、y、
z の各軸を中心としたティルトを設定しています。前述のダイアログにこの図のとおりの値を入力
していれば、[ディセンタ X] (Decenter X) が 2 mm、[X ティルト] (Tilt About X) が 5°、[順番]
(Order) フラグが 0 と表示されています。順番フラグの 0 とは、CB を「左から右」に実行すること
を意味します。つまり、最初に x 方向のディセンタを実行してから y 方向のディセンタ、その後で
x 軸を中心としたティルトの順序で実行します。
次に、2 番目の CB を確認します。ここでは、[ディセンタ X] (Decenter X) が -2 mm、[X ティルト]
(Tilt
About X) が -5°に設定されています。この設定により、最初の CB によるティルトとディセンタが
元に戻されます。さらに、順序フラグがゼロではないので、CB は「右から左」に実行されます。
つまり、2 番目の CB では 1 番目の CB による座標系の変更を取り消して、元の基準座標系に戻し
ています。
2 番目の CB のディセンタとティルトの値の横に P という文字が表示されています。これは、この
パラメータに「ピックアップ ソルブ」が設定されていることを表します。[X ティルト] (Tilt About
X) パラメータの P 記号をクリックすると、ピックアップ ダイアログが開きます。
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チュートリアル • 62
この図のようにピックアップ ソルブを設定すると、面 13 のパラメータ 3 の値が、面 7 のパラメー
タ 2 と絶対値が同じで符号が反転した値に強制設定されます。光学系の中である部分を設定するこ
とで他の部分を自動的に設定できることから、ピックアップ ソルブはこのエディタの最も便利な
機能のひとつです。
注 : OpticStudio ユーザ ナレッジ ベース (www.zemax.com/kb) の「Sequential Ray Tracing/3D
Geometries」のカテゴリには、座標ブレーク面の使用方法に関する有益な記事が多数掲載されてい
ます。
チュートリアル 3: マルチコンフィグ
レーションの設計
OpticStudio は、複数のコンフィグレーション (複数の設計バージョン) の計算にも対応しています。
ズーム レンズ (レンズ間の距離が変化する光学系)、温度が変化する光学系、走査ミラーの角度が変
化する光学系などのモデル化で、この機能が広く使用されています。ここでは、カタログ レンズ
を使用して生成したスポットをミラーによって像面上で走査する光学系をこの機能でモデル化しま
す。
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チュートリアル • 63
OpticStudio には、すべての大手ベンダーのレンズ カタログが収録されているため、カタログ レン
ズを容易に検索できます。[ファイル] (File) → [新規作製] (New) をクリックして OpticStudio をクリ
アします。次に [ライブラリ] (Libraries) → [レンズ カタログ] (Lens Catalog) をクリックし、
表示されたダイアログ ボックスで次のように設定します。
この設定は、焦点距離が 99 ～ 101 mm、入射瞳径が 20 ～ 25 mm の平凸一枚レンズを検索します。
Edmund Optics 社のカタログに掲載された 4060 個のファイルの中から、この検索基準に合致する
レンズが 27 種類選択されます。その中からレンズ 32481 を選択して、[読み込み] (Load) ボタンを
クリックします。この在庫レンズが OpticStudio にロードされます。
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チュートリアル • 64
この図では YZ 方向のシェーデッド モデルを使用し、YZ 平面を断面とした断面図とソリッド モデ
ルが表示されています。
ここでの目標は、公称 90°の反射角を中心に±10°の範囲で焦点を走査する走査ミラーの設計で
す。
このレンズに入力されている設定では、その機械的アパチャーのエッジまでレンズが照らされるよ
うになっています。レンズは何らかの構造材で保持されているので、入射瞳径を機械的直径より若
干小さくする必要があります (機械的直径を変更できないカタログ レンズを使用しているからです)。
システム エクスプローラを開いて、[アパチャー] (Aperture) を 18 に設定します。[単位] (Units) タ
ブで、使用しているレンズ ユニットを確認します。
次に、レンズ データ エディタの面 2 の行の任意の場所をクリックして、面 2 を強調表示します。
この面の厚みは、マージナル光線の高さソルブで制御されています。これは、厚みの横に文字「M」
が表示されていることでわかります。この設定により、このレンズは近軸焦点に保持されます。ソ
ルブについては後述します。ここでは、面 2 をクリックしてから Insert キーを押し、新しい面を挿
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チュートリアル • 65
入します。この面の厚みを 70 mm に設定します。このレンズの合焦状態を維持できるように、最
後の面の厚みが自動的に変化します。
次に、面 3 として、光を一定の角度で反射する「折り返しミラー」を定義します。面 3 をクリック
してから、レンズ データ エディタ ツールバーにある [折り返しミラーの挿入] (Add Fold Mirror) ア
イコンをクリックします。
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チュートリアル • 66
ここで次のように設定します。
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チュートリアル • 67
シェーデッド モデルが次のように変化します。
[折り返しミラーの挿入] (Add Fold Mirror) ツールは、選択した折り返し面の前後に 1 つずつ、合計
2 つのダミー面を挿入します。つづいて、折り返し面に材料タイプ [ミラー] (Mirror) を設定します。
これは、光がこの面では材料で屈折せずに反射することを OpticStudio に指定する特殊な状態です。
新たに挿入された 2 つの隣接する面は、適切なティルト角を持つ座標ブレークとして設定されます。
2 番目のティルト角は、1 番目のティルト角からピックアップ ソルブで設定されます。最後に、こ
れより後ろのすべての面の厚みと曲率は、新しいミラーを考慮して符号が反転します。
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チュートリアル • 68
光は通常 +Z 方向 (左から右) に伝播しますが、ミラーに到達した後は明らかに別の方向に進みます。
[折り返しミラーの挿入] (Add Fold Mirror) ツールと [折り返しミラーの削除] (Delete Fold Mirror) ツ
ールは、面倒な符号変換をすべて自動化します。
次に、このミラーを±10°の範囲で走査できるようにします。はじめにミラーを +10°ティルトし
ておき、マルチコンフィグレーション機能で複数のティルト角を定義します。面 4 (ミラー面にな
っている面) をクリックし、ツールバーの [ティルト/ディセンタ] (Tilt/Decenter) アイコンをクリッ
クします。
ここで次のように設定します。
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チュートリアル • 69
[ティルト/ディセンタ エレメント] (Tilt/Decenter Element) ツールは、前述のダブル ガウス レンズ
の例と同様に動作し、ミラー面のティルト角度を指定する座標ブレーク面がピックアップ ソルブ
付きで新たに 2 つ追加されます。ここでは 2 組の座標ブレークが「ネスト」されています。つまり、
[ティルト/ディセンタ エレメント] (Tilt/Decenter Element) ツールで追加した座標ブレークのペアが、
[折り返しミラーの挿入] (Add Fold Mirror) ツールで追加したペアの内側にあります。
手動で +10°の値を変更して、シェーデッド モデルの変化を確認できます。または [最適化]
(Optimize) タブをクリックして [スライダ] (Slider) アイコンを選択します。
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チュートリアル • 70
ここで次のように設定します。
[実行] (Animate) ボタンをクリックすると、面 4 の [X ティルト] (Tilt About X) (パラメータ 3) の走
査に合わせて、開いているウィンドウのすべてが更新されます。マウスでスライダをドラッグして
も同じ効果が得られます。スライダを終了し、必要に応じて面 4 のティルトを +10°に戻します。
次に、[設定] (Setup) タブに移動し、[コンフィグレーション] (Configurations) グループの [マルチコ
ンフィグレーション] (Multiple Configuration) アイコンをクリックします。
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チュートリアル • 71
このレンズに設定されているコンフィグレーションは、現在のところ 1 つのみです。マルチコンフ
ィグレーションのオペランド MOFF (「Multiconfiguration OFF」) は、何の効果もないプレースホ
ルダなので、必要に応じてここにコメントを入力できます。
注 : マルチコンフィグレーション エディタでは、複数のコンフィグレーションどうしで異なる設定
をすべて定義できます。
ここでは、走査角 +10°、+5°、0°、-5°、-10°のそれぞれに対応する 5 つのコンフィグレー
ションを定義します。[マルチコンフィグレーション エディタ] (Multi-Configuration Editor) をクリ
ックし、[コンフィグレーションを挿入] (Insert Configuration) アイコン (上の図で赤枠で囲んだ部
分) を 4 回クリックします。また、右クリックして [コンフィグレーションを挿入] (Insert
Configuration) を 4 回選択する方法や Shift + Ctrl + Insert キーを 4 回押す方法もあります。これら
の操作によって合計 5 つのコンフィグレーションが作成されます。
マルチコンフィグレーション エディタの各行は、レンズ データ エディタに記述されたパラメータ
やその他の光学系パラメータに対して作用するオペランドであり、それらパラメータの値を変更で
きます。「MOFF」オペランドの上にマウスを移動し、ダブルクリックしてこのオペランドを編集
します。表示されたダイアログのドロップダウン リストでは、OpticStudio がサポートするマルチ
コンフィグレーション のオペランドのすべてを選択できます。ここで次のように設定します。
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チュートリアル • 72
「PRAM」オペランドは、パラメータ データをピックアップします。この場合は、面 4 のパラメー
タ 3 をピックアップし、10°、5°、0°、-5°、-10°に変更します。
Ctrl + A キーを押して現在のコンフィグレーションを変更すると、開いているすべてのウィンドウ
のデータが、新しいコンフィグレーションを反映した状態に更新されます。下図のコントロールを
使用する方法もあります。
(マルチコンフィグレーション エディタに複数のコンフィグレーションを設定すると、[ファイル]
(File) タブを除くすべてのタブに [コンフィグレーション] (Configuration) グループが表示されま
す。)各コンフィグレーションの列見出しをダブルクリックして、そのコンフィグレーションをア
クティブなコンフィグレーションにすることもできます。
シェーデッド モデルを次のように設定します。
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チュートリアル • 73
すべてのコンフィグレーションから、描画するコンフィグレーションの数を、たとえば 1/5 や 4/5
のように任意に選択できます。ドロップダウン リストから目的のコンフィグレーションを選択し
ます。
次に、[解析] (Analyze) タブ → [スポット ダイアグラム] (Spot Diagrams) → [コンフィグレーション
マトリックス] (Configuration Matrix) をクリックします。
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チュートリアル • 74
走査角の変化に伴って、スポットがどのように変化するかを確認してください。
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チュートリアル • 75
最後に、レンズ データ エディタ ツールバーで、[アパチャー] (Apertures) → [半径を最大アパチャ
ーに変換] (Convert Semi-Diameters to Maximum Apertures) を選択します。
これによって、すべての面の半径がコンフィグレーションで必要な最大値に設定されます。
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チュートリアル • 76
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チュートリアル • 77
チュートリアル 4: 機械 CAD パッケー
ジへのエクスポート
レンズ設計が一定の段階に達すると、レンズと光線の設計と並行してレンズ マウントなどの光学
機械部品を設計できるように、レンズ設計を機械設計パッケージにエクスポートすることが必要に
なる場合があります。[ファイル] (File) タブの [エクスポート] (Export) グループを使用して、レンズ
設計を容易にエクスポートできます。
チュートリアル 3 で使用したファイルを、次の設定でエクスポートします。
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チュートリアル • 78
ここで生成したファイルを、目的の 3D CAD パッケージに読み込みます。
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チュートリアル • 79
注 : エクスポートした光線が SolidWorks™で表示されない場合は、OpticStudio ユーザ ナレッジ ベ
ース (www.zemax.com/kb) で「SolidWorks」を検索し、SolidWorks のインポート機能のオプション
設定方法に関する記事を参照してください。
この CAD パッケージを使用すると、ミラーの可動範囲、光線のエンベロープ、光学部品などを容
易に確認できます。複数のコンフィグレーションは、それぞれ別々のファイル、同一ファイルにあ
る別々のレイヤー、または上記で説明したようにすべてのコンフィグレーションをまとめたファイ
ルのいずれかでエクスポートできます。
CAD オブジェクトのインポートについては、このガイドのノンシーケンシャル光線追跡のセクシ
ョンで解説します。
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チュートリアル • 80
チュートリアル 5: 最適化
ここまでのチュートリアルでは、レンズ ファイルをロードし、解析機能を使用して光学系の性能
を確認してきました。最適化は設計を次の水準に進めます。OpticStudio は、単に光学系の性能を
報告するだけでなく、ユーザと積極的に対話して、可能なかぎり最高の性能が得られるように光学
系の性能を最適化します。
注 : OpticStudio のノンシーケンシャル モードのみを使用する場合でも、この例を実行してくださ
い。ノンシーケンシャル光線追跡でもシーケンシャル光線追跡でも、最適化の概念は同じであるか
らです。
最適化は、次の 3 つの手順で構成するプロセスです。
• まず、視野、波長、システム アパチャー、面の数などを適切に設定したレンズ設計を入力
します。この光学系は、エラーが発生せずに光線追跡できるものであることが必要です。
• 次に、エディタで一部のパラメータを変数として定義します。これにより、設計仕様をよ
り適切に満たせるように、これらの変数パラメータの値を OpticStudio で変更できるように
なります。
• 最後に、評価関数という設計目標として設計仕様を記述します。評価関数は最終的には 1
つの数値で表され、この値がゼロに近いほど、目標性能に近い設計が得られたことになり
ます。
つづいて、評価関数の値が最小値まで減少するように、定義した変数パラメータの値を最適化機能
で変更します。OpticStudio には、数種類の最適化アルゴリズム、2 種類のローカル最適化機能、
および 2 種類のグローバル最適化機能が用意されています。この例では、DLS ローカル最適化機能
とハンマー グローバル最適化機能を使用します。
この 3 つの手順で構成する最適化プロセスを、設計プロセスの中で複数回繰り返すこともできます。
最適化しても所定の光学系性能が得られず、レンズの追加が必要になった場合や、面のいくつかを
非球面にして非球面パラメータを変数に設定した場合などに最適化を繰り返します。
チュートリアル 5.1: レンズの仕様
これから設計するレンズの仕様は、以下のとおりです。
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チュートリアル • 81
可視波長域で f/5 が得られる接合型二枚レンズを設計します。全視野角は 10°、物体はレンズから
きわめて遠方にあるものとします。レンズのアパチャーは入射瞳径 25 mm とし、レンズ マウント
の取り付け余裕を見越して、レンズ径は光ビーム径より 2 mm 以上大きくする必要があります。
チュートリアル 5.2: システム エクスプロ
ーラでの基本光学系の入力
[ファイル] (File) → [新規作製] (New) をクリックして、OpticStudio をクリアし、新規設計を開始し
ます。最初に、アパチャー、波長、視野によって入射光を定義します。これらは、すべてシステム
エクスプローラのサイドバーで定義できます。
システム アパチャーを入射瞳径 25 mm として定義したので、レンズの取り付け余裕を考慮して、
レンズの機械的直径を 27 mm 以上とします。システム エクスプローラの [アパチャー] (Aperture)
グループで、[入射瞳径] (Entrance Pupil Diameter) に 25 を入力します。
デフォルトのレンズ ユニットはミリメートルです。このダイアログ ボックスの [単位] (Units) タブ
をクリックするとレンズ ユニットを確認できます。レンズの機械的直径を実効アパチャーよりも 2
mm 大きくするという要件もあるので、次のように [その他] (Miscellaneous) タブをクリックして
半径マージンとして 1 mm を入力します。
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チュートリアル • 82
OpticStudio では直径ではなく半径を使用しているので、半径マージンに 1 mm を指定することで
直径で 2 mm のマージンが得られます。
次に、光の波長を定義します。波長は重要な光学系パラメータですが、この例の仕様では若干不明
確です。たとえば、「可視波長域」の厳密な定義や、光学系 の f/5 を正確にどの波長で実現すべき
なのかなどが明確ではありません。ここでは、「可視波長域」をスペクトル線 F、d、C を含む範
囲と仮定します。これは、可視光光学系の設計で広く採用されている前提です。さらに、d 線を中
心波長とし、この波長でレンズの f/# を定義することにします。したがって、光学系の波長を次の
ように入力します。
[プリセットを選択] (Select Preset) ボタンの上にあるドロップダウン リストから波長域として [F, d,
C (visible)] を選択し、[プリセットを選択] (Select Preset) ボタンをクリックして、この波長域を [波
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チュートリアル • 83
長データ] (Wavelength Data) ダイアログにコピーします。これによって、波長番号 2 を主波長とし
て、3 つの波長が昇順に設定されます。
注 : 実際の設計で仕様の意図について何らかの仮定が必要になった場合、必ず顧客に確認してくだ
さい。QA プロセスの過程で、指定したパラメータごとに、OpticStudio に入力した経緯や構築した
光学系でのテスト状況などを逐一比較する必要があります。
最後に、全視野角を 定義します。全視野角が 10°であるため半視野を 5°に設定します。[視野]
(Field) セクションの [視野を追加] (Add Field) をクリックします。
次のように新しい視野点を入力します。
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チュートリアル • 84
セクション先頭の [視野] (Fields) の行をダブルクリックして、標準のダイアログ ボックスでデータ
を入力する方法もあります。
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チュートリアル • 85
注 : このレンズは回転対称なので、y = -5°、x = 5°、x = -5°の視野点を指定する必要はありま
せん。回転対称ではないレンズ光学系が必要な場合を除き、視野点は必ず +y 軸上のみに定義しま
す。これでレンズに入射する光について必要なすべての情報として、直径、波長、視野の入力が完
了しました。
チュートリアル 5.3: レンズ データ エディ
タでの基本光学系の入力
次は、このレンズ光学系の光学面に関する初期推定データを入力する必要があります。接合型二枚
レンズを設計するので、必要な面は物体面、絞り面、二枚レンズの前面、中間面、後面、および像
面の 6 つです。[設定] (Setup) タブに移動して、[エディタ] (Editor) グループの [レンズ データ]
(Lens Data) アイコンをクリックします。レンズ データ エディタで面として [画像] (IMAGE) をクリ
ックし、Insert キーを 3 回押して必要な数の面を挿入します。各面で次の図のようにデータを入力
します。
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チュートリアル • 86
注 : OpticStudio のデモ版を使用している場合、表示される小数点以下の桁数が少なくなります。こ
れは、計算の精度、結果のいずれにも影響しません。
仕様上は物体シーンがレンズからきわめて遠方にあるので、[物] (OBJECT) の面の厚みは無限大に設
定します。エディタの該当のセルに「Infinity」または「i」と入力することで無限大に設定できま
す。
[半径] (Semi-diameter) のデータ列には何も入力しません。この列は、レンズが入射ビームよりも
大きくなるように、マージン要件も考慮して OpticStudio で自動的に処理されます。[設定] (Setup)
タブおよび [解析] (Analysis) タブにある [断面図] (Cross-section) に、ここまでの設計の断面図を表
示します。
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チュートリアル • 87
次に、f/5 の要件を満たすための設計に移ります。この要件を満たす簡単な方法があります。最後
のレンズ面の曲率半径のセルの右にあるセルをクリックして、次のように F ナンバー ソルブを選
択します。
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チュートリアル • 88
f/5 の光円錐が得られる曲率半径がその場で計算されます。
他の 2 つの面の曲率半径を変更すると、f/5 のレンズ要件が成立するように、F ナンバー ソルブに
よって自動的に最後のレンズ面の曲率半径が更新されます。光学系の制約を適用するうえでソルブ
は最も効率的な方法です。
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チュートリアル • 89
注 : テクニカル リファレンスの「ソルブ」全体に目を通してください。ソルブを完全に理解し、使
いこなせるようになれば、レンズ設計の専門家であるということができます。
次に、このレンズを合焦状態にします。[最適化] (Optimize) タブに移動し、[手動最適化] (Manual
Optimization) タブの [クイック フォーカス] (Quick Focus) アイコンを選択します。
ここで次のように設定します。
断面図ウィンドウを更新して、最終的な「基本設定」を確認します。
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チュートリアル • 90
以上で、5°の視野を持ち、可視領域で f/5 のレンズが得られました。[解析] (Analysis) タブの [光
線とスポット] (Rays and Spots) メニューにある [標準スポット ダイアグラム] (Standard Spot
Diagram) をクリックして、スポット ダイアグラムを開きます。
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チュートリアル • 91
RMS スポット半径は、軸上で 143 µ、5°の視野点で約 169 µ です。この図と同じデータが表示さ
れていることを確認します。このとおりのデータになっていない場合は、演習の各手順に戻って光
学系を正しく設定しているかどうかを検討します。
注 : 最後に、[設定] (Setup) タブ → [システム診断] (Diagnostics) グループの [システム チェック]
(System Check) をクリックします。このきわめて効果的なユーティリティでは、ファイルを検証し
て、各設定で発生しやすい誤りがないかどうかを確認します。このようなユーティリティを使用し
てもすべての誤りを検出できるわけではありませんが、少なくともここで報告された誤りをすべて
確認し、「エラー」に分類されているものを修正したうえで次の段階に進む必要があります。
[ファイル] (File) → [名前を付けて保存] (Save As) をクリックして、ファイルを basic setup.zmx とい
う名前で保存します。
変数の設定
以上の設定で、アパチャー、波長、視野の仕様を満たす f/5 レンズの基本光学系が確実に得られま
すが、目標とする最良のレンズであるとは限りません。実際、曲面が 1 つのみの光学系が最良のレ
ンズである可能性はきわめて低いといえます。ここからは、可能最高の性能が得られるようにレン
ズを最適化します。
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チュートリアル • 92
まず、どのパラメータを変更可能とするかを OpticStudio で指定します。そのためには、目的のパ
ラメータの右にあるセルをクリックして変数ソルブを選択します。
または、値を変更するセルを強調表示して、キーボード ショートカット Ctrl + Z (Ctrl キーを押し
たまま Z キーを押します) を使用します。
また、[最適化] (Optimize) タブの [自動最適化] (Automatic Optimization) グループで [全ての曲率半
径を変数に設定] (set all radii variable) または [全ての厚みを変数に設定] (set all thicknesses
variable) を使用する方法もあります。
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チュートリアル • 93
次のように合計で 6 つの変数を設定します。
ステータス フラグ「V」は、OpticStudio で値を変更できるようにした変数であることを意味しま
す。後面の曲率半径に F ナンバー ソルブで設定したときに表示される「F」フラグと同様の機能で
す。OpticStudio でこれらの変数の値が変更されると、レンズの f/5 を維持できるように、F ナンバ
ー ソルブで自動的に後面の曲率半径が更新されます。
評価関数の定義
次に、この設計の評価関数を作成します。[最適化] (Optimize) タブの [自動最適化] (Automatic
Optimization) グループにある [最適化ウィザード] (Optimization Wizard) をクリックします。
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チュートリアル • 94
メリット ファンクション エディタが開き、そのプロパティ インスペクタ領域で [最適化ウィザー
ド] (Optimization Wizard) がアクティブになります。この例はフォーカル光学系であるため、RMS
スポット半径を最小にする必要があります。セントロイドを基準とした RMS のスポット半径を選
択し、そのリング数を 4 に設定します。[OK] ボタンをクリックして最適化ウィザードを終了しま
す。リング数については後ほど詳しく説明するので、ここではその値を 4 に変更しておきます。
これにより、次のような評価関数が生成されます。
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チュートリアル • 95
メリット ファンクション エディタの各行には、何らかの値を計算するオペランドが記述されてい
ます。たとえば、TRAC オペランドは、指定した光線が像面上で到達する位置を、同じ視野点を発
したすべての光線が到達する平均位置からの半径方向の距離として計算します。TRAC オペランド
ごとに、波長番号と正規化座標 (Hx, Hy, Px, Py) で定義された光線を追跡します。オペランドが異な
れば、その引数も異なります。引数名は、エディタの見出し行に表示されます。
値を計算する各オペランドは、エディタの [現在値] (Value) 列に計算値を返します。オペランドに
は、目標とする [ターゲット] 値と重み付けの [重み] (Weight) 値も設定できます。評価関数の値は、
次式で計算されます。
ここで Wi は i 番目のオペランドの重み付け、Vi は i 番目のオペランドによる計算結果、Ti は i 番
目のオペランドの目標値です。この総和は、評価関数にあるすべてのオペランドで計算されます。
オペランドの計算値が目標値に近いほど、評価関数の値は 0 に近づきます。各オペランドの目標値
と実際の値の差 (偏差) を二乗しているため、偏差が正負どちらに増加しても、評価関数は正の値で
増加します。
注 : 最適化機能の目標は、レンズ データ エディタで変数パラメータの値を調整して、評価関数を
ゼロまたは可能なかぎりゼロに近い値にすることです。
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チュートリアル • 96
レンズの最適化
変数と評価関数を定義したので、[自動最適化] (Automatic Optimization) グループの [最適化]
(Optimize!) アイコンをクリックします。
次に、[自動] (Automatic) ボタンをクリックします。この最適化機能はマルチスレッドに対応して
います。マルチスレッドによって計算速度の向上が見込める場合は、コンピュータに搭載されたす
べての CPU に演算処理が分散されます。
評価関数の値は急速に小さくなり、スポット ダイアグラム プロットで性能が向上していく様子を
確認できます (プロットはダブルクリックすることで更新できます)。RMS スポット半径は、軸上で
11 µ、5°の視野点で約 20 µ になります。最適化前は、それぞれ 143 µ と 168 µ でした。大幅に改
善されていることがわかります。
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チュートリアル • 97
一方で、レイアウト プロットを見ると、この結果には明らかな問題があることがわかります。
それは、レンズが非現実的な厚みになっていることです。これは、RMS スポット半径を最小にす
ることを指定したものの、演算時の制約をまったく指定していなかったことが原因です。F3 ボタ
ンを押すか、[元に戻る] (Undo) アイコンをクリックします。
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チュートリアル • 98
これによって最適化が取り消され、最適化前の光学系に戻ります。再び [最適化ウィザード]
(Optimization Wizard) アイコン (メリット ファンクション エディタ ツールバーおよび [最適化]
(Optimize) タブにあります) をクリックして、以下のように設定を変更します。
これらの設定は、レンズ エレメントの中央の厚みを 2 ～ 20 mm に、レンズ エッジの厚みを 2 mm
よりも大きくするように制約します (これは製造性向上に効果的な制約です)。材質を空気とした面
の厚みは、すべて 0.5 ～ 1000 mm の範囲に設定します。この設計には不要な制約ですが、複数の
エレメントで構成する設計では、レンズ エレメントどうしが干渉したり、非現実的に離れすぎた
りすることをこの制約で防止できます。設計をより完全なものにするために、この制約も追加しま
す。
[OK] をクリックして、変更を適用します。再び [最適化] (Optimize!) アイコンをクリックすると、
はるかに優れた設計が得られます。
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チュートリアル • 99
RMS スポット半径は軸上で 13.6 µ、5°の視野点で約 26.1 µ になります。
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チュートリアル • 100
注 : 最適化で適切な結果を得るための要点は、目標とする光学設計上の値のほか、不適切な設計形
状が生成されないようにする制約も評価関数に記述することです。代表的な制約として、エレメン
トの厚み、重量、最大許容ディストーションなどがあります。
適切な視野点の数
このレンズの最適化で使用している視野点は 0°と 5°の 2 点のみです。これら 2 つの視野点では
RMS スポット半径が十分適切に制御されていますが、これらの間にあるどこかの視野点でレンズ
の性能が低下していないことも確認する必要があります。
[解析] (Analysis) タブで [RMS] (RMS) → [視野に対する RMS] (RMS versus Field) をクリックします。
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チュートリアル • 101
このプロットでは、視野を連続変数とし、視野の変化に伴って RMS スポット半径がどのように変
化するかが示されています。5°の視野にある 15 個所について、波長ごとの RMS スポット半径と
多色平均した RMS スポット半径をプロットしています。どの場所でも、RMS スポット半径は 0°
での値も 5°での値も超えていません。したがって、2 つの視野点でこの設計を適切に管理できま
す。最大視野点または最小視野点での値を超える部分がプロットに認められる場合は、必要に応じ
て視野点を追加します。
注 : 視野点の数や波長の数を変更した場合、それらの変更を反映するために、評価関数を再作成す
る必要があります。
同様に [波長に対する RMS] (RMS vs. Wavelength) プロットでは、定義した波長の数が、設計を適
切に管理するうえで十分かどうかを確認できます。[解析] (Analyze) → [収差] (Aberrations) → [軸上
色収差] (Chromatic Focal Shift) および [解析] (Analyze) → [収差] (Aberrations) → [倍率色収差]
(Lateral Color) でも同様の確認が可能です。
視野および波長の全範囲にわたって光学系の挙動を確認するための優れた方法として、[解析]
(Analyze) → [拡張光源解析] (Extended Scene Analysis) → [画像シミュレーション] (Image
Simulation) を選択する方法もあります。ここで次のように設定します。
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チュートリアル • 102
これは、入力ビットマップとして記述した実際の物体シーンをレンズで結像すると、どのような像
が得られるかを示すシミュレーションです。この解析は驚くほど高速で、下図のような像が数秒足
らずで生成されます。この機能は、光学の専門家以外に実際の光学性能を伝えるツールとして最適
です。
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チュートリアル • 103
ガラスの最適化
ガラスの最適化と他の光学系パラメータの最適化との間には重要な違いがあります。曲率半径や厚
みなどのパラメータは連続的に変更できます。たとえば、厚み 10.0 mm を 10.00001 mm にするこ
とができます。一方、ガラスで使用できるのは離散的な特性のみです。ガラスの材質をわずかに変
更して、屈折率をわずかに変化させることはできません。そのため、現在設計で使用しているガラ
スを他のガラスに置き換える、ガラス代替と呼ばれる方法を使用します。
はじめに、OpticStudio で選択できるガラスのテンプレートを定義します。[最適化] (Optimize) タ
ブの [グローバル最適化] (Global Optimizers Group) グループにある [ガラス代替テンプレート]
(Glass Substitution Template) を選択します。
ここで次のように設定します。
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チュートリアル • 104
推奨の光学ガラスのみを使用するように [推奨] (Preferred) を選択します。[推奨] (Preferred) とは、
標準の特性のみを備え、入手が容易なガラスであることを示すステータス フラグです。さらに、
各ガラスの価格が N-BK7 の価格の 10 倍以下であることを [最大相対コスト] (Maximum Relative
Cost) で指定し、耐候性に 2 以上、耐汚染性に 1 以上を指定します。現在ロードされているカタロ
グには (デフォルト設定では、ショット社のカタログがロードされます)、これらの基準を満たすガ
ラスが 58 種類あります。ガラス代替では、この 58 種類のみが使用されます。
次に、現在は N-BK7 が選択されている面 2 の [材料] (Material) 列のセルの右をクリックして、ソル
ブ ダイアログ ボックスで [代替] (Substitute) ソルブを設定します。
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チュートリアル • 105
面 3 の F2 でも、同様の手順を実行します。レンズ データ エディタでは、代替可能であることを
示す「S」ステータスがガラスの横に表示されます。
ガラス代替の方法は、ローカル最適化機能には複雑すぎます。代わりに、[グローバル最適化]
(Global Optimizers Group) グループの [ハンマー最適化] (Hammer optimizer) を使用すると、この設
計に最適なガラスを容易に探し出すことができます。
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チュートリアル • 106
ガラス カタログのガラスをクリックし、[ライブラリ] (Libraries) → [材料カタログ] (Materials
Catalogs) を選択して、そのガラスが仕様を満足していることを確認します。ここまでの作業で、
視野のあらゆる場所で RMS スポット半径が 19 µ 未満となる設計が得られます。
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チュートリアル • 107
チュートリアル 5.4: 適切な最適化のための
ヒント
ここでは、OpticStudio の広範囲で高性能な最適化機能を最大限に引き出すうえで効果的な各種の
ヒントを紹介します。
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チュートリアル • 108
物理的に有意な評価関数を使用する
レンズの設計に着手する前に、そのテスト方法と用途を考慮します。テスト方法は、次のように大
別できます。
• CCD アレイまたは (使用されなくなりつつありますが) 写真フィルムへの結像。このような
テストでは RMS スポット半径が適切な性能指標となることが普通です。最終的な光学系の
収差が約 2 波長未満と想定できる場合は RMS 波面収差を使用します。
• レンズを干渉計でテストする場合は、RMS 波面収差が最小となるように最適化します。
• レンズを MTF 測定装置でテストする場合は、RMS 波面収差を使用します。RMS 波面収差
がゼロに近くなるに伴って、MTF が改善されます。さらに性能を改善するには、テクニカ
ル リファレンスの「最適化」に説明がある各種の MTF* オペランドを使用して、特定の空
間周波数域での MTF 性能向上を目指します。
• ビーム エクスパンダのようなアフォーカル光学系を設計する場合は、システム エクスプロ
ーラの [アパチャー] (Aperture) セクションにあるスイッチでレンズをアフォーカル モード
に切り替えます。最終的な光学系の収差が約 2 波長より大きいと想定できる場合は RMS 角
収差半径を使用し、2 波長を下回ると想定できる場合は RMS 波面収差を使用します。
収差係数を直接最適化しない
評価関数の中で SPHA や COMA などのザイデル収差を直接の目標として、最適化対象のレンズを
調整したうえで、5 次収差を使用して踏み込んだ調整に移る方法 (たとえば、マクロ fifthord.zpl ま
たは最適化マクロ ZPL03.zpl を参照してください) は魅力的に思えます。これは OpticStudio で何の
問題もなく実行できる手順ですが、次のような理由からお勧めできません。
• ティルトおよびディセンタした光学系や、非球面、回折部品、GRIN などを持つ光学系では
収差の計算が困難です。
• OpticStudio が RMS スポット半径や RMS デフォルト評価関数で使用するガウシアン求積法
(GQ) では、指定した次数の波面収差まで正確な結果が得られます。デフォルト評価関数で
n 個のリングを使用すると、最大 r(2n-1) 次までのすべての波面収差を制御できます。今回の
二枚レンズの設計では 4 個のリングを使用しているので、最大 r7 までのすべての収差を制
御可能であり、5 次収差よりも高い次数までの制御を実現しています。この便利な手法を、
きわめてわかりやすく解説した、G. W. Forbes 著、『Optical system assessment for design:
numerical ray tracing in the Gaussian pupil』 (J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 5, No. 11, p1943
(1988)) を参照してください。
• 普通は、スポット サイズ、波面収差、MTF などの現実的な性能指標を最適化の対象としま
す。50 年前、収差の理論は計算を簡素化するための便利な手法にすぎませんでした。しか
し、21 世紀のコンピュータと OpticStudio のようなマルチスレッド化されたソフトウェア
は、当時のツールに比べてはるかに高速になっています。したがって、何らかの中間的な
関数を最適化することで目標とする性能が得られることを望むより、目的の性能値自体を
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 109
•
•
直接最適化する方がより実際的です。製作した光学系のテストに使用する指標に対して最
適化を実行するようにします。
たとえば、二枚レンズの最適化では、軸上色収差や横方向色収差などの色による効果を直
接目標値に設定する必要がありません。デフォルトである RMS スポット半径の評価関数で、
これらの収差も自動的に最適化できるからです。
なお、ディストーションはこの例外です。ディストーションは像質ではなく、像の位置の
みに影響するからです。ディストーションの制御には、DIMX や ISG などのオペランドを使
用できます。
最適化ウィザードを使用する
評価関数を構成する基盤として最適化ウィザードを使用することをお勧めします。このウィザード
では、独自の最適化関数を作成する際の土台となる「デフォルト評価関数」を生成します。最終的
に、結像光学系の特性は RMS スポット半径または RMS 波面収差で評価し、アフォーカル光学系の
特性は RMS 角半径収差または RMS 波面収差で評価します。最適化ウィザードでは、設計段階で必
要になることが多い光学機械的制約も自動的に作成できます。このような制約として、レンズのエ
ッジやレンズ中央の厚みなどがあります。
エディタでウィザードのオペランドの上に独自のオペランドを挿入することにより、目標や制約を
容易に追加できます。OpticStudio では。デフォルト評価関数の開始位置を示すために、ダミー オ
ペランドである DMFS (Default Merit Function Start) が出力されます。この行より下のオペランド
を手作業で修正しないようにします。DMFS オペランドをクリックして Insert キーを押すと、デフ
ォルト評価関数の上に新しい行を挿入できます。
ハンマー最適化を使用する
ローカル最適化機能で最適化したレンズの性能を引き上げるにはハンマー最適化を使用します。最
適化以外の作業を実行している間も、何らかの最適化を実行してハンマー最適化を常時動作状態に
置くことを習慣とするようにします。ハンマー最適化機能は、終夜や週末、また必要であれば数週
間にわたって動作状態にしておくことができます。
適切な境界条件を使用する
評価関数には、光学的な目標だけでなく、必ず境界制約も記述する必要があります。これには、以
下の 2 つの重要な利点があります。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 110
•
•
製造可能で、光学以外の目標も満足できる設計が得られます。たとえば、レンズのエッジ
と中央の厚みに対しては、妥当な値に収まるように必ず制約を適用します。そのほかにも、
用途の要件に応じて、長さや重量などの制約を追加できます。
適切な境界制約を適用することでグローバル最適化を高速化できる効果もあります。
OpticStudio では、パラメータ空間の中で境界制約に適合しない領域が検討対象から除外さ
れるからです。特にグローバル最適化では、数桁も高速化できる場合があります。
システム チェック ユーティリティを使用する
[設定] (Setup) タブの [システム チェック] (System Check) ユーティリティは、光学系の設定に予期
しない誤りがないことを確認するうえできわめて効果的なツールです。このようなユーティリティ
を使用しても、発生の可能性がある誤りをすべて検出できるわけではありませんが、少なくともこ
のユーティリティで報告された誤りはすべて確認し、「エラー」に分類されたものはすべて修正す
る必要があります。
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チュートリアル • 111
チュートリアル 6: ノンシーケンシャ
ル光線追跡 (Professional および
Premium のみ)
注 : OpticStudio のノンシーケンシャル モードのみを使用する場合でも、これまでのチュートリア
ルを実行したうえで、以下のチュートリアルに着手してください。シーケンシャル モードとノン
シーケンシャル モードでは、それぞれのユーザ インターフェイスで採用している概念や手法が多
くの面で同一です。それらについては、これまでのチュートリアルで説明しているので、ここでは
繰り返しません。
ノンシーケンシャル光線追跡は、複数の光路が存在する光学系で光線を追跡するための高機能で汎
用的な技術です。その代表的な用途として、次のようなものがあります。
•
•
•
•
•
照明光学系。特に複数の光源や複雑な光源を持つもの
干渉計など、複数の異なる光学系を伝播してきた光をコヒーレントに再結合する必要があ
る光学系
迷光がなければ本来はシーケンシャルである光学系での光学機械的迷光解析
LCD のバックライト
生物光学系。特に、組織による散乱や蛍光散乱に基づくもの
ノンシーケンシャル光線追跡では、どの光線にもあらかじめ規定された光路が存在しないと仮定し
ます。光源を発した光線は、その光路上にあるオブジェクトに到達すると、反射、屈折、回折、散
乱、子光線への分割などの挙動を示します。ノンシーケンシャル光線追跡は、シーケンシャル光線
追跡よりもはるかに一般化された技術です。このことから、光線追跡の計算速度はある程度遅くな
るものの、シーケンシャル光線追跡よりも適用範囲に汎用性があります。
[ファイル] (File) タブの、[NSC グループに変換] (Convert to NSC Group) を使用すると、シーケンシ
ャル設計を容易にノンシーケンシャル モードに変換できます。
チュートリアル 6.1: 簡単な例
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 112
[ファイル] (File) → [新規作製] (New) をクリックして、OpticStudio での新規設計を開始します。次
に、[設定] (Setup) → [ノンシーケンシャル UI モード] (Non-Sequential UI Mode) をクリックします。
新しいエディタとしてノンシーケンシャル コンポーネント エディタ (NSCE) が表示されます。[解
析] (Analyze) タブおよび [公差解析] (Tolerancing) タブが、シーケンシャル モードと異なります。
NSCE の外観と使い勝手は、レンズ データ エディタやメリット ファンクション エディタによく似
ています。これらのエディタの使用方法を知っていれば、NSCE も問題なく使用できます。NSCE
は他のエディタ同様、ツールバー、プロパティ インスペクタ、スプレッドシートの各領域で構成
されています。
なお、ノンシーケンシャル モードでは「面」ではなく、「コンポーネント」または「オブジェク
ト」を扱います。オブジェクトとは、個別の面の集合ではなく、体積を持つ三次元の立体です。
オブジェクトには、次の 3 つの基本的タイプがあります。
•
•
•
光源オブジェクト : ここからノンシーケンシャル光学系に向けて光線が発します。
ジオメトリ オブジェクト : 光線が反射、屈折、散乱、回折する光学部品を定義するオブジ
ェクトです。レンズ、プリズム、ミラー、CAD オブジェクトなどがあります。
ディテクタ オブジェクト : 光線を検出して、放射照度や放射強度などの光学性能の定量的
データを提供します。
NSCE でオブジェクト 1 のプロパティ インスペクタを開きます。
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チュートリアル • 113
[オブジェクト] (Objects) を選択し、ジオメトリ オブジェクトのみが一覧表示されるようにして、
一覧から [標準レンズ] (Standard Lens) を選択します。
プロパティ インスペクタを閉じます。オブジェクトのタイプは、ドロップダウン リストから選択
できるほか、エディタの [オブジェクト タイプ] (Object Type) セルに直接入力することもできます。
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チュートリアル • 114
シェーデッド モデルのプロットを開き、オブジェクトを表示します。Y|Z 断面図を使用して、より
意味のあるプロットにします。
オブジェクト全体を単体で定義した標準レンズ オブジェクトが表示されています。これは 2 つの
面と厚みで構成したオブジェクトではありません。エディタを見ると、このオブジェクトを任意の
(x, y, z) 位置に配置し、x、y、z の各軸を中心にティルトできることがわかります。つづいて、この
オブジェクトを構成するガラスのタイプと、そのガラスを定義するパラメータ データを入力でき
ます。ここでは以下のデータを入力します。
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チュートリアル • 115
すべての [位置] (Position) と [ティルト] (Tilt): 0.0
[材料] (Material): N-BK7
[曲率半径 1] (Radius 1): 5.0
[コーニック 1] (Conic 1): 0
[有効口径 1] (Clear 1)、[エッジ 1] (Edge 1): いずれも 1.0
[厚み] (Thickness): 1.0
[曲率半径 2] (Radius 2): 2.0
[コーニック 2] (Conic 2): 0
[有効口径 2] (Clear 2): 0.8
[エッジ 2] (Edge 2): 1.0
これらの指定により、次の表示が得られます。
これは、面の集合ではなく、ソリッド オブジェクトとしてモデル化したレンズであり、全面的に
パラメータで制御できます。
次に、エディタでこのレンズ オブジェクトを再度クリックし、Insert キーを押して新しい空オブジ
ェクトを作成します。このオブジェクトを光源 (光線) オブジェクトとします。
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チュートリアル • 116
ここでは以下のデータを入力します。
以下を除き、すべてのパラメータを 0.0 に設定します。
[Y 位置] (Y Position): 0.5
[Z 位置] (Z Position): -1.0
[X 軸のティルト] (Tilt About X): 15.0
[描画光線] (Layout Rays): 1
次のような光線追跡結果が表示されます。
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チュートリアル • 117
光線追跡結果のすべてが表示されるように、スライス面操作ツールのわずかな操作が必要になるこ
とがあります。光線は、光源からレンズの前面のフェイス、さらにレンズの 2 番目のフェイスへと
追跡されます。それ以降は光線が到達できるオブジェクトが存在しないので、わずかな距離だけ光
線が描画されて、その光線の追跡は終了します。
次に、光源 (光線) オブジェクトの行番号をクリックして行全体を選択し、右クリックして [オブジ
ェクトをコピー] (Copy Object) を選択します。
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チュートリアル • 118
同じ行をもう一度クリックして強調表示を解除し、Ctrl + V を押すか、右クリックして [オブジェ
クトを貼り付け] (Paste Object) を選択し、上記のオブジェクトを新規オブジェクトとしてエディタ
に貼り付けます。これで、まったく同じ光源オブジェクトが 2 つ配置されます。そのいずれかで、
パラメータを次のように変更します。
[Z 位置] (Z Position): 2.0
[X 軸のティルト] (Tilt About X): -15.0
[Y 軸のティルト] (Tilt About Y): 180.0
その他のパラメータは変更しません。変更するたびにレイアウトを更新すると、変化する場所を確
認できます。レンズの左右に 1 つずつ、計 2 つの光源が表示されます。
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チュートリアル • 119
次に、レイアウト プロットの [設定] (Settings) で [光線の分割] (Split Rays) および [矢印の描画]
(Fletch Rays) のオプションを選択します。
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チュートリアル • 120
この簡単な例から、ノンシーケンシャル光線追跡の重要な利点がわかります。
•
•
•
•
それは、光線の行先を指定する必要がないという点です。光源を発した光線は、その光路
上にあるオブジェクトと相互作用します。
光線が屈折性のオブジェクトに到達すると、そのエネルギーの一部は反射し、一部は透過
します。OpticStudio では、反射したエネルギーを引き継いだ「子」光線を生成できます。
これらの子光線がその光路上にあるオブジェクトと相互作用し、その子光線の子光線が生
成されます。この子光線からさらにその子光線が生成される過程が繰り返されます。
光線は、一部が反射および屈折するだけでなく、オブジェクト表面やオブジェクト体積内
部で散乱 (表面での散乱と区別するためにバルク散乱と呼びます) することもあります。
光源、オブジェクト、ディテクタはグローバル座標系に配置され、互いに独立して位置の
変更やティルトの適用が可能です。必要に応じ、他のオブジェクトを基準としてオブジェ
クトを配置することもできます。この処理については後述します。
透過、反射、散乱の各成分に光線が分割されることがあるので、分割のたびに、分割された各光線
のエネルギーは減少します。したがって、エネルギー量が無視できるほど小さくなった光線が追跡
されないように、光線追跡に何らかの制限を設定する必要があります。システム エクスプローラ
の [ノンシーケンシャル] (Non-Sequential) グループで、この制限を次のように定義します。
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チュートリアル • 121
上記のパラメータを変更して、生成される子光線の数が変化する様子を確認してください。10-2 に
設定すると子光線の数が減り、10-12 に設定すると多くなることがわかります。
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チュートリアル • 122
チュートリアル 6.2: オブジェクトの配置と
定義
ノンシーケンシャル コンポーネント エディタを使用すると、ノンシーケンシャル光学系を定義し、
さらにコンポーネントどうしの相互関係を容易に定義できます。Samples\Nonsequential\Miscellaneous フォルダのサンプル ファイル Digital Projector Flys Eye Homogenizer.zmx
を開きます。この光学系には、放物面ミラーの内側に配置したアーク灯の火球の形を近似した楕円
体積状の光源があります。この光源を発した光は、2 つのフライアイ レンズレット アレイと 1 つ
の視野レンズで構成した拡散光学系に入射します。この拡散光学系は完結したサブシステムとして
製造され、光源と放物面ミラーによって生成された光ビームの中に配置されます。
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チュートリアル • 123
オブジェクトの配置
ここでオブジェクトをどのように参照しているかに注目します。
すべてのオブジェクトには、エディタの一番左の列に表示されるオブジェクト番号、および基準オ
ブジェクトが設定されています。基準オブジェクト 0 は、3 次元空間全体のグローバル座標の基準
点です。オブジェクト 1 ～ 3 は、この座標系を基準として配置されます。オブジェクト 4 ～ 7 は
オブジェクト 3 を基準に配置されているので、1 つのサブアセンブリのように扱うことができます。
オブジェクト 3 を移動すると、オブジェクト 4 ～ 7 も自動的に移動します。したがって、オブジ
ェクト 3 の位置でこの拡散光学系の位置が決まります。
注 : どのオブジェクトも、それより前に定義済みの任意のオブジェクトを基準に配置できます。こ
の定義済みオブジェクトも、それより前に定義したオブジェクトを基準に配置できます。
この拡散光学系を、任意の点を基準に移動する場合を考えます。オブジェクト 1 の行の任意の場所
をクリックしてから Insert キーを押すと、空オブジェクトがオブジェクト 1 として挿入され、他の
すべてのオブジェクトの番号が自動的に 1 だけインクリメントされます。このため、拡散光学系ア
センブリの基準となるレンズレット アレイ オブジェクトはオブジェクト 4 になります。
空オブジェクトには光学特性がないので、たとえば基準点やピボットの中心などを定義する際に便
利です。追加した空オブジェクトを y = 40、z = 70 に配置してから、そのオブジェクトのタイプを
ダブルクリックしてオブジェクトのプロパティのタブを表示します。
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チュートリアル • 124
[描画] (Draw) タブの [ローカル座標の表示] (Draw Local Axis) チェック ボックスをチェックします。
NSC 3D レイアウト上に、空オブジェクトのローカル座標軸が描画されます (シェーデッド モデル
ではローカル座標軸が表示されません)。
ノンシーケンシャル コンポーネント エディタのツールバーから、[基準オブジェクトの変更]
(Modify Reference Object) ツールを選択します。
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チュートリアル • 125
ここでは次のように設定します。
オブジェクト 4 のプロパティが変更され、オブジェクト 4 はオブジェクト 1 を基準に配置される
ようになります。なお、グローバル座標系でオブジェクト 4 が占める絶対位置と向きは変化しませ
ん。つまり、オブジェクト 4 は移動していませんが、その位置を定義するための基準が別のオブジ
ェクトに変更されています。オブジェクト 4 以降のオブジェクトは、引き続きオブジェクト 4 を基
準に配置されます。
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チュートリアル • 126
X 軸を中心として 10°のティルトをオブジェクト 1 に適用すると、この拡散光学系全体がオブジ
ェクト 1 を基準として回転する一方、ランプ アセンブリの位置は変化しません。
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チュートリアル • 127
オブジェクトのパラメータ
NSC エディタでは、オブジェクトの位置のほか、オブジェクトを定義するパラメータも設定できま
す。たとえば、レンズレット オブジェクト 2 は、x 方向と y 方向の半幅、厚み、曲率半径、コーニ
ック定数、x 方向と y 方向のレンズレットの数などのパラメータで定義します。
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チュートリアル • 128
このようにパラメータで制御する手法には大きな利点があります。パラメトリック オブジェクト
は、必要とするメモリ容量が比較的少なく、光線追跡が高速で、変更が容易です。また、シーケン
シャル面とまったく同じように最適化できます。
さらに、オブジェクト間の相互関係もピックアップ ソルブで容易に定義できます。2 番目のレンズ
レット オブジェクトでは、ピックアップ ソルブを使用して、いくつかのパラメータを 1 番目のレ
ンズレット オブジェクトを基準とした値に固定しています (該当のプロパティには、ピックアップ
ソルブが設定されていることを示す文字「P」が記されています)。1 つのパラメータの変更が、光
学系全体に自動的に反映されるので、最適化の際にきわめて効果的です。
チュートリアル 6.3: シーケンシャル光線追
跡とノンシーケンシャル光線追跡の組み合
わせ
ほとんどの結像光学系は、レンズ データ エディタによるシーケンシャル手法で良好に記述できま
す。一方で、シーケンシャル光学系としての領域のほかに、ノンシーケンシャル光線追跡を必要と
する領域を持つ光学系も存在します。その典型例はプリズム アセンブリです。プリズムでは、ビ
ームの各部分がそれぞれさまざまな順序でさまざまなプリズム面と相互作用します。
次に Samples\Sequential\Afocal\Binocular_System.ZMX の例を示します。
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チュートリアル • 129
典型的なシーケンシャル光学系である二枚レンズの対物レンズとケルナー接眼レンズが、普通のシ
ーケンシャル光学系同様に配置されています。一方で、対物レンズと接眼レンズの間に、ノンシー
ケンシャル コンポーネントという特殊なタイプのシーケンシャル面が挿入されています。この面
は、ノンシーケンシャル コンポーネント エディタで定義するノンシーケンシャルの領域への「入
射ポート」として機能します。
レンズ データ エディタに記述したノンシーケンシャル コンポーネント面のパラメータで「射出ポ
ート」の位置が決まります。射出ポートでは、シーケンシャル光線追跡に光線がどのように戻って
くるかを指定します。このような光線追跡を、ハイブリッド (混合) 形式のシーケンシャル/ノンシ
ーケンシャル光線追跡と呼びます。
レンズ データ エディタに記述したノンシーケンシャル面に達したシーケンシャル光線はノンシー
ケンシャル光線追跡機能に渡されます。ノンシーケンシャル光学系では、NSC エディタに記述され
ていて光線の光路上にあるオブジェクトと光線が相互作用します。レンズ データ エディタで射出
ポートとして定義した領域に達した光線は、再びシーケンシャル光線追跡機能に戻され、以降のシ
ーケンシャル面と相互作用します。
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チュートリアル • 130
注 : シーケンシャル光線は、ノンシーケンシャル グループ内部では分割できません。
シーケンシャル光学系には、任意の数のノンシーケンシャル コンポーネント面を定義できます。
各ノンシーケンシャル コンポーネント グループ内部のオブジェクトは、他のグループのオブジェ
クトからは互いに独立しています。NSCE メニュー バーの [面] (Surface) をクリックすることで、
容易にノンシーケンシャル コンポーネント グループを切り替えることができます。この面は、レ
ンズ データ エディタに記述した NSC グループの面番号に対応しており、レンズ データ エディタ
に複数の NSC グループが存在する場合にのみ表示されます。
射出ポートに達しなかった光線は、追跡が中止され、シーケンシャル光線追跡機能に戻ってきませ
ん。
注 : NS グループを通過してくるマージナル光線や主光線を追跡できないと、瞳孔の位置や F ナン
バーなどの重要なシーケンシャル パラメータを OpticStudio では計算できません。
チュートリアル 6.4: 光線追跡とデータの取
得
ハイブリッド ノンシーケンシャル モードによる光線追跡は、NS グループ内部で近軸光線を追跡し
ない点を除き、シーケンシャル モードとまったく同様に機能します。ノンシーケンシャル光線追
跡のみのモードでは、光源オブジェクトから光線を送出し、ディテクタ オブジェクトで定量的な
情報を取得します。
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チュートリアル • 131
光源オブジェクト
光源オブジェクトは、適切な空間分布と角度分布で光学系に光線を送出し、光学系の中で実際の光
源によって発生する放射を表現します。
光源オブジェクトは、次の 2 つのカテゴリに分類できます。
• パラメトリック光源 : 光源の放射輝度を何らかの数式で計算するようにした光源で、この数
式のパラメータをエディタで入力します。発光ダイオードやフィラメントなどがこの光源
に該当します。
• 測定済み光源 : IESNA 光源、EULUMDAT 光源、光源ファイルなどが該当します。IESNA お
よび EULUMDAT のデータ ファイルは遠視野 (角度) データのみを記述し、光源を空間の点
としてモデル化します。光源ファイル オブジェクトで使用する .DAT フォーマットおよ
び .SDF フォーマットは、光線の空間データと角度データの両方を記述し、光源の全放射を
定義します。これらのフォーマットによるデータは、多くの LED 製造元とランプ製造元か
ら無償で提供されています。また、Zemax の ProSource や Opsira の Luca Raymaker などの
サード パーティー プログラムでエクスポートすることもできます。ASCII および バイナリ
による .DAT フォーマットおよび .SDF フォーマットについてはユーザ マニュアルに説明が
あります。これら 2 つのフォーマットの違いは、.SDF フォーマットではスペクトル (波長)
データを記述し、.DAT フォーマットではそのデータを記述していない点にあります。
光源の波長は、システム エクスプローラの [波長] (Wavelength) グループでシーケンシャル光学系
の場合と同様に定義します。その他の定義方法もありますが、これらについては「測色」で解説し
ます。光源の単位 (ワットまたはルーメン) は、システム エクスプローラの [単位] (Units) グループ
で選択します。
光源は、他のオブジェクトと同様にグローバル座標系に配置します。すべての光源には、ノンシー
ケンシャル コンポーネント エディタのパラメータ 1 ～ 5 を使用して、いくつかの基本的な情報を
定義します。この情報は以下のとおりです。
• [描画光線数] (# Layout Rays) : レイアウト プロットを作成するときに光源から発するランダ
ム光線の数を定義します。通常は、100 本未満の小さな値として、描画の目的にのみ使用し
ます。
• [解析光線数] (# Analysis Rays) : 解析を実行するときに光源から発するランダム光線の数を
定義します。通常は、描画光線数よりも、はるかに大きな値を設定し、数百万から、場合
によっては数十億本もの光線を使用します。
• [パワー (単位)] (Power (units)) : 特定の範囲で得られる光源の総出力です。出力の単位は、シ
ステム エクスプローラで光学系の光源単位で指定します。
• [波長番号] (Wavenumber) : ランダム光線の追跡に使用する波長の番号です。ゼロは多色性
を意味し、波長データ エディタで定義した重み付けに応じて光線の波長がランダムに選択
されます。
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チュートリアル • 132
•
[色番号] (Color #) : この光源からの光線を描画する際に使用するペンの色です。ゼロの場合
はデフォルトの色が選択されます。各ペンの RGB 値は、[プロジェクト環境設定] (Project
Preferences) で定義します。
パラメトリック光源では、上記以外のパラメータも使用して放射を定義します。
光源オブジェクトには材質を指定しません。光源を発した光線が他の光源オブジェクトと相互作用
することはありません。光線は空気中に送出することが普通ですが、必要に応じて空気とは異なる
屈折率を持つ物質に送出することも可能です。まず、適切な形状と屈折率を持つジオメトリ オブ
ジェクトを定義し、その内部に光源オブジェクトを配置します。[内部配置] (Inside Of) パラメータ
を使用して、そのジオメトリ オブジェクトの屈折率へ光線を送出することを指定します。
注 : ジオメトリ オブジェクトの内部に光源オブジェクトを置いている場合は [内部配置] (Inside Of)
パラメータを使用する必要があります。これを適用しないと、誤った光線追跡結果が得られます。
ディテクタ オブジェクト
光線はディテクタ オブジェクトで検出します。ほぼすべての種類のジオメトリ オブジェクトはデ
ィテクタとしても使用できますが、専用のディテクタ オブジェクトは空間データと角度データの
表示を目的に設計され、実験で測定したようにデータを表示するうえで必要な制御機能を備えてい
ます。
最も広く使用するディテクタ オブジェクトはディテクタ (矩形) です。これは、CCD アレイのよう
な、ピクセルの二次元アレイです。検出と同時に光線が終了するように、ディテクタの材質には
ABSORB を指定することが普通です。なお、MIRROR の指定や必要に応じて後述のコーティングの
適用もできるほか、材質のセルを空欄のままにして空気に設定することも可能です。材質を空欄の
ままにした場合、検出された光線には何の変化も現れません。この設定が便利な場合もありますが、
光線がディテクタと複数回相互作用しても光線のエネルギーが失われないので、ディテクタにエネ
ルギーが保存されていないように見えることがあり、取り扱いに注意が必要です。
解析光線の追跡
サンプル ファイルの Samples\Non-sequential\Sources\Simple LXHL-BD01 LED model.ZMX を開き
ます。このファイルには、LumiLeds LXHL-BD01 LED のデータシートのデータを設定した光源 (ラ
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チュートリアル • 133
ジアル) と 100 x 100 ピクセルに設定したディテクタ (矩形) の 2 つのオブジェクトのみが収められ
ています。
光源オブジェクトの総出力は 27 ルーメンで、描画目的のレイアウト光線を 30 本、解析光線を 100
万本使用しています。[解析] (Analysis) タブの [光線追跡] (Ray Trace) アイコンをクリックします。
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チュートリアル • 134
[クリアして追跡] (Clear and Trace) をクリックして 100 万本の解析光線を追跡し、[終了] (Exit) をク
リックします。コンピュータが複数の CPU を備えている場合、使用可能なすべての CPU に演算処
理が自動的に分散します。
[解析] (Analysis) → [ディテクタ ビューア] (Detector Viewer) をクリックし、ディテクタに記録され
たデータを表示します。
ディテクタ ビューアの [設定] (Settings) ダイアログはきわめて高機能で、表示するデータとしてイ
ンコヒーレント照度、光度、コヒーレント照度、位相 (この例では無意味です)、輝度を選択できま
す。複数のディテクタ ビューア ウィンドウを同時に開いて、それぞれに同じデータを異なる視点
で表示できます。
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チュートリアル • 135
疑似カラーやグレー スケールでデータを表示できるほか、[表示方法] (Show As) コントロールを使
用してデータの断面を確認することもできます。断面ビューを使用する場合、行または列に 0 を指
定すると、必ず中央の行または列での断面が得られます。データには線形スケールまたは対数スケ
ールを適用できます。
また、各ピクセルとその隣接ピクセルとの間でデータの平均値をとることで、データをスムージン
グすることも可能です。この演算は、[スムージング] (Smoothing) パラメータで指定した回数で繰
り返すことができます。これにより、空間または角度の分解能は低下するものの、S/N 比の改善を
図ることができます。
光線データベース
ディテクタ ビューアはきわめて便利ですが、光線データに直接アクセスすることが必要になるこ
ともあります。その場合は、[光線追跡] (Rtc) ボタンをクリックしてもう一度光線を追跡し、[光線
を保存] (Save Rays) をチェックします。
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チュートリアル • 136
この光線追跡に要する時間が前回よりも若干長くなることがわかります。これは、100 万本の光線
の履歴をディスクに書き込むためです。次に、[解析] (Analysis) → [光線データベース ビューア]
(Ray Database Viewer) をクリックします。
光線データベース ビューアには、追跡した光線すべての履歴が表示されます。すべての光線の強
度位置、方向余弦、法線、光路長、偏光データを表示できますが、ここでは強度のみを示していま
す。光線は複数のセグメントに分割され、各セグメントはオブジェクトとの 1 回の交差を表してい
ます。セグメント 0 は光源位置での光線データです。セグメントの終端で発生する現象を XRTS な
どの各種パラメータで示します (X = 終了、R = 反射など)。この例はきわめて単純で、光線を送出
し、1 回だけ追跡して終了します。
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チュートリアル • 137
当然のことながら、現実の光学系にはより多くのセグメントが存在します。サンプル ファイル
led_model.zmx (現在使用中のファイルと同じフォルダにあります) をロードして、以下の設定で解
析光線を追跡します。
光線データベース ビューアで光線の履歴を表示します。光線分割を有効に設定しているので、[ブ
ランチへ展開] (Expand into Branches) オプションを使用して個々の子光線を識別できます。
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チュートリアル • 138
フィルタ文字列
OpticStudio では追跡したすべての光線の履歴が記録されているので、フィルタ文字列を使用して、
特定の条件に合致する光線を容易に特定できます。たとえば、led model.zmx ファイルのオブジェ
クト 2 は光源の背後にある反射鏡です。光線の一部は、前方に送出され、このミラーには到達しま
せんが、これらとは逆方向に進み、反射鏡で反射してから前方へ伝播する光線もあります。
フィルタ文字列 R2 を使用すると、オブジェクト 2 で反射する光線のみが表示されます。
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チュートリアル • 139
!R2 を使用すると、オブジェクト 2 で反射せずに最初から前方に伝播する光線が表示されます。複
数のフィルタを AND、OR、NOT、XOR などで組み合わせることで、調査対象とする光線の検索条
件を厳密に規定するフィルタ文字列を作成できます。たとえば、オブジェクト 7 および オブジェ
クト 9 に到達してもオブジェクト 6 では反射していない光線、またはオブジェクト 2 に到達して
いない光線を選択するフィルタ文字列は (H7 & H9 & !R6) | M2 です。
フィルタ文字列は、光学系を詳細に解析するうえで最も重要なツールです。光線データベースでも
フィルタ文字列を使用できます。データベースに保存する前のデータおよび保存済みのデータのど
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チュートリアル • 140
ちらにもフィルタを適用できます。たとえば、迷光のシミュレーションでは、100 万本の光線を追
跡し、そのうちディテクタに到達する迷光 1 本の検出が必要になることがあります。この場合、デ
ィテクタに到達する光線のみをディスクに保存すれば、以降の検討での取り扱いが容易なデータが
得られます。
光線データベース ビューア、レイアウト プロット、ディテクタ ビューアで光線データベースのデ
ータを再生できます。フィルタを適用済みのデータにさらにフィルタを適用することもできます。
光線データベース ビューアでは、光線データベースにフィルタを適用し、抽出したデータのみを
新規ファイルに保存することもできます。
チュートリアル 6.5: 複雑なオブジェクトの
作成
OpticStudio には豊富な種類のオブジェクトが用意されていますが、そのまま使用できるオブジェ
クトが見つからない場合もあります。そのような場合に、既存のオブジェクトを操作して、必要な
機能を備えたオブジェクトを作成する方法があります。
オブジェクトの重ね合わせルール
空間の中で複数のオブジェクトが同じ領域を占めている場合は、簡単なルールが適用されます。こ
のように共有している領域のプロパティは、ノンシーケンシャル コンポーネント エディタで最後
に記述したオブジェクトで決まります (そのオブジェクトの種類は無関係です)。
サンプル ファイルの Non-sequential\Diffractives\Diffraction grating lens with hole.zmx を開きます。
シーケンシャルとノンシーケンシャルが混在するこの設計には、回折力を持つレンズがあり、その
中央には回折力のない領域が存在します。
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チュートリアル • 141
このようなオブジェクトは、エディタ上で回折エレメントの後に非回折エレメントを記述し、同じ
位置に配置することで容易に実現できます。複数のジオメトリ オブジェクトをネスト化する場合、
ネスト化したどのオブジェクトもその内部に光源オブジェクトを持っていなければ、[内部配置]
(Inside of) フラグを使用する必要はありません。ジオメトリ オブジェクトは、完全に重ね合わせる
こともできるほか、その部分のみを重ね合わせることもできます。一方、光源オブジェクトは、同
じ場所を占めるあらゆるオブジェクトの内部にその全体を配置する必要があります。その場合、光
源オブジェクトだけではなく、その外側にネスト化したすべてのジオメトリ オブジェクトでも [内
部配置] (Inside of) フラグを設定する必要があります。
ブール オブジェクト
ブール オブジェクトを使用すると、最大 8 個のオブジェクトを任意の順序で組み合わせることが
できます。ブール オブジェクトを、さらに他のオブジェクト (他のブール オブジェクトも含む) と
組み合わせることも可能です。たとえば、サンプル ファイルの Samples\Non-sequential\Geometry
Creation\Boolean Example 2- a lens with a hexagonal edge.ZMX では、レンズと六角柱とのブール
交差で六角レンズを作成する方法を紹介しています。
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チュートリアル • 142
Non-sequential\Geometry Creation フォルダの各種サンプル ファイルにもその他の例を収録してい
ます。
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チュートリアル • 143
アレイ オブジェクト
アレイ オブジェクトを使用すると、任意のオブジェクトの一次元、二次元、三次元のアレイを作
成できます。その例として、ブール オブジェクトのアレイがあります (Samples\Nonsequential\Geometry Creation\Array Example 3- an array of Boolean objects.ZMX)。
複数のオブジェクト定義を使用する方法よりも、アレイ オブジェクトの使用を強くお勧めします。
これには、以下の理由があります。
•
•
同数の個別オブジェクトを定義するよりも、メモリ消費量が圧倒的に少なくてすみます。
必要となるメモリ量は、親オブジェクトのインスタンス 1 個分に要する量をわずかに超え
る程度にすぎません。
光線追跡を高速化する高度な手法を採用しているので、同数の個別オブジェクトを使用し
た場合に比べ、数桁高速な演算を実現できます。
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チュートリアル • 144
•
複数のオブジェクトを入力する場合よりも誤りの可能性が低くなります。また、1 つのオブ
ジェクトのみの更新または最適化で、アレイ全体の更新または最適化が可能です。
アレイ リングを使用すれば、円形アレイ、6 極アレイ、螺旋アレイも作成できます。アレイ リン
グにも、上で説明したアレイ オブジェクトと同じ利点があります。下図は、Samples\Nonsequential\Geometry Creation\Ring Array Example 3- Hexapolar Array.ZMX の例です。
光源オブジェクト
光源オブジェクトを使用することで、どのジオメトリ オブジェクトも光源として使用できます。
これは、光学機械部品の輻射能を考慮する必要がある赤外解析や赤外線雑音解析に最適です。
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チュートリアル • 145
チュートリアル 7: ノンシーケンシャ
ル光学系の最適化
ノンシーケンシャルのみの光学系およびノンシーケンシャルとシーケンシャルのハイブリッド光学
系の両方で、最適化が全面的にサポートされています。ノンシーケンシャルのみの光学系を最適化
する際に広く使用されている方法は、最適化ウィザードを使用した後で特定の要件に応じて変更を
追加することです。OpticStudio では、ノンシーケンシャル設計向けに 3 種類のウィザードをサポ
ートしています。
ノンシーケンシャル光線追跡で使用するオペランドが数多く用意されていますが、頻繁に使用する
ものは NSTR と NSDD です。NSTR は光線追跡に使用するオペランドで、その機能は [光線追跡コ
ントロール] (Ray Trace Control) ダイアログとまったく同じです。
NSDD はディテクタのクリアとディテクタ データの読み取りに使用します。どのピクセルも直接
読み取ることができますが、最適化の場合は集合光線データを最適化すると便利であることが普通
です。このようなデータとして、空間領域または角度領域でのセントロイドの位置や有効幅などが
あります。NSDD オペランドで負のピクセル番号を使用すると、すべてのピクセルの平均と標準偏
差、空間または角度でのセントロイドと RMS 幅などのデータを計算できます。
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チュートリアル • 146
Samples\Non-sequential\Miscellaneous フォルダにあるサンプル ファイル Freeform
Optimization.zmx を開きます。このファイルには、Osram 社の LB_T67c LED 向けに同社が提供して
いる CAD パートと光源光線ファイルが収録されています。また、ここで形状の最適化の対象とす
るライトパイプも収められています。
LED のデータ ファイルには出力が 50.7 lm (ルーメン) の場合のデータが収められていますが、ここ
では光源の出力を 1 lm に設定します。このような設定により、強度をスケーリングしていること
以外は光線追跡に影響を与えず、一方で総出力を 1 lm としているので効率を容易に計算できます。
ライトパイプはフリーフォーム Z オブジェクトであり、(y, z) データ ポイントの集合で定義します。
OpticStudio では、これらのデータ ポイントに滑らかなカーブをフィッティングし、そのカーブを
Z 軸を中心に回転して、回転対称のパイプを形成します。この時点ではこのパイプは単なるシリン
ダですが、(y、z) データは変数として設定されています。
また、ディテクタ オブジェクトの z 位置および x 方向と y 方向の半幅は、ピックアップ ソルブで
フリーフォーム Z オブジェクトによって決まります。こうすることで、最適化でパイプの長さを変
更しても、ディテクタが必ずライトパイプの出力フェイス直前に配置されます。また、最適化で出
力フェイスの幅を変更しても、そこからの光をすべて捉えることができるようにディテクタの幅が
調整されます。
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チュートリアル • 147
このライトパイプで最大の目標は、前方向の明るさを最大にすることにあります。したがって、光
度をできるだけ大きくし、角度空間での光度プロットの幅をできるだけ小さくする必要があります。
また、ライトパイプの幅と長さの最大値と最小値に制約がある場合は、それも満足する必要があり
ます。
ここでメリット ファンクション エディタを開いて、評価関数を検討します。まずディテクタをク
リアしてから光線を追跡します。次に、ピクセル番号に -9 (RMS 幅を返す指定)、Data に 2 (単位立
体角あたりの出力を返す指定) をそれぞれ設定して、ディテクタ データの RMS 角度幅を計算しま
す。開始ビームの RMS 角度幅は 48.5°です。
開始ビームのピーク光度は 0.38 lm/sr ですが、これは明らかに余分な数値の影響を受けた値です。
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チュートリアル • 148
さらに、検出される総出力を最大にするという目標も設定します。これは重要な制約です。ディテ
クタに光線がまったく到達しない場合は、RMS 角度幅がゼロになるからです。しかし、これは求
めている解ではないので、受光出力が最大、角度幅が最小になるように最適化を実行します。
パイプの形状にもいくつかの制約があります。ヘルプ ファイルの「[最適化] (Optimize) タブ」で
FREZ オペランドの詳細な説明を参照してください。これらの制約により、ライトパイプが実現不
可能なほど太くなったり細くなったりすることを防止できます。
最適化を実行し、最適化オペランドとして [直交降下法] (Orthogonal Descent) を選択します。この
代替のローカル最適化機能は、特にノンシーケンシャル光学系の性能を短時間で大幅に改善する際
に適しています。その結果に対して DLS 最適化を実行すると、さらに性能の改善が望めることが
普通です。
最適化を 5 サイクル実行すると、ピーク光度 102 lm/sr が得られるまでライトパイプの形状を改善
できます。これは設計着手時の 200 倍を上回る明るさであり、RMS 角半径は 9°未満になります。
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チュートリアル • 149
ピックアップ ソルブを使用しているので、ディテクタ オブジェクトの位置が変化し、サイズが大
きくなっています。また、パイプの効率は約 65% 向上しています (上記の総出力を光源の送出出力
1 lm と比較してください)。
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チュートリアル • 150
チュートリアル 8: 測色
測色とは、波長範囲 0.38 ～ 0.83 ミクロンの光学的放射に対する人間の目の反応である色について
の研究分野です。どのノンシーケンシャル光源オブジェクトの色も、さまざまな方法で定義できま
す。
光源の波長スペクトルが既知で、それが 1 つのみである場合は、システム エクスプローラの [波
長] (Wavelengths) にその値を直接入力します (データ ポイントは最大で 24 個)。しかし、測色では
この方法は一般的ではなく、通常は他の方法で定義します。[ライブラリ] (Libraries) タブの [光源ビ
ューア] (Source Viewers) グループにある [光源スペクトル プロット] (Source Spectrum Plot) を選択
して、[設定] (Settings) を確認します。
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チュートリアル • 151
このビューアは、CIE 色座標に適合するモデルをはじめとして、OpticStudio がサポートするすべて
の色モデルを調べる場合に便利です。目的とする色の定義方法がわかれば、そのデータをオブジェ
クトのプロパティ インスペクタの [光源] (Sources) に入力します。
それぞれ異なる色を設定した光源を任意の数だけ定義できます。たとえば、光源の CIE 1976 u'v' デ
ータが u' = .31、v' = 0.5 の場合、OpticStudio では 4 つの波長でこの色を正確に表現できます。
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チュートリアル • 152
通常は、可能な限り少ない数の波長で、目的の色をレンダリングするようにします。光源ごとに指
定または合成したスペクトルを使用して、光線をディテクタ (色) オブジェクトまたはディテクタ
(極) オブジェクトで検出するまで追跡します。これらのディテクタでは、ユーザの必要に応じて、
トゥルー カラー (測光) または疑似カラー (放射測定) のいずれかのデータが得られます。
例として、ノンシーケンシャル サンプル フォルダのサブフォルダ \Colorimetry にあるサンプル フ
ァイル Example 1 を開きます。この例では、2 つの色を混合して白色を表現しています。白色 LED
は、そのダイ内部で 2 つの蛍光体を使用し、青と黄のスペクトルを発することで実現できます。単
純化するために、このファイルでは青と黄の光源を別々に定義して、それらを重ね合わせています。
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チュートリアル • 153
2 つのビームを完全に重ね合わせることはできないので、白色スポットの一方の端が青味を帯び、
もう一方の端が黄色味を帯びています。各ピクセルの色を解析し、評価関数の目標として設定でき
る最適化オペランドが用意されているので、必要な色または CRI が得られる最適化が可能です。
チュートリアル 9: 偏光、コーティン
グ、散乱
一般的に、光線追跡プログラムでは、位置、方向、位相のみを持つ純粋な幾何学的実体として光線
を扱います。たとえば、面に到達する光線は、交差点の座標、ローカル座標軸に対して光線が成す
角度を定義する方向余弦、その光線に沿った光路長または光路差を決定する位相で完全に記述でき
ます。
ガラスと空気のような 2 つの媒質の境界では、スネルの法則に従って屈折が発生します。通常、ビ
ームの方向に影響しない界面での効果は無視されます。そのような効果として、電界の振幅と位相
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チュートリアル • 154
の変化があります。この変化は、入射角、入射偏光、2 つの媒質の特性、界面の光学コーティング
で決まります。
偏光解析は、従来の光線追跡の延長として、光学コーティングおよび反射吸収による損失が光学系
での光の伝播に与える影響を考慮します。シーケンシャルおよびノンシーケンシャルの両方の光学
系で偏光解析が可能です。
また、界面での散乱も考慮できます。散乱は、表面の微細構造によって発生します。十分に高い分
解能で見ると、「滑らかに」研磨されたガラス表面も実際には荒れた表面であり、この表面を離れ
る光線の方向余弦は正反射光線の方向余弦を中心として変動し、散乱が発生します。光学材料の中
を通過する光線の追跡でも、材料の含有物に起因して散乱が発生することがあります。このような
散乱を「バルク散乱」と呼びます。
チュートリアル 9.1: 偏光
光線は、その位置と方向で記述できるほか、複素値成分 (Ex、Ey、Ez) を持つベクトル E により、振
幅と偏光状態で記述することもできます。E ベクトルは、光線の方向ベクトル k (光線の方向余弦 (l,
m. n) で求めます) と直交している必要があるので、k.E = 0、つまり次の式が成立します。
Ex.l + Ey.m +Ez.n = 0
方向余弦は既知なので、指定する必要があるのは複素数値の Ex と Ey のみです。Ez はそれらの値か
ら求めることができます。偏光は、二次元のジョーンズ ベクトル J = (Jx, Jy) で定義できます。ここ
で、Jx と Jy は光線の方向に沿って測定し、振幅と位相の両方を持ちます。次に、二次元の J ベクト
ルと光線の方向余弦から三次元の E ベクトルを求めます。
光線の初期偏光を定義する方法は、シーケンシャルまたはノンシーケンシャルのどちらの光学系を
扱うかによって異なります。
シーケンシャル光学系での偏光の定義
光線のデフォルトの偏光状態は、[全般] (General) ダイアログ ボックスの [偏光] (Polarization) で定
義します。
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チュートリアル • 155
解析機能で偏光を使用するものの、その機能の設定では偏光を定義できない場合、この [偏光]
(Polarization) の設定に基づいて計算が実行されます。なお、多くの解析ウィンドウでは偏光状態を
直接定義できます。そのような解析ウィンドウは、特別な [偏光と表面特性] (Polarization and
Surface Physics) グループにあります。
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チュートリアル • 156
これらのウィンドウでは、デフォルトでシステム エクスプローラでの指定が設定されますが、直
接変更することも可能です。たとえば、[偏光光線追跡] (Polarization Ray Trace) では、光線の座標
と偏光状態を直接定義できます。
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チュートリアル • 157
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チュートリアル • 158
ノンシーケンシャル光学系での偏光の定義
ノンシーケンシャル光源オブジェクトの偏光状態は、プロパティ インスペクタの [光源] (Sources)
で定義できます。
光源ごとに、個別に偏光のプロパティを指定できます。
チュートリアル 9.2: 薄膜コーティング
OpticStudio は、偏光解析をサポートするために、充実した薄膜モデル化機能を備えています。定
義済みまたはユーザ定義のいずれかの材料データベースを使用して、誘電体および金属の多層コー
ティングを定義できます。Essential Macleod、TFCalc、Film-Star などの多くの薄膜コードを使用し
て、OpticStudio フォーマットにコーティング設計を直接エクスポートできます。
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チュートリアル • 159
誘電体基板と金属基板のどちらにもコーティングを適用できます。コーティングは、任意の材料の
任意の数の層で構成でき、それぞれの層に複素屈折率を定義できます。コーティング材料の内部で
は全面的な分散モデル化を適用します。基板には、ガラス、金属、ユーザ定義材料を使用できます。
コーティング層は均一の厚みとすることができるほか、場所によって異なる厚みとすることもでき
ます。また、複製したコーティングを繰り返し積層するループ設定の定義も容易です。
面が空気からガラスに変化し、次いでガラスから空気に変化する場合、OpticStudio では自動的に
コーティング層の順番が反転します。したがって、「ミラー反転」したコーティングを定義しなく
ても、同じコーティングを多くの面に適用できます。
拡張子が .dat のファイルにコーティングを定義します。このファイルは、コーティングのフォル
ダ (デフォルトでは、My Documents\Zemax\Coatings) に保存されます。このフォルダは、[設定]
(Setup) タブの [プロジェクト環境設定] (Project Preferences) をクリックして変更できます。
OpticStudio には、サンプル データを格納した coating.dat というファイルが付属しています。
注 : coatings.dat ファイルは編集しないでください。このファイルは OpticStudio のインストーラに
よってインストールされるので、次回の更新をインストールする際に上書きされます。
独自に作成したコーティングのデータは必ず専用の .dat ファイルに保存し、システム エクスプロ
ーラの [ファイル] (Files) でそのファイルをロードします。
コーティング データを設定すると、OpticStudio では、すべてのコーティングについて消光比、位
相、リターダンス、反射、透過、吸収が波長または角度の関数として計算されます。
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チュートリアル • 160
シーケンシャル面へのコーティングの追加
サンプル ファイルの Sequential\Objectives\Double Gauss 28 degree field.zmx をもう一度開きます。
このファイルは、付属の coatings.dat ファイルを使用します。レンズ データ エディタで [コーティ
ング] (Coating) の列を確認します。
次に [ライブラリ] (Libraries) タブに移動して、次の図のように [コーティング カタログ] (Coating
Catalog) アイコンを選択します。
AR というコーティングが表示されるまで下方向にスクロールします。
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チュートリアル • 161
コーティングの厚みは、[絶対値] (Absolute) フラグが 0 の場合、主波長の波数単位で指定します。
ゼロ以外の場合は、波長に関係なく µm 単位で指定します。したがって、コーティング AR は
MGF2 を材料とする、厚みが λ/4 の層です。材料 MGF2 は、coating.dat ファイルで次のように定
義されています。
このリストには、η = n + ik として定義した複素屈折率が示されています。n は通常の屈折率、k
は吸光係数です。材料 MGF2 は、n が正の値、k がゼロなので、この材料は純粋な誘電体です。一
方、ALUM という材料は次のように設定されています。
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チュートリアル • 162
この材料は、屈折率 が 1 未満で、吸光係数が負の値なので金属です (OpticStudio の表記ルールと
して、吸収性媒質の吸光係数は負数で表します)。コーティングは、任意の数の誘電体層と金属層
で構成できます。層の厚みには一定値またはテーパー状に変化する値を設定できます。また、コー
ティングの繰り返しループも容易に定義できます。
コーティングの処方が不明な場合、OpticStudio には、反射率と透過率を指定するだけで使用でき
る IDEAL コーティングが用意されています。また、IDEAL コーティングに似た TABLE コーティン
グもあります。TABLE コーティングでは、透過率と反射率を入射角と波長の関数として指定でき、
さらにそれらを S 偏光と P 偏光とで別々に設定できます。
注 : コーティング ファイルの構文の詳細は「[偏光] (Polarization)」を参照してください。
次に、[解析] (Analysis) タブの [コーティング] (Coatings) → [角度に対する反射] (Reflection vs
Angle) をクリックして、SK2 基板に適用したこのコーティングの性能を確認します。
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チュートリアル • 163
同じメニューの他のプロットには、透過率、消光比、位相、リターダンスなどが表示されます。面
1 の [コーティング] (Coating) の列でスペース キーを押してコーティングを削除し、角度に対する
反射のプロットがどのように変化するかを確認します。
[コーティング] (Coating) の列にコーティング名を直接入力して、その面に指定のコーティングを
適用できます。レンズ データ エディタ ツールバーの [全ての面にコーティングを追加] (Apply
Coating to All Surfaces) ツールを使用すると、光学系にあるすべての面にコーティングを容易に適
用できます。
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チュートリアル • 164
ノンシーケンシャル オブジェクトへのコーテ
ィングの追加
ノンシーケンシャル オブジェクトへのコーティングは、少し複雑になるだけで、シーケンシャル
面と同様に適用できます。ノンシーケンシャル モードでは、オブジェクトが面ではなく体積を持
つ立体であるため、1 つのオブジェクトの複数のフェイスに異なるコーティングを適用できます。
このような例を示すサンプル ファイル Non-sequential\Ray splitting\Beam Splitter.zmx を開きます。
2 番目のプリズム オブジェクトである オブジェクト 3 をダブルクリックしてプロパティ インスペ
クタを開き、[コーティング/散乱] (Coat/Scatter) タブに移動します。このオブジェクトには 2 つの
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チュートリアル • 165
フェイスがあります。フェイス 1 はスプリッタ フェイス (プリズムの斜辺)、フェイス 0 はそれ以
外のすべてのフェイスです。
フェイス 1 は IDEAL コーティング I.5 でコーティングされています。このコーティングは光線エネ
ルギーの 50% を透過し、50% を反射します。フェイス 0 は I.95 でコーティングされ、エネルギー
の 95% を透過し、5% を反射します。
OpticStudio のすべてのネイティブ オブジェクトでは、光学的な評価対象となる領域をフェイスで
定義しています。これらについては、オブジェクト定義に関する節を参照してください。[解析]
(Analysis) タブの NSC オブジェクト ビューアで、個々のオブジェクトの定義を確認することもでき
ます。
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チュートリアル • 166
オブジェクトのフェイスをクリックすると、そのフェイスが強調表示され、ウィンドウのタイトル
バーに識別情報が表示されます。
CAD オブジェクトのフェイスの定義
OpticStudio では、各種の CAD オブジェクトを使用して STL、STEP、IGES、SAT の各フォーマット
のファイルをロードします。また、SolidWorks™、AutoDesk Inventor™、Creo Parametric™ (以前の
Pro/Engineer) のパーツやアセンブリで動的に作業することもできます。これらのオブジェクトは、
莫大な数の NURBS 面で定義されていることがあります。CAD プログラムの中には、光学解析で必
要な数よりもはるかに多くの小さい面を記述したデータ ファイルを生成するものがあります。
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チュートリアル • 167
たとえば、単純なシリンダでも CAD ファイルでは数百の小さい面で記述されている場合がありま
す。一方、光学解析では、オブジェクト全体で適用する光学プロパティは 2 ～ 3 種類にすぎません。
多数の面のそれぞれに光学プロパティを割り当てるよりも、オブジェクト上で連続した滑らかな領
域を構成する面のすべてに共通のフェイス番号を 1 つ割り当てて、CAD 面をグループ化した方が
普通は便利です。
CAD オブジェクトは、任意の CAD パートに光学フェイスを容易に割り当てることができるように
する [フェイス モード] (Face Mode) パラメータをサポートしています。このパラメータの概要は以
下のとおりです。
•
•
•
•
•
[フェイス モード] (Face Mode) = 0: すべての面にフェイス番号 0 を割り当てます。オブジ
ェクト全体で定義されるフェイスは 1 つのみです。陽極酸化アルミニウムのような単一の
光学仕上げをオブジェクト全体に適用する場合に適しています。
[フェイス モード] (Face Mode) = 1: 長さがゼロではない曲線で複数の面のエッジどうしが接
していて、その曲線上でそれら各面の法線ベクトルが、ユーザ定義の許容角度の範囲で平
行と見なせる場合に、それらすべての面に共通のフェイス番号を割り当てます。この許容
角度は、[フェイス角] (Face Angle) (パラメータ 8) で定義します。このモードでは、どの程
度の細密さでフェイスに番号を付けるかを調整できます。[フェイス角] (Face Angle) に大き
な値 (180 など) を設定すると、互いに接するすべてのフェイスに同じ番号が割り当てられ
ます。[フェイス角] (Face Angle) が大きくなるほど、一意の面が少なくなります。このモー
ドは、たとえば 90°の角度で接するフェイスには異なる光学プロパティを設定する場合に
適しています。
[フェイス モード] (Face Mode) = 2: すべての面のそれぞれに一意のフェイス番号を割り当て
ます。このモードでは、一意のフェイスの数が最大になります。
[フェイス モード] (Face Mode) = 3: インポートしたファイルで定義されているフェイス番号
を保持します。Zemax で作成したファイルのように、CAD ファイルの中にはフェイス番号
が定義済みとなっているものがあります。Zemax でこれらのフェイス番号を認識できれば、
そのまま使用します。Zemax でこれらのフェイス番号を検出できない場合、面には [フェイ
ス モード] (Face Mode) = 2 と同じ方法でフェイス番号が割り当てられます。
[フェイス モード] (Face Mode) = 4: CAD ファイルで定義されている独立したオブジェクト
ごとに、そのすべての面に同じフェイス番号を割り当てます。1 つの CAD ファイルに複数
のオブジェクトが定義されている場合に、それらオブジェクトごとにすべての面に 1 つの
プロパティを割り当てる場合に便利なオプションです。
オブジェクトのプロパティの [CAD] (CAD) セクションを使用すれば、インポートしたオブジェクト
の各面に手動でフェイス番号を割り当てることもできます。
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チュートリアル • 168
チュートリアル 9.3: 光線分割
シーケンシャルまたはノンシーケンシャルのいずれの光線追跡も、偏光の効果を考慮または無視し
て実行できます。偏光光線追跡を使用する場合、すべての面で光学エネルギーの透過、反射、吸収
が考慮されます。また、光学媒質によるバルク吸収も考慮されます。
純粋なノンシーケンシャル光線追跡では、界面で光線が分割される場合があります。その場合、反
射損失は無視され、反射したエネルギーを取得して伝播する新しい光線が発生します。
反射と透過の正確な計算には偏光に関する情報が必要になるので、光線分割を使用できるのは、偏
光光線追跡を実行する場合のみです。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 169
光線分割は無効にすることができます。その場合、光線は全反射する場合を除き、屈折界面で必ず
透過光の光路を進みます。オブジェクトがミラーの場合は、当然のことながら、必ず反射光の光路
を進みます。
上図のレイアウトは、光線が分割される場合にビームスプリッタで発生する可能性のある光路のい
くつかを表示しています。入力光線は 1 本のみを描画しています。光線分割を有効にした場合は、
良好な計算効率を実現するうえで、システム エクスプローラの [ノンシーケンシャル] (NonSequential) で光線追跡の終了基準を定義する必要があります。モデルが適切に動作することを確
認でき、より詳細な結果が必要な場合を除き、光線の相対透過率を妥当な範囲で 0.001 前後の高い
値に設定することをお勧めします。
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チュートリアル • 170
OpticStudio では、光線を 2 つに分割して両方を追跡するのではなく、反射または屈折のいずれか
の光路をランダムに選択して追跡するオプションも使用できます。このオプションは、上記の [簡
易光線分割] (Simple Ray Splitting) で設定します。反射光線と屈折光線のどちらを追跡するかは、
反射係数と透過係数をそれぞれの光路を選ぶ相対確率と見なすことによってランダムに決まります。
チュートリアル 9.4: 光線の散乱
光線は光学部品の表面で部分反射するだけでなく、面の微細な荒れによって散乱する場合もありま
す。OpticStudio では光学面による散乱の詳細なモデルを多数サポートしています。ランバーシア
ン (非常に粗く、顕著な散乱を示す面に使用します)、ガウシアン (普通は、十分に研磨された面で
発生する散乱のモデル化に使用します)、ABg、K- 相関などの多数のモデルを使用できます。また、
単純な ASCII フォーマットで散乱データをインポートする機能もあります。Premium エディション
には、測定によって得られた散乱プロファイルがライブラリとして付属しています。詳細は、
「[ライブラリ] (Libraries) タブ」の「[散乱] (Scattering) グループ」を参照してください。
散乱は、シーケンシャル光線追跡でも使用できますが (「[散乱] (Scattering) タブ」でプロパティ イ
ンスペクタのダイアログに関する説明を参照)、光線が任意の光路を伝播できるノンシーケンシャ
ル光線追跡で最も効果的です。ノンシーケンシャル オブジェクトのフェイスに散乱を適用するに
は、薄膜コーティングの場合と同様に [オブジェクト プロパティ] (Object Properties) タブの [コー
ティング/散乱] (Coat/Scatter) タブを使用します。
Non-sequential\Scattering フォルダのサンプル ファイル ABg scattering surface.zmx を開きます。
このファイルでは、オブジェクト 2 に ABg 散乱モデルを適用しています。このモデルは、測定で
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チュートリアル • 171
得られた散乱データと組み合わせて広く使用されています。
このモデルは測定データに基づいているので、面で散乱するエネルギーの総量をデータ ファイル
で定義します。ランバーシアンなどの他の散乱モデルでは、散乱するエネルギー量を下図のダイア
ログの [散乱比率] (Scatter Fraction) パラメータで指定する必要があります。散乱エネルギーの指定
が必要な散乱モードを選択すると、このダイアログが表示されます。
光線分割を無効にしている場合は、[散乱比率] (Scatter Fraction) パラメータ (または、相当する測
定データ) の値と、光線とオブジェクトの交差ごとに OpticStudio で生成される乱数に応じて、光
線が散乱するかどうかが決まります。NSC 3D レイアウトを更新して、光線が散乱するかどうかを
確認します。
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チュートリアル • 172
[設定] (Settings) ダイアログで、[NSC 光線の散乱] (Scatter NSC Rays) と [NSC 光線の分割] (Split
NSC Rays) をチェックします。
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チュートリアル • 173
ここの例では、散乱していない光線と 5 本の散乱光線に光線が分割されます。
このレイアウトを数回更新して、散乱しない光線とランダムに散乱する 5 本の光線が必ず発生する
ことを確認します。散乱光線の数は、[オブジェクト プロパティ] (Object Properties) の [コーティ
ング/散乱] (Coat/Scatter) タブで [光線本数] (Number of Rays) パラメータを使用して定義します。
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チュートリアル • 174
チュートリアル 9.5: 重要度サンプリング
ディテクタなどの目的のオブジェクトに到達する比較的少数の散乱光を探し出すために、膨大な数
の光線の追跡が必要になることがあります。OpticStudio には、効率的な散乱解析を実現できる高
機能な方法が 2 種類用意されています。
その 1 つでは、散乱分布に従って光線を散乱したうえで、目的のオブジェクトに伝播する光線があ
れば、その光線のみを追跡します。この方法を実行するには、プロパティ インスペクタの [散乱方
向] (Scatter To) タブでオブジェクトの [散乱方向] (Scatter To) リストを定義します。
[散乱方向] (Scatter To) によるこの方法では、ランバーシアン散乱のように光線の散乱角度が大き
く、散乱面に対して目的のオブジェクトが張る角度が比較的大きい場合に良好な結果が得られます。
もう 1 つの方法では、必ず目的のオブジェクトの方向に光線を散乱し、実際にその方向に散乱する
確率に応じて散乱光のエネルギーを正規化します。この方法を「重要度サンプリング」と呼びます。
散乱角が小さく場合、または散乱面に対して目的のオブジェクトが張る角度が比較的小さい場合は、
[散乱方向] (Scatter To) より重要度サンプリングの方が優れていることが普通です。
Non-sequential\Scattering フォルダのサンプル ファイル Importance Sampling Demonstration.zmx
を開きます。これは、重要度サンプリングの利点を直接理解できる例です。必ず目的のオブジェク
ト (この場合はディテクタ) の方向に光線が散乱するので S/N 比が著しく向上します。
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チュートリアル • 175
チュートリアル 9.6: バルク散乱と蛍光散乱
バルク散乱は、ソリッド オブジェクトの中を伝播する光線のランダムな散乱をモデル化します。
このような散乱は、光学ガラスの含有物による散乱のように、発生することがきわめて稀な場合と、
生物組織の試料内部での散乱のように、ごく普通に発生する場合があります。OpticStudio では、
Henyey-Greenstein 散乱やレイリー散乱をはじめとして、いくつかのバルク散乱モデルを使用でき
ます。
また、バルク散乱した光線では波長が変化することがあり、その場合は波長が長くなることが普通
です。Non-sequential\Scattering フォルダのサンプル ファイル Fluorescence Example.zmx を開き
ます。このファイルでは、波長 1 (青) と波長 2 (赤) の 2 つの波長を使用しています。光源は青色の
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チュートリアル • 176
みを放射し、一定の角度と波長で光を散乱する媒質にその光が入射します。ビームスプリッタでは
赤色が透過し、青色が反射します。
バルク散乱のプロパティは、プロパティ インスペクタのダイアログの [バルク散乱] (Bulk Scatter)
タブで定義します。
[波長シフト] (Wavelength Shift) のコントロールで、バルク散乱に伴う波長の変化を定義できます。
この定義で使用する構文は「in, out, prob」です。「in」は入射光線の波長番号、「out」は射出光
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チュートリアル • 177
線の波長番号、「prob」は、この波長変化が「in」の波長の光線追跡で発生する相対確率です。セ
ミコロンで区切ることで、波長の複数の変化を定義できます。
たとえば、単一の入射波長 (波長番号 1) が散乱するとき、その 50% が波長番号 2、40% が波長番
号 3 にそれぞれ変化して、10% は入射波長のままである場合、この波長変化を定義する文字列は
次のようになります。
1, 2, 50.0; 1, 3, 40.0; 1, 1, 10.0
次のステップ
これで、このチュートリアルは終了です。このガイドは、必要最小限の概要であり、OpticStudio
の機能のごく一部を紹介したにすぎません。
これは、1 ～ 2 時間程度で OpticStudio の使用を開始できるようにすることを目的としているから
です。ここで取り上げていないテーマが多数存在します。たとえば、交差解析、物理光学、熱解析、
ノンシーケンシャル モードのマルチビーム干渉など、OpticStudio が提供する数多くの高機能な解
析や最適化機能については触れていません。
注 : OpticStudio には、ここで取り上げていない機能が多数用意されています。
そのための参考資料のいくつかを以下で紹介します。
•
•
OpticStudio ナレッジ ベース : OpticStudio ユーザに不可欠なリソースです。チュートリア
ル、よくある質問に対する回答、各種サンプルなど、多数の記事が掲載されています。複
数のカテゴリに体系化されており、目的とする記事を容易に探し出すことができる高機能
な検索エンジンを備えています。
ヘルプ ファイルを表示するには、ユーザ インターフェイスで [ヘルプ] (Help) ボタン
(「?」) をクリックします。解析ウィンドウやツールに表示される [ヘルプ] (Help) アイコン
は、ヘルプ ファイルの中でそれらの機能を解説している章節にリンクしています。
たとえば、次のようにすべてのツールバーに [ヘルプ] (Help) アイコンがあります。
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チュートリアル • 178
このアイコンをクリックすると、以下のようにヘルプ ファイルが表示されます。
•
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で、多くのお客様が設計の機密保持について心配されるのは当然です。Zemax では製品開発契約
を伴う作業を一切お引き受けしていません。したがって、技術的な質問をされても、お客様の競合
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的にご使用いただくためのお手伝いをするだけです。
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ァイルのいずれかを使用していただいてもかまいません。
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チュートリアル • 179
そのうえで、次の手順に従ってください。
• 最新バージョンを実行していることを確認します。[ヘルプ] (Help) タブの [更新を確認]
(Check for Updates) で、より新しいバージョンがリリースされていないかを確認できます。
テクニカル サポートを受ける資格があれば、最新バージョンを実行する資格があります。
最新バージョンで問題が再現できることを確認します。最新バージョンでは、既知のバグ
がすべて修正されています。
• [設定] (Setup) タブの [システム チェック] (System Check) を実行して、設定で発生しやすい
誤りがないか、目的のファイルを検証します。
• 問題に関する詳細を、[email protected] またはお近くの販売代理店までお送りください。
その際には、必ず以下の内容をお知らせください。
o お客様の氏名、会社名、電子メール アドレス、お客様と直接お話しできる電話番号
o お使いの OpticStudio キーのシリアル番号 (OpticStudio の [ヘルプ] (Help) →
[OpticStudio について] (About) を選択すると表示されます)
o 問題のわかりやすい説明。可能ならば、問題を再現できるサンプル ファイルを添付
してください。
o [ファイル] (File) → [アーカイブを作製] (Backup to Archive) を使用して、生成され
た .ZAR ファイルをお送りください。このファイル 1 つに、お客様のコンピュータ
上で使用されている設計を正確に再現するために必要な情報がすべて保存されてい
ます。
最大でも 1 営業日以内、多くの場合はこれより早い時点で回答を差し上げます。
お持ちのキーのサポート期限が切れている場合は、[email protected] またはお近くの販売代理店
まで電子メールでサポート更新の見積をご依頼いただくだけで、簡単にサポート期間を更新できま
す。
レンズ設計に関する参考文献
Zemax のプログラムおよびドキュメントは、どちらもレンズや光学系の設計方法を指導するもの
ではありません。このプログラムは光学系の設計および解析を支援するさまざまな機能を提供しま
すが、実際に設計するのは、あくまでお客様ご自身です。Zemax のドキュメントは、光学設計、
用語、方法論に関するチュートリアルではありません。Zemax ユーザが利用できるテクニカル サ
ポートには、プログラムの使用方法に関する支援もありますが、基本的な光学設計の指導は提供し
ていません。光学設計の経験が浅いユーザまたはまったく無経験のユーザの方には、光学設計に関
して執筆された多数の優れた書籍に目を通すことをお勧めします。光学の学習に効果的な書籍の一
部を以下に示します。これら以外にも、優れた文献が多数あります。
参考文献
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル • 180
著者
書名
出版元
Bass
Handbook of Optics
McGraw-Hill
Born & Wolf
Principles of Optics
Pergamon Press
Fischer & Tadic-Galeb
Optical System Design
McGraw-Hill
Geary, Joseph M.
Introduction to Lens Design: With Practical
Zemax Examples
Willmann-Bell
Hecht
Optics
Addison Wesley
Kingslake, Rudolph
Lens Design Fundamentals
Academic Press
Laikin, Milton
Lens Design, Third Edition
Marcel Dekker
Mahajan, Virendra
Aberration Theory Made Simple
SPIE Optical Engineering Press
O' Shea, Donald
Elements of Modern Optical Design
John Wiley and Sons
Rutten and van Venrooij
Telescope Optics
Willmann-Bell
Shannon, Robert
The Art and Science of OpticalDesign
Cambridge University Press
Smith, Gregory Hallock
Practical Computer-Aided Lens Design
Willmann-Bell, Inc.
Smith, Warren
Modern Optical Engineering
McGraw-Hill
Smith, Warren
Modern Lens Design
McGraw-Hill
Welford
Aberrations of Optical Systems
Adam Hilger Ltd.
Welford
Useful Optics
University of Chicago Press
最も重要なことは、Zemax は優れたエンジニアリングの実践に代わるものではないという点です。
ソフトウェアで実行した計算を適格なエンジニアが検証し、妥当な結果が得られていることを確認
するまでは、設計が完了したと見なすことができません。設計を製造に移行する計画があり、多額
のコストを伴う場合は、この点が特に重要です。Zemax の計算結果を検証する責任はエンジニア
にあります。エンジニアの設計成果を Zemax が検証するわけではありません。
Zemax 13 以前からの変換
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 181
『Zemax OpticStudio 入門』のこのセクションでは、以前のバージョンの Zemax (Zemax 13 以前)
から最新バージョンにアップグレードするユーザを対象としています。ここでは、ユーザ インタ
ーフェイス上で Zemax の以前のバージョンの要素が最新バージョンでどの要素に相当するかを示
し、その重要な変更について説明します。
新しい UI の使用方法の詳細については、「OpticStudio インターフェイスの操作」も参照してくだ
さい。
次のセクションでは、Zemax 13 の各メニューが最新バージョンでどこに移動したかを示します。
Zemax 13 で使用されていたボタン バーは廃止され、任意の機能を直接 OpticStudio のクイック ア
クセス ツールバーに配置できるようになっています。
[設定] (Setup) タブで [プロジェクト環境設定] (Project Preferences) アイコンをクリックし、目的の
機能をクイック アクセス ツールバーにドラッグ アンド ドロップします。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 182
Zemax 13 で使用されていたキーボード ショートカットはすべて OpticStudio でも機能します。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 183
Zemax 13 の [ファイル] (File) メニュ
ー
これらの機能のほとんどは OpticStudio の [ファイル] (File) タブに移動しています。
なお、プログラム モードと [環境設定] (Preferences) だけは [設定] (Setup) タブに移動しています。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 184
Zemax 13 の [エディタ] (Editors) メ
ニュー
ここでの最大の変更は、追加データ エディタが廃止されたことです。これは現在、レンズ データ
エディタ (LDE) に統合されています。Zemax 13 のレンズ データ エディタではパラメータ 0 ～ 12
を使用していました。OpticStudio では、パラメータ 13 以降に追加データが表示されるようになり、
必要なデータの量に応じて LDE のサイズが調整されるようになっています。
Zemax 13 以前のすべてのファイルは、OpticStudio に読み込むと自動的に新しい LED に再割り当て
されます。追加データのパラメータ番号を参照していた公差オペランド、マルチコンフィグレーシ
ョン オペランド、および最適化オペランドは、パラメータ データ オペランドを使用するように再
割り当てされます。その結果、メリット ファンクション エディタ、マルチコンフィグレーション
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 185
エディタ、または公差エディタで追加データ オペランドを使用して OpticStudio で生成した .zmx
ファイルを以前のバージョンで正しく読み込むことはできなくなりました。
各種拡張機能および ZPL マクロでは、追加データ オペランドまたはパラメータ番号が 13 以上のパ
ラメータ オペランドを使用して、以前の追加データ項目を処理できます。
各エディタは、[設定] (Setup) タブの [エディタ] (Editor) グループにあります。ここには 2 つの主な
エディタが表示されており、グループを展開するとすべてのエディタを表示できます。
マルチ コンフィグレーション エディタには、[設定] (Setup) タブの [コンフィグレーション]
(Configuration) グループからもアクセスできます。
マルチコンフィグレーション エディタに複数のコンフィグレーションが存在する場合、[解析]
(Analysis)、[最適化] (Optimize)、および [公差] (Tolerance) の各タブにもコンフィグレーション グ
ループが小さく表示されます。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 186
メリット ファンクション エディタは [最適化] (Optimize) タブからも使用できます。また、デフォ
ルト評価関数ツールは最適化ウィザードに名前変更されています。
公差解析データ エディタは [公差] (Tolerance) タブからも使用できます。また、デフォルト公差ツ
ールは公差解析ウィザードに名前変更されています。
各エディタは、最新の直感的なスプレッドシート機能を提供できるように全面的に作り直されてい
ます。詳細については、操作方法の説明 を参照してください。
Zemax 13 の [システム] (System) タ
ブ
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 187
[更新] (Update) および [全てを更新] (Update All) はクイック アクセス ツールバーに移動していま
す。
[全般] (General)、[視野] (Fields)、および [波長] (Wavelengths) の各メニュー項目はシステム エクス
プローラに統合されています。システム エクスプローラは、サイドバーまたは [設定] (Setup) タブ
の [システム エクスプローラ] (System Explorer) アイコンから利用できます。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 188
視野データと波長データは、システム エクスプローラに直接入力できるほか、[視野] (Fields) グル
ープまたは [波長] (Wavelengths) グループの先頭行をダブルクリックすると表示される以前のダイ
アログで入力することもできます。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 189
[次のコンフィグレーション] (Next Configuration) および [前のコンフィグレーション] (Last
Configuration) の各コントロールは [設定] (Setup) タブの [コンフィグレーション] (Configuration)
グループにあります。設計に複数のコンフィグレーションが存在する場合は、[解析] (Analysis)、
[最適化] (Optimize)、および [公差] (Tolerance) の各タブでもこれらのコントロールを使用できます。
Zemax 13 の [解析] (Analysis) メニュ
ー
このメニューのほとんどが [解析] (Analysis) タブに移動しています。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 190
ただし、以下の項目は例外です。
•
[ガラスおよび屈曲率分布] (Glass and Gradient Index) は、[ライブラリ] (Libraries) タブの [光
学材料] (Optical materials) グループにあります。
•
[光源ビューア] (Source Viewers) は、[ライブラリ] (Libraries) タブの [光源ビューア] (Source
Viewers) グループに移動しています。
•
[散乱ビューア] (Scatter Viewers) は、[ライブラリ] (Libraries) タブの [散乱ビューア] (Scatter
Viewers) グループに移動しています。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 191
•
[その他] (Miscellaneous) にある各項目は、これまでよりもわかりやすい場所に置かれてい
ます。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 192
•
[廃止] (Obsolete) にあった各項目は、以下を除いて削除されました。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 193
これらの項目は、[ファイル] (File) タブの [エクスポート] (Export) グループにあります。
•
エンサークルド エネルギーは、円以外のオプションもあることから、エンクローズド エネ
ルギーに名前変更されました。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 194
Zemax 13 の [ツール] (Tools) メニュ
ー
このメニューそのものが廃止され、ここにあった各項目はそれぞれの専用タブまたは該当するエデ
ィタのツールバーに移動しています。
[ツール] (Tools) → [設計] (Design) の機能は [最適化] (Optimize) タブになりました。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 195
Zemax パート デザイナーは、専用のタブを持つ組み込み機能になりました。この機能は、ノンシ
ーケンシャル モードの場合、または Premium バージョンの OpticStudio を使用している場合にの
み使用できます。
[ツール] (Tools) → [修正] (Modify) の機能は、レンズ データ エディタのツールバーに移動していま
す。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 196
[ツール] (Tools) → [公差解析] (Tolerancing) の機能は [公差] (Tolerance) タブになりました。
[ツール] (Tools) → [カタログ] (Catalogs) の機能は [ライブラリ] (Libraries) タブになりました。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 197
[ツール] (Tools) → [データを出力/分割] (Export/Explode Data) の機能は、[ファイル] (File) タブの
[エクスポート] (Export) グループおよび [分解] (Explode) グループに移動しています。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 198
[ツール] (Tools) → [光源] (Sources) の機能は、[ライブラリ] (Libraries) タブの [光源] (Sources) グル
ープに移動しています。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 199
[ツール] (Tools) → [散乱] (Scatter) の機能は、[ライブラリ] (Libraries) タブの [散乱] (Scatter) グルー
プに移動しています。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 200
[ツール] (Tools) → [その他] (Miscellaneous) は廃止され、その機能はこれまでよりもわかりやすい
場所に置かれています。
[ゴースト解析] (Ghost Focus Generator) は、[解析] (Analysis) タブの [アプリケーション グループ]
(Applications Group) に置かれています。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 201
[パフォーマンス テスト] (Performance Test) および [ネットワーク ライセンス サーバーのテスト]
(Test Network Server) は、[設定] (Setup) タブの [システム診断] (Diagnostics) グループに置かれてい
ます。
ファイル変換機能および MatLab® エクスポート ツールは、[ファイル] (File) タブの [変換]
(Convert) グループに置かれています。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 202
Zemax 13 の [レポート] (Reports) メ
ニュー
これらのメニューは、[解析] (Analysis) タブの [レポート] (Reports) グループに置かれています。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 203
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 204
Zemax 13 の [マクロ] (Macros) メニ
ュー
これらのメニューは、[プログラミング] (Programming) タブの [ZPL マクロ] (ZPL Macros) グループ
に置かれています。
現在は、組み込みのマクロ エディタが用意されています。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 205
Zemax 13 の [拡張機能] (Extensions)
メニュー
これらのメニューは、[プログラミング] (Programming) タブの [拡張機能] (Extensions) グループに
置かれています。
OpticStudio 15 より、拡張機能は非推奨となっています。今後のリリースでは、新たな機能やバグ修正は提供されません。
OpticStudio で機能する独自のアプリケーションを開発する場合は、ZOS-API を使用することを強くお勧めします。ZOSAPI は、現時点で利用できる最新のプログラミング テクノロジに基づく、はるかに高機能なツールです。詳細について
は、ヘルプ システムおよび ZOS-API.NET インターフェイスのドキュメントを参照してください。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 206
Zemax 13 の [ヘルプ] (Help) メニュー
現在は [ヘルプ] (Help) タブに置かれています。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 207
ヘルプ システムは、検索可能なハイパーリンク ドキュメントになり、OpticStudio UI のメイン リ
ボン バーにあるタブとして構成されています。
検索バーはユーザ インターフェイスの右上隅にあります。選択しているタブに関係なく、またナビゲーション リボンが
非表示であっても、検索バーは必ず表示されています。この検索バーは機能検索ツールに似ており、OpticStudio のユー
ザ インターフェイスの中でさまざまなツールと解析機能を検索できます。検索バーにキーワードを入力し、それに関連
する解析またはツールを探し出します。
2D 解析ウィンドウ
[設定] (Settings) ダイアログを開いたままにすることができるようになり、そこで指定した変更が
自動的に適用されるようになりました。右クリックすると、コンテキスト メニューが表示される
ようになりました。ほとんどのウィンドウでデータ マーカーを設定でき、すべてのウィンドウの
対話型機能が大幅に向上しています。表示方法を変更してもデータが再計算されなくなりました。
計算の設定を変更した場合にのみ、データが再計算されます。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 208
右クリックによって幅広いオプションが使用可能となり、ツールバーでは、そのウィンドウに関連
するすべてのツールにアクセスできます。軸の両端にあるスライダを操作して、その軸のスケール
を変更できます。「操作」にある解析ウィンドウの説明 を参照してください。
3D 解析ウィンドウ
3D 投影図は、2D 解析ウィンドウのすべての機能を提供するほか、マウスの左ボタンを押したまま
ドラッグすることで回転し、スクロール ホイールを押したままにすることでズームし、マウスの
右ボタンを押すことでパンできます。ここでも 「操作」にある解析ウィンドウの説明 を参照して
ください。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
Zemax 13 以前からの変換 • 209
シェーデッド モデル
CAD のようなユーザ経験を提供することを目的として、シェーデッド モデルの機能は全面的に作
り直されています。「操作」にある解析ウィンドウの説明を参照してください。
エディタ
各エディタは、より直感的なスプレッドシートにすることを目的として、全面的に作り直されてい
ます。各エディタには、そのエディタに関連するすべてのツールが配置されたツールバーがありま
す。詳細については、ヘルプ ファイルの「[設定] (Setup) タブ」の「[エディタ] (Editor) グループ」
で「エディタの使用」を参照してください。
規則と定義
この章では、このマニュアル全体で使用する規則について説明し、このマニュアルで使用する用語
を定義します。Zemax で使用する規則と用語のほとんどは、光学業界で広く使用されているもの
と同じですが、重要な相違もいくつかあります。
アクティブなコンフィグレーション
アクティブなコンフィグレーションとは、レンズ データ エディタで現在表示しているコンフィグ
レーションです。詳細については、ヘルプ ファイルでマルチ コンフィグレーション エディタに関
する章を参照してください。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
規則と定義 • 210
角倍率
近軸物空間での主光線の角度に対する近軸像空間での主光線の角度の比率。これらの角度は、近軸
入射瞳の位置と近軸射出瞳の位置を基準に測定します。
アポダイゼーション
アポダイゼーションとは、光学系の入射瞳での照度の均一性です。デフォルトでは、必ず均一の照
度で瞳が照らされます。一方で、瞳の照度が不均一になる状況もあります。このことから、Zemax
では、瞳全体にわたる振幅の変化である瞳アポダイゼーションをサポートしています。
瞳アポダイゼーションには、均一、ガウシアン、タンジェンシャルの 3 種類があります。均一以外
のアポダイゼーションでは、瞳での振幅の変化率をアポダイゼーション係数で表します。ヘルプ
ファイルのシステム エクスプローラに関する章にある「[アパチャー] (Aperture)」でアポダイゼー
ションの種類とアポダイゼーション係数に関する説明を参照してください。
Zemax では、任意の面に配置できるユーザ定義のアポダイゼーションもサポートしています。面
を瞳位置に置く必要はないので、面アポダイゼーションは瞳アポダイゼーションとは異なる挙動を
示します。面アポダイゼーションの詳細については、ヘルプ ファイルでレンズ データ エディタに
関する章とユーザ定義の面に関する章を参照してください。
後側焦点距離
Zemax では、ガラス製の最後の面から、無限共役にある物体の近軸像面までの Z 軸上の距離を後
側焦点距離として定義しています。ガラス製の面がない場合は、面 1 から、無限共役にある物体の
近軸像面までの距離が後側焦点距離になります。
主要平面
主要平面 (主要点ともいいます) とは、物体面と像面との間に特定の倍率関係が成立する特殊な共役
位置を指します。主要平面には、横倍率が +1 である主平面、横倍率が -1 である反主平面、角倍
率が +1 である節平面、角倍率が -1 である反節平面、および焦点面があります。像空間では倍率
が 0 である主要平面が焦点面で、物空間では倍率が無限大である主要平面が焦点面です。
焦点面を除く主要平面は互いに共役関係にあります。たとえば、像空間の主平面は物空間の主平面
と共役です。物空間と像空間の両方でレンズの屈折率が同じであれば、節平面は主平面と一致しま
す。
Zemax では、像面から像空間のさまざまな平面までの距離および第一面から物空間のさまざまな
平面までの距離を指定します。
主光線
ビネッティングがなく、収差が発生していない場合は、特定の視野点から入射瞳の中心を通って像
面に到達する光線を主光線と定義します。ビネッティングも収差もなければ、入射瞳の中心を通る
あらゆる光線は、絞りの中心と射出瞳の中心も通ります。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
規則と定義 • 211
ビネッティング ファクタを使用している場合は、ビネッティングのある瞳の中心を通る光線を主
光線と見なします。したがって、この場合は主光線が絞りの中心を通らないこともあります。
ほとんどの状況下で瞳収差が発生している場合、レイ エイミングが無効であれば主光線は近軸入
射瞳の中心を通り、レイ エイミングが有効であれば絞りの中心を通りますが、両方の中心を主光
線が通ることは一般的にありません。
瞳のディセンタが発生するようなビネッティング ファクタを指定している場合は、レイ エイミン
グが無効であれば主光線はビネッティングのある入射瞳の中心を通り、レイ エイミングが有効で
あればビネッティングのある絞り面の中心を通ります。
一般的に適用する規則では、主光線はビネッティングのある瞳の中心を通り、中心光線はビネッテ
ィングのない絞りの中心を通ります。Zemax では中心光線を使用しません。ほとんどの計算では、
主光線またはセントロイドを基準としています。一般的には、主光線基準よりもセントロイド基準
の方が優れています。セントロイド基準は、実際に像面を照らすすべての光線による集約効果に基
づいており、特別に選択した 1 つの光線のみに依存していないからです。
座標軸
光軸を Z 軸として、Z 軸の正方向に物体から最初の伝播が始まるものとします。ミラーがあると、
以降の伝播方向が反転します。この座標系は右手系なので、標準のレイアウト図上で画面の奥に向
かう方向がサジタルの X 軸になります。タンジェンシャルの Y 軸は画面上の縦方向です。
当初の光は正の Z 軸上を左から右に伝播します。奇数個のミラーで反射したビームは物理的に Z
軸の負方向に伝播します。したがって、奇数個のミラーで反射した後はすべての厚みが負数になり
ます。
回折限界
光学系の性能を制限する要因が、その設計上または製造上の不完全性ではなく、回折による物理的
な効果である場合に、その光学系の性能が回折限界にあるとします。光学系が回折限界にあるかど
うかを判断する一般的な手段は、光路差を計算するか実測することです。光路差の最大値と最小値
との差が 1/4 波長未満であれば、その光学系は回折限界にあると考えられます。
このほかにも、ストレール比、光路差の二乗平均平方根、標準偏差、最大勾配誤差など、光学系が
回折限界にあるかどうかを判断する方法が多数あります。ある方法で回折限界にあると考えられて
も、他の方法では回折限界にないと考えられることもあり得ます。
Zemax によるプロットの中には、MTF や回折エンサークルド エネルギーのように、必要に応じて
回折限界応答を表示できるものがあります。このデータは、視野の基準点からの光線を追跡するこ
とで計算して得ることが普通です。この計算では、瞳アポダイゼーション、ビネッティング、F ナ
ンバー、面アパチャー、および透過が考慮されますが、光路差は、実際の光路差 (収差のある光路
差) に関係なく、ゼロに設定されます。
x 軸上と y 軸上での指定位置がどちらも 0.0 の位置に視野点を持つ光学系では (x 軸との角度と y 軸
との角度が 0.0 である場合など)、この軸上の視野点が基準視野位置になります。(0, 0) に視野点を
定義していない場合は、視野位置 1 の視野座標が基準視野座標として使用されます。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
規則と定義 • 212
エッジ厚
Zemax では、面のエッジ厚を次の式で定義しています。
Zi は面のサグ、Zi+1 は次の面のサグ、Ti は面の軸方向厚みです。これらのサグの値は、それぞれ
の該当面の +y 方向半径で計算します。+y 方向の半径アパチャーでエッジ厚を計算するので、面が
回転対称ではない場合や、いずれかの面に面アパチャーを配置している場合は不正確なエッジ厚に
なることがあります。
エッジ厚ソルブでは、エッジ厚の定義がわずかに上記と異なっています。エッジ厚ソルブの場合の
み、面 i+1 のサグを面 i の半径位置で計算します。このようにすることで、計算が無限ループにな
ることを防止しています。面 i+1 の半径の計算を automatic モードとして、半径の値が光線追跡に
基づいて決まるようにしている場合、面 i の厚みを変更すると面 i+1 の半径も変更され、無限ルー
プになる可能性があります。詳細については、「[厚み: エッジ厚] (Thickness: Edge Thickness)」お
よび「半径データの入力」を参照してください。
有効焦点距離
後方主平面から近軸像面までの距離。この距離は無限共役について計算します。主平面の計算は必
ず近軸光線データに基づきます。有効焦点距離は、像空間の屈折率が 1 ではなくても、必ず屈折率
1.0 を基準として考えます。
入射瞳径
物空間での絞りの近軸像直径をレンズ ユニットで表した値。
入射瞳位置
光学系の第一面を基準とした、入射瞳の近軸位置。第一面は物体面ではなく、必ず面 1 です (物体
面は面 0 です)。
射出瞳径
像空間での絞りの近軸像直径をレンズ ユニットで表した値。
射出瞳位置
像面を基準とした、射出瞳の近軸位置。
視野角と視野高さ
視野点は、角度、物体高 (有限共役の光学系の場合)、近軸像高、または実像高で指定できます。視
野角は必ず度数で表します。この角度は、物空間の Z 軸上の近軸入射瞳位置で Z 軸に対して成す
角度で表します。視野角が正の値である場合は、光線が進行方向に正の傾斜を持っています。した
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
規則と定義 • 213
がって、その視野角は、遠方にある物体上の負の座標値を基準としています。Zemax では、次の
式を使用して x 方向の視野角 (αx) と y 方向の視野角 (αy) を光線の方向余弦に変換します。
l、m、n はそれぞれ x 方向、y 方向、z 方向の方向余弦です。
物体高または像高を使用して視野点を定義する場合は、これらの高さをレンズ ユニットで表現す
る必要があります。近軸像高を使用して視野点を定義する場合、その高さは近軸像面上で主波長の
主光線が占める近軸像座標です。この場合、ディストーションがある光学系では、実際の主光線が
この座標位置とは異なる位置を占めます。実像高を使用して視野点を定義する場合、その高さは像
面上で主波長の主光線が占める実光線座標です。
Zemax では、その多くの機能で正規化視野座標を使用しています。視野座標を正規化する方法の
詳細については、「正規化視野座標」にある正規化視野座標の定義を参照してください。視野のタ
イプと値を設定するには、ヘルプ ファイルで「[設定] (Setup) タブ」→「[システム エクスプロー
ラ] (System Explorer)」→「[視野] (Fields)」を参照してください。
浮動絞りサイズ
「[絞り面半径による定義] (Float by stop size)」は、Zemax でサポートしているシステム アパチャ
ー タイプの 1 つです。浮動絞りサイズという名前は、入射瞳位置、物空間の NA、像空間での F ナ
ンバー、および絞り面半径のうち、1 つを指定すると他の値がすべて決まるという事実を示してい
ます。したがって、絞り半径を設定し、その設定から導かれた他の値を使用することにより、全面
的に有効な方法でシステム アパチャーを定義できます。ヌル補正光学系の設計などのように、光
学系に埋め込まれた変更不可能な実際のアパチャーが絞り面である場合に、この方法が効果的です。
ゴースト反射
ゴーストは、レンズを通過せずにその表面で反射した少量の光によって発生する不要な偽の像です。
たとえば、視野の中に太陽を置いて撮影した写真に開口絞りの形状を持つ複数の像が現れる現象は、
ゴースト反射が原因となっています。結像光学系や大出力レーザー光学系ではゴースト像が問題と
なることがあります。
ガラス
[ガラス] (Glass) 列にガラスを名前で入力します。使用可能なガラスを確認し、ガラス カタログ ツ
ールを使用して新しいガラスを入力できます。詳細については「ガラス カタログの使用」を参照
してください。
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
規則と定義 • 214
入力のない空白は、屈折率が 1 の空気が材質であるとして扱われます。ガラス タイプに「MIRROR」
と入力することでミラーを指定できます。なお、ガラス カタログにはこの名前が表示されません。
ミラー空間の屈折率は、反射する前に光線が伝播してきた媒質の屈折率に等しい値となります。
屈折率データに対する温度と圧力の影響について詳しくは、ヘルプ ファイルで「温度と圧力の定
義」を参照してください。
六極リング
Zemax では、スポット ダイアグラムなど、頻繁に使用する計算で光線パターンが自動的に選択さ
れることが普通です。光線パターンは、入射瞳上での光線群の配置を指定します。六極パターンは、
光線群の回転対称分布を実現する手段です。中央の光線を囲む光線リングの数で六極パターンを記
述します。1 番目のリングは、入射瞳の周囲に 60°の間隔で並んだ 6 本の光線で構成され、その 1
番目の光線は 0°の位置 (入射瞳の x 軸上) にあります。2 番目のリングは 12 本の光線で構成され
ます (ここまでの光線の総数は、リング 0 に該当する中央の光線を含めて 19 本です)。3 番目のリ
ングは 18 本の光線で構成されます。以降の各リングは、その前のリングにある光線数よりも 6 本
多い光線で構成されます。
サンプリング パラメータの指定を必要とする多くの機能 (スポット ダイアグラムなど) では、光線
数を容易に指定できる手段として六極リングの数を使用します。六極サンプリング密度が 5 であっ
ても、使用する光線が 5 本であるということではありません。サンプリング密度が 5 の場合、光線
数は 1 + 6 + 12 + 18 + 24 + 30 で 91 本になります。
像空間の F ナンバー
増空間の F ナンバーとは、無限共役で計算した近軸有効焦点距離を近軸入射瞳径で除算した値です。
なお、レンズを無限共役で使用していない場合でも、この数値の計算では無限共役を使用します。
像空間の NA (開口数)
像空間の NA とは、定義した共役の位置で主波長を使用して計算した近軸軸上 +y 方向マージナル
光線と近軸軸上主光線とが成す角度の正弦に像空間の屈折率を乗算した値です。
レンズ ユニット
レンズ ユニットは、レンズ光学系で使用する主要単位です。曲率、厚み、アパチャーなどの各種
数値にレンズ ユニットを適用します。ミリメートル、センチメートル、インチ、またはメートル
をレンズ ユニットとして使用できます。
マージナル光線
マージナル光線は、物体の中心から出発し、入射瞳のエッジを通って像面に達する光線です。
ビネッティングがある場合、Zemax では、ビネッティングのある入射瞳のエッジをマージナル光
線が通るとすることで、この定義を拡張します。レイ エイミングが有効な場合は、ビネッティン
グのある絞りのエッジをマージナル光線が通るものとします。
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規則と定義 • 215
主光線の定義も参照してください。
最大視野
最大視野とは、各視野点の X 値と Y 値をプロットしたデカルト XY プロット上で、定義済みのすべ
ての視野点を囲むことができる最小の動径座標です。視野タイプが角度の場合は最大視野を度数で
表し、視野タイプが物体高、近軸像高、または実像高の場合はレンズ ユニットで表します。視野
のタイプと値を設定するには、「[設定] (Setup) タブ」→「[システム エクスプローラ] (System
Explorer)」→「[視野] (Fields)」を参照してください。視野タイプの詳細については、ヘルプ ファイ
ルで「視野角と視野高さ」を検索してください。
非近軸光学系
非近軸光学系とは、近軸光線データでは十分に表現できないあらゆる光学系です。一般的に、ティ
ルトやディセンタ、強い非球面、アキシコン、ホログラム、グレーティング、3 次スプライン、
ABCD マトリックス、分布屈折率、回折部品、ノンシーケンシャル面があるあらゆる光学系がこの
光学系に該当します。
従来の屈折部品と反射部品を使用して回転対称の構成とした光学系については、これまでに膨大な
光学収差理論が考え出されてきました。このような理論では、ザイデルの収差、ディストーション、
ガウス ビーム データのほか、焦点距離、F ナンバー、瞳のサイズと位置などのほとんどすべての
一次特性を扱っています。これらの値はすべて近軸光線データから計算できます。
解析対象の光学系に非近軸部品が使用されている場合は、近軸光線追跡に基づいて計算したどのデ
ータも信頼性の面で問題があります。Zemax では、上記の面や部品を通る光線追跡に、一般的に
は近軸光線ではなく、正確な実光線を使用します。
近軸光学で良好に記述できる光学系には、追跡対象としている光線の入射瞳動径座標がゼロに近付
くにつれて、実光線データと近軸光線データが互いに収束する性質があることが普通です。
ノンシーケンシャル光線追跡
ノンシーケンシャル光線追跡とは、物理的に実現可能な経路上のみを、オブジェクトに到達するま
で光線を追跡する手法です。オブジェクトに到達した光線は、そのオブジェクトの特性に応じて屈
折、反射、または吸収されます。ここから光線は新たな経路をたどります。ノンシーケンシャル光
線追跡では、オブジェクトの形状と特性に応じて、任意の組み合わせのオブジェクトに任意の順序
で光線が到達でき、同じオブジェクトに光線が繰り返し到達することもできます。
シーケンシャル光線追跡の定義も参照してください。
正規化視野座標
正規化視野座標は、Zemax のプログラムとドキュメントの両方で使用されています。正規化視野
座標には、Hx と Hy の 2 つがあります。正規化視野座標を使用すると、個々の視野定義や光学系
の視野によって変化しないように、有用な視野位置を定義できるので便利です。たとえば、正規化
視野座標の (0, 1) は、角度または像高のどちらで視野点を定義していても、また視野座標の絶対値
にも関係なく、必ず y 方向の上端を表します。
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規則と定義 • 216
視野を正規化するには、円形を使用する方法と矩形を使用する方法があります。どちらを使用する
かは、[視野データ] (Field Data) ダイアログで選択します。その説明については、「視野角と視野高
さ」にある定義を参照してください。
円形の視野正規化
視野の正規化が円形である場合、正規化視野座標は単位円上の点を表します。この単位円の半径は、
視野座標の原点から最も遠い視野点までの距離であり、これを最大円形視野と呼びます。最大円形
視野の大きさを使用して、すべての視野を正規化視野座標にスケーリングします。実際の視野座標
を求めるには、次のように正規化視野座標 Hx と Hy に最大円形視野の値を乗算します。
および
Fr は最大円形視野の値、fx と fy は視野ユニットで表した視野座標です。
たとえば、レンズ ユニットで指定した物体高を使用して、(x, y) 方向に 3 つの視野点 (0.0, 0.0)、
(10.0, 0.0)、(0.0, 3.0) を定義したとします。2 番目の視野点で動径座標が最大となるので、最大円形
視野は 10.0 です。正規化座標 (Hx = 0, Hy = 1) は、視野座標 (0.0, 10.0) に相当します。正規化座標
(Hx = 1, Hy = 0) は、視野座標 (10.0, 0.0) に相当します。なお、正規化視野座標では、定義済みのど
の視野点にも対応しない視野座標を定義できます。最大円形視野は必ず正の値です。
上記の例で (-10.0, -3.0) に 4 番目の視野点を追加すると、最大円形視野は次のようになります。
この値は、約 10.44031 です。正規化視野座標の値は必ず -1 から +1 の範囲にあり、以下の条件を
満足します。
この条件を満足しない視野点は、最大円形視野の外側にあります。
矩形の視野正規化
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規則と定義 • 217
視野の正規化が矩形である場合、正規化視野座標は単位矩形上の点を表します。この単位矩形の x
方向の幅と y 方向の幅は、すべての x 視野座標と y 視野座標の中の最大の絶対値で決まり、それぞ
れ最大 x 視野と最大 y 視野と呼びます。最大 x 視野と最大 y 視野の大きさを使用して、すべての視
野を正規化視野座標にスケーリングします。実際の視野座標を求めるには、次のように正規化視野
座標 Hx と Hy にそれぞれ最大 x 視野と最大 y 視野の値を乗算します。
、および
Fx と Fy はそれぞれ最大 x 視野と最大 y 視野の値、fx と fy は視野ユニットで表した視野座標です。
たとえば、レンズ ユニットで指定した物体高を使用して、(x, y) 方向に 3 つの視野点 (0.0, 0.0)、
(10.0, 0.0)、(0.0, 3.0) を定義したとします。2 番目の視野点で x 座標が最大になるので、最大 x 視野
は 10.0 です。3 番目の視野点で y 座標が最大になるので、最大 y 視野は 3.0 です。正規化座標 (Hx
= 0, Hy = 1) は、視野座標 (0.0, 3.0) に相当します。正規化座標 (Hx = 1, Hy = 0) は、視野座標 (10.0,
0.0) に相当します。正規化座標 (Hx = 1, Hy = 1) は、視野座標 (10.0, 3.0) に相当します。なお、正
規化視野座標では、定義済みのどの視野点にも対応しない視野座標を定義できます。最大 x 視野と
最大 y 視野は必ず正の値です。
上記の例で (-10.0, -3.0) に 4 番目の視野点を追加すると、最大 x 視野と最大 y 視野は次のようにな
ります。正規化視野座標の値は必ず -1 から +1 の範囲にあります。
正規化瞳座標
多くの場合、正規化瞳座標は、Zemax のプログラムとドキュメントの両方で使用されています。
正規化瞳座標には、Px と Py の 2 つがあります。正規化瞳座標を使用すると、アパチャーのサイズ
や位置によって変化しないように、有用な瞳位置を定義できるので便利です。たとえば、正規化瞳
座標 (0.0, 1.0) は必ず瞳の +y 方向上端なので、この座標を使用してマージナル光線を定義できます。
また、正規化瞳座標 (0.0, 0.0) は必ず瞳の中央なので、この座標を使用して主光線を定義できます。
正規化瞳座標は、単位円上の点を表しています。レイ エイミングが有効でなければ、瞳の半径は
近軸入射瞳の半径で決まります。レイ エイミングが有効であれば、絞りの半径で瞳の半径が決ま
ります。レイ エイミングの詳細については、ヘルプ ファイルで「[設定] (Setup) タブ」→「[システ
ム エクスプローラ] (System Explorer)」→「[レイ エイミング] (Ray Aiming)」を参照してください。
たとえば、入射瞳の半径 (直径ではありません) を 8 mm とします。座標 (Px = 0.0, Py = 1.0) はこの
入射瞳の上端に向かう光線を指します。入射瞳面で、この光線は座標 (x =0.0 mm, y = 8.0 mm) の
位置を占めます。
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規則と定義 • 218
正規化瞳座標は必ず -1 から +1 の範囲にあり、その値には以下の式が成立します。
正規化瞳座標を使用することで得られる最大の利点は、瞳のサイズや位置が変化しても、正規化座
標で定義した光線は有意な状態を維持することにあります。レンズ設計を最適化する前に、光線セ
ットを定義して光学系の評価関数を計算するとします。正規化座標を使用すれば、後工程で瞳のサ
イズや位置、物体のサイズや位置を変更しても、変更前と同じ光線セットをそのまま使用できます。
多くの場合は、最適化でもその光線セットが機能します。
像空間の NA (開口数)
像空間の NA (開口数) とは、物体表面を発した光の発散を比率で示した数値です。開口数は、物空
間での屈折率に近軸マージナル光線の角度の正弦を乗じた値として定義します。マージナル光線に
よって、物体上の点から広がる光円錐の境界が決まります。
パラメータ データ
パラメータ データを使用して、特定の非標準面タイプを定義します。パラメータ データの例とし
て、非球面係数、グレーティング間隔、ティルトとディセンタのデータがあります。パラメータ
データ値の詳細については、ヘルプ ファイルで「[レンズ データ エディタ] (Lens Data Editor)」の
「シーケンシャル面」を参照してください。
近軸光線と副光線
近軸という語には「光軸に近い」という意味があります。近軸光学系とは、スネルの法則の線形形
式で良好に記述できる光学系です。スネルの法則は次の式で表現できます。
微小な角度では次のように書き換えることができます。
光学上の定義の多くは、線形性に関するこの前提に基づいています。収差とはこの線形性からの逸
脱です。光学系の近軸特性は、収差がない状態で光学系が示す特性と見なされることが普通です。
近軸光線の追跡では、光学面の頂点の曲率半径のみでその面の屈折力が決まることを前提とした数
式を使用します。局部的な線形ティルトや面の高次曲率は無視されます。
面のアパチャー全体にわたる面の屈折力を面の頂点の曲率半径で良好に近似できるという前提の下
に、面の頂点に接する平面上で近軸データを計算します。特異な面タイプの中には近軸に相当する
構造がないものがあり、その場合は、近軸光線追跡であっても実光線追跡で計算します。
Zemax では、焦点距離、F ナンバー、焦点位置、入射瞳径など、多くの近軸エンティティを計算し
ます。面のアパチャー全体にわたる面の屈折力を面の頂点の曲率半径で良好に近似できるという前
提が成立しない部品を使用している光学系では、これらの近軸エンティティ値の取り扱いに注意が
必要です。
多くの解析機能では近軸データが必要で、実光線を数値化する際の基準として使用することが普通
です。上記の近軸近似が成立しない光学系でもこれらの機能が正しく機能するように、Zemax で
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規則と定義 • 219
は副光線を追跡します。副光線とは、基準光線に対して小さい角度を持つ実光線です (つまり、明
示的にスネルの法則を使用します)。基準光線として、普通は軸上光線または主光線を使用します。
副光線を使用して、絞りサイズを小さくしたときの光学系が示す限界特性を計算すると、この限界
特性から近軸特性を良好に推定できます。
Zemax で近軸式ではなく、副光線を使用する理由は、非近軸部品を使用している光学系が多数存
在していることにあります。非近軸ということは、これらの部品が従来の軸上一次近似理論では十
分に記述できないことを意味しています。このような光学系として、ティルトやディセンタを設定
した光学系、ホログラムを使用する光学系、回折光学系、一般的な非球面、分布屈折率を持つレン
ズなどがあります。
まとめると、近軸光線データは、追跡光線に対して面が示す屈折力の一次近似を使用して計算し、
副光線データは、主光線または基準光線に近い実光線を正確に追跡することで得られます。有効焦
点距離、F ナンバー、倍率などの近軸データの大半は近軸光線を使用して得られるので、各面の頂
点が持つ屈折力で良好に記述できない光学系では近軸データは役に立ちません。Zemax のほとん
どの解析機能では、面の頂点が持つ屈折力だけでは十分に記述できない光学系も含め、多彩な光学
系でこれらの解析機能を使用できるように副光線を使用しています。
近軸像高
近軸像面で全視野像が示す半径方向サイズをレンズ ユニットで表した値。
近軸倍率
物体高に対する近軸像高の比率として表した半径方向の倍率。近軸倍率は近軸像面の位置で計算し
ます。無限共役光学系では、この値は必ずゼロです。
近軸実効 F ナンバー
近軸実効 F ナンバーは次の式で定義します。
θは像空間で近軸マージナル光線が成す角度、n は像空間の屈折率です。指定の共役位置で近軸マ
ージナル光線を追跡します。非近軸光学系では、このパラメータは軸上光線を基準として、瞳全体
にわたる平均値となります。近軸実効 F ナンバーは、収差を無視した状態の実効 F ナンバーです。
実効 F ナンバーの定義も参照してください。
主波長
主波長はマイクロメートルの単位で表示されます。この値を使用して、他の大半の近軸値や瞳位置
などの光学系の値を計算します。
曲率半径
各面が持つ曲率の半径はレンズ ユニットの単位で計算します。曲率の中心が面の頂点の右側 (ロー
カル座標の z 軸上で正方向) にあれば、その曲率は正の曲率です。曲率の中心が面の頂点の左側 (ロ
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規則と定義 • 220
ーカル座標の z 軸上で負方向) にあれば、その曲率は負の曲率です。光学系に存在するミラーの数
に関係なく、この正負曲率の規則が適用されます。
実伝播
実伝播とは、エネルギーの実際の流れと同じ方向に光線が伝播することです。「バーチャル プロ
パゲーション」と「厚み」の定義も参照してください。
サジタル成分とタンジェンシャル成分
タンジェンシャル成分とは、1 本の線と 1 つの点で決まるタンジェンシャル平面で計算したデータ
です。この線は物空間での対称軸、点は物空間での視野点です。サジタル平面はタンジェンシャル
平面と直交し、入射瞳の位置で対称軸と交差する平面です。
Y 軸上に視野点を持つ回転対称の光学系では、YZ 平面がタンジェンシャル平面となり、YZ 平面と
直交して入射瞳の中心と交差する平面がサジタル平面になります。
この定義には、回転対称ではない光学系への拡張が困難であるという問題があります。このことか
ら、Zemax では、視野点の位置に関係なく YZ 平面をタンジェンシャル平面として定義し、必ず物
空間のローカル座標の y 軸上でタンジェンシャル データを計算します。サジタル平面は YZ 平面と
直交し、通常どおりに入射瞳の中心と交差します。必ず物空間のローカル座標の x 軸上でサジタル
データを計算します。
ここでは、この規則の背景にある考え方について説明します。回転対称の光学系では、Y 軸上の視
野点のみで光学系の結像特性が決まるので、これらの視野点を使用します。この場合、基準平面に
関する上記の 2 種類の定義は同一になります。回転対称ではない光学系では、対称軸がないので基
準平面を任意に選択します。
近似半径計算の機能 (「[システム エクスプローラ] (System Explorer)」の「[上級] (Advanced)」を
参照) では「真の」タンジェンシャル平面を使用します。Zemax では、物空間で真の視野点と z 軸
を含む平面としてこの平面を定義します。
半径
各面のサイズは半径の設定で記述します。デフォルトの設定は、すべての実光線が遮られることな
く通過できるアパチャーまでの半径方向距離です。半径の列に値を入力すると、その値の隣に文字
「U」が表示されます。この「U」は、半径がユーザ定義であることを示しています。屈折力のあ
る面 (該当の列に値を入力することで設定します) にユーザ定義の半径を設定したとき、面アパチャ
ーが定義されていない場合は、その面に自動的に浮動アパチャーが適用されます。浮動アパチャー
とは、必ず目的の面の半径に等しい最大動径座標を持つ円形アパチャーです。面アパチャー タイ
プの詳細については、「[レンズ データ エディタ] (Lens Data Editor)」の「[面のプロパティ]
(Surface Properties)」で「[アパチャー] (Aperture)」を参照してください。
軸対称の光学系では、光束の火面に存在する面でない限り、どの面の半径もきわめて正確に計算で
きます (普通は、像面またはその近くに光束の火面に存在する面が発生します)。Zemax では、いく
つかのマージナル瞳光線を追跡することにより、軸対称光学系で半径を推定します。軸対称ではな
い光学系では、固定本数の光線を使用するか、反復手法を使用することで、所要の半径を推定しま
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規則と定義 • 221
す。反復手法は計算に時間を要しますが正確な結果が得られます。詳しい説明については、「[シ
ステム エクスプローラ] (System Explorer)」の「[上級] (Advanced)」で「[近似半径] (Fast SemiDiameters)」を参照してください。Zemax で計算した「自動」半径は、一般的にきわめて良好な値
ですが、あくまでも推定値であることに注意が必要です。
面によってはアパチャーが大きくなり、面に複数の z 座標値が発生することがあります。たとえば、
奥行きのある楕円面では、面上の同じ x 座標と y 座標に対して複数の z 座標が存在することがあり
ます。球面の場合、このような状態を「過半球」といいますが、Zemax では面が球面ではなくて
もこの用語を使用しています。過半球面であることを示すために、その半径列にアスタリスク「*」
が表示されます。表示されている半径は面の外縁部分での値であり、面には最大半径アパチャーよ
りも小さい半径アパチャーがあります。
シーケンシャル光線追跡
シーケンシャル光線追跡では、事前に定義した順番で各面から次の面に向かって光線を追跡します。
Zemax では、物体面を 0 として、そこから各面に順番に番号を割り当てます。物体面の後の最初
の面には 1 を割り当て、以降は順番に 2、3、4 ・・・と像面まで続きます。順番に (シーケンシャ
ルに) 光線を追跡するということは、面 0 を出発した光線を面 1 まで追跡し、つづいて面 2 まで追
跡して、以降の各面も同様に追跡することです。面 5 から面 3 へ光線を追跡することはありません。
面の物理的配置によってそれが正しい光路になっていても同様です。
ノンシーケンシャル光線追跡の定義も参照してください。
特殊文字
Zemax では、ユーザ定義ファイル、材料、ガラスなどの名前を指定する場面が数多くあります。
一般的にどのような文字でもこのような名前に使用できますが、予約済みの「特殊文字」は使用で
きません。この特殊文字とは、スペース、セミコロン、一重引用符、およびタブです。
ストレール比
ストレール比は、きわめて高品質な結像光学系で光学像の品質を数値化するために広く使用されて
います。ストレール比は、回折の点拡がり関数 (PSF) のピーク強度を、収差のない回折の点拡がり
関数 (PSF) のピーク強度で除算して求めます。Zemax では、収差を考慮した PSF と考慮しない PSF
を計算し、それぞれのピーク強度の比率をとることにより、ストレール比を算出します。PSF のピ
ークが曖昧になるくらいに収差が大きいと、ストレール比は役に立たなくなります。また、0.1 前
後より小さいストレール比も同様に有用性は低くなります。
面アパチャー
面アパチャーには、円形アパチャー、矩形アパチャー、楕円アパチャー、光線をビネッティングす
るスパイダー形状のアパチャーがあります。また、ユーザ定義形状の面アパチャーと遮蔽、現在の
半径値に基づく浮動アパチャーもあります。光線が面アパチャーを通過できずに終了する場合を除
いて、面アパチャーは光線の出発や追跡に影響しません。面アパチャーはシステム アパチャーに
影響しません。詳細については、「[面のプロパティ] (Surface Properties)」の「[アパチャー]
(Aperture)」を参照してください。
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規則と定義 • 222
システム アパチャー
システム アパチャーとは、光学系全体の F ナンバー、入射瞳径、開口数、または絞りサイズです。
特定の光学系では、この 4 つの数値のいずれかを指定することで他の 3 つの数値も決まります。シ
ステム アパチャーを使用して物空間での入射瞳径を定義します。その入射瞳径を使用してすべて
の光線を発生できます。システム アパチャーは必ず円形です。出発した光線は、さまざまな面ア
パチャーでビネッティングできます。面アパチャーは多数定義できますが、システム アパチャー
は 1 つのみです。
厚み
厚みは、次の面の頂点までの相対距離をレンズ ユニットで表した値です。厚みは累積的な値では
なく、それぞれの厚みは前の頂点から z 軸方向に見たオフセットにすぎません。ローカル座標の z
軸の方向は、座標ブレーク (ヘルプ ファイルで「[レンズ データ エディタ] (Lens Data Editor)」の
「[座標ブレーク] (Coordinate Break)」を参照) を使用するか、面のティルトとディセンタ (「[面の
プロパティ] (Surface Properties)」の「[ティルト/ディセンタ] (Tilt/Decenter)」を参照) を使用する
ことで変更できます。
実伝播 (「実伝播」を参照) に対応する厚みは、ミラーでの反射の後、その符号が必ず反転します。
ミラー 0 も含めて複数個のミラーでの反射後、実伝播では厚みは正の値となり、バーチャル プロ
パゲーションでは負の値になります (「バーチャル プロパゲーション」を参照)。奇数個のミラーで
の反射後、実伝播では厚みは負の値になり、バーチャル プロパゲーションでは正の値になります。
この符号規則は、ミラーの個数に関係なく、また座標ブレークが存在するかどうかにも関係なく適
用されます。この規則は基本的なものであり、180°の座標回転を使用しても回避できません。
全反射 (TIR)
TIR とは、面の法線に対する光線の角度が大きすぎて、スネルの法則の屈折条件を満足できない状
態を指します。屈折率が大きい媒質から屈折率が小さい媒質へ、大きな入射角で光線が入射して屈
折するときに、この条件が発生しやすくなります。たとえば、ガラスから空気への屈折の場合です。
シーケンシャル光線追跡では、TIR が発生する光線はエラーと見なされ、その光線の追跡は終了し
ます。物理的には境界で光線は屈折せずに反射しますが、Zemax によるシーケンシャル光線追跡
ではこの効果は考慮されません。ノンシーケンシャル光線追跡では、TIR が発生する光線は反射す
るものとして適切に処理されます。
トータル トラック
トータル トラックとは、光学系の中で「最も左に置いた」面の頂点から、「最も右に置いた」面
の頂点までの距離として考えた光学系の長さです。この長さの計算は面 1 から始まります。面 1 か
ら像面までの間にある各面の厚みもこの計算に算入しますが、座標回転はすべて無視します。光学
系の中で、最も大きい z 座標位置にある面を「最も右に置いた」面とし、最も小さい z 座標位置に
ある面を「最も左に置いた」面とします。軸対称ではない光学系では、トータル トラックは小さ
い値になるか、値自体が存在しません。
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規則と定義 • 223
ビネッティング ファクタ
ビネッティング ファクタは、さまざまな視野位置で見かけ上の入射瞳のサイズと位置を記述する
係数です。Zemax では、VDX、VDY、VCX、VCY、および VAN という 5 種類のビネッティング フ
ァクタを使用します。これらの値は、それぞれ x 方向のディセンタ、y 方向のディセンタ、x 方向
の圧縮、y 方向の圧縮、および角度を表しています。これら 5 つの値のデフォルト値はいずれも 0
で、デフォルトではビネッティングは設定されていません。
光学系の視野と入射瞳はいずれも単位円として考えます。正規化視野座標で定義した正規化視野と
瞳の座標は、これら 2 つの単位円上の座標です。たとえば、瞳座標 (px = 0, py = 1) は、視野のど
こかの点から入射瞳の上端まで追跡した光線の座標位置を示しています。光学系にビネッティング
がない場合、Zemax によるほとんどの計算では、入射瞳全体が光線で満たされるまで光線追跡が
実行されます。
慎重に考慮されたビネッティングを持つ光学系が数多く存在します。つまり、光線の一部は、絞り
面以外のアパチャーで意図的に遮蔽されます。光学系にビネッティングを設けることには、一般的
に 2 つの理由があります。1 つは、ビネッティングによってレンズを小さくすることです。特に広
角レンズで効果的です。もう 1 つは、ビームの中で大きな収差の原因となる部分を除去することで
す。ビネッティングがあると視野角の減少に伴って F ナンバーが大きくなりますが (像が暗くなり
ます)、収差が大きい光線のほとんどを遮蔽すれば像質を改善できます。
ビネッティング ファクタによって、特定の視野位置の入射瞳が再定義されます。正規化瞳座標は、
連続する 2 回の変換で変更されます。まず、座標が次のようにスケーリングされ、シフトされます。
𝑃𝑃 ′𝑥𝑥 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑃𝑃𝑥𝑥 (1 − 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉) および
𝑃𝑃 ′𝑦𝑦 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑃𝑃𝑦𝑦 (1 − 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉).
スケーリングとシフトを経た座標は、ビネッティング角ぶんだけ回転します。
𝑃𝑃 ′′ 𝑥𝑥 = 𝑃𝑃 ′𝑥𝑥 cos θ − 𝑃𝑃 ′𝑦𝑦 sin θ および
𝑃𝑃 ′′𝑦𝑦 = 𝑃𝑃 ′𝑥𝑥 sin θ + 𝑃𝑃 ′𝑦𝑦 cos θ
θはビネッティング角 VAN です。VDX 項で見かけの瞳を左右 (x 方向) にシフトでき、VCX 項で瞳
の x 方向サイズを変更できます。VDY 項と VCY 項で y 方向に同様の操作が可能です。ビネッティ
ング ファクタがすべてゼロであると、瞳座標は変化しません。ビネッティング ファクタを使用す
ると、ビネッティングのある光学系を容易に設計できます。なお、ビネッティング ファクタの使
用には制約があるので、それを把握しておく必要があります。
Zemax の機能の中には、ビネッティング ファクタが割り当てられていない任意の視野位置から光
線を追跡できるものがあります。これらの機能では、定義済みの視野ではない視野位置で計算した
データに正確さの面で劣る結果が得られることがあります。ビネッティング ファクタで得られる
光量と同等になるように光線をビネッティングする有効径を各面に設定することにより、ビネッテ
ィング ファクタを除去してこれらの計算を実行する機能もあります。ビネッティング ファクタを
自動的に除去する機能については「解析」の章に説明があります。
Zemax の機能の中には、中間視野位置のビネッティング ファクタを自動的には除去しないものが
あります。このような機能として、評価関数の光線オペランド (たとえば、光線を 1 本だけ発生で
きる REAX のようなオペランド) や ZPL マクロなどがあります。ビネッティング ファクタが除去さ
れない場合は、ビネッティング ファクタの補間が実行されます。回転対称の光学系や、すべての
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規則と定義 • 224
視野点が y 軸上にある光学系では、隣り合った視野点の間を補間して、中間の視野点で使用するビ
ネッティング ファクタが推算されます。x 方向にも視野値を持つ、より一般化した光学系では、任
意の視野点のビネッティング ファクタを判断する際に、その点に最も近い定義済みの視野点が使
用されます。
ビネッティング ファクタを定義しておけば、その見かけ上の瞳の域外に達した光線を実際にビネ
ッティングするかどうかは、設計上の判断となります。レンズを小さくする目的でビネッティング
ファクタを使用する場合は、見かけの瞳のエッジに達する光線の通過に必要なサイズをレンズの上
限サイズとします。ビネッティングしたアパチャーの域外に達した光線が実際の光学系では通過す
るような設計にすると、計算したモデルと一致しないパフォーマンスを持つレンズになります。
複数の異なるビネッティング ファクタの下で、同じ座標やほとんど同じ座標を定義することはで
きません。隣り合う 2 つの視野で使用しているビネッティング ファクタが異なる場合は、これら 2
つの視野座標の差を、最大視野座標の約 1E-06 倍以上とする必要があります。このような措置が必
要な理由は、Zemax では、定義されている視野位置の座標だけではなく、すべての視野座標でビ
ネッティング ファクタの判断が必要であることにあります。1 つの視野座標に複数の異なるビネッ
ティング ファクタが定義されている状況は物理学的に解釈できません。このような光学系を設定
するには、複数のコンフィグレーションを使用し、マルチコンフィグレーション エディタでビネ
ッティング ファクタを変更する方法が適切です。
ビネッティング ファクタは、レイ エイミングが有効であるかどうかに関係なく機能します。レイ
エイミングが無効な場合は、すでに紹介した数式に従って近軸入射瞳が再マッピングされます。レ
イ エイミングが有効な場合は、絞り位置で再マッピングが実行されます。
ビネッティング ファクタの応用例として、レイ エイミング機能を使用せずに瞳収差を考慮するこ
とが考えられます。これは、広角光学系で光線追跡の実行を速くするために使用できる高度な手法
です。
ビネッティング ファクタは [視野データ] (Field Data) ダイアログ ボックスで定義できます。詳細に
ついては、「[システム エクスプローラ] (System Explorer)」の「[視野] (Fields)」を参照してくださ
い。ビネッティング ファクタは拡大縮小が可能なパラメータともなっています。「マルチコンフ
ィグレーション」の章を参照してください。設計ツールとしてビネッティングを使用する方法の詳
細については、第 1 章に挙げた参考文献を参照してください。
バーチャル プロパゲーション
バーチャル プロパゲーションとは、エネルギーの実際の流れと逆方向に光線が伝播することです。
仮想の光源や瞳を配置する際には、多くの場合、バーチャル プロパゲーションが効果的です。
「実伝播」と「厚み」の定義も参照してください。
波長データ
波長データは必ず、空気を基準として、現在の光学系の温度と圧力の下で考え、マイクロメートル
の単位で表します。光学系のデフォルトの温度は 20°C、デフォルトの圧力は 1.0 気圧です。光学
系の温度や圧力が変化した場合や、マルチコンフィグレーションオペランドで温度や圧力を制御し
ている場合は、変化後の温度や圧力に合わせて波長を調整する必要があります。
波長データは、システム エクスプローラの [波長] (Wavelengths) セクションで入力します。
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規則と定義 • 225
波長データは必ず、空気を基準として、光学系の温度と圧力の下で考え、マイクロメートルの単位
で表します。
実効 F ナンバー
実効 F ナンバーは次の式で定義します。
θは像空間でマージナル実光線が成す角度、n は像空間の屈折率です。指定の共役位置でマージナ
ル光線を追跡します。実効 F ナンバーでは面アパチャーが無視されますが、ビネッティング ファ
クタは考慮されます。
軸上にない視野点や軸対称ではない光学系では、ビネッティングのある瞳の上端、下端、左端、右
端に達する 4 本のマージナル光線および軸上光線の間で開口数の二乗平均値を計算し、その値に基
づいて実効 F ナンバーを計算します。この 4 本のマージナル光線の開口数を二乗平均した値は、元
の等価な F ナンバーに変換されます。
実効 F ナンバーは、レンズの実際の共役位置における実光線データに基づく値なので、一般的に像
空間の F ナンバーよりもはるかに有用です。近軸実効 F ナンバーの定義も参照してください。
光線のエラーが原因でこれらのマージナル光線を追跡できない場合は、一時的に小さい瞳を使用し
て実効 F ナンバーを推算します。この場合の Zemax では、瞳全体までは光線を追跡できない場合
でも、データをスケーリングして瞳全体のサイズで実効 F ナンバーを推算します。
これらのマージナル光線が主光線とほぼ平行な場合は、得られた F ナンバーが不正確な大きい値に
なることがあります。Zemax では、算出した F ナンバーが 10,000 を超えた場合は、計算結果とし
て表示する F ナンバーを自動的に 10,000 に制限しています。この結果は、F ナンバーを正確に計
算できなかったことを示しているにすぎません。このように大きな F ナンバーは、出力ビームがほ
ぼ平行光線になっており、Zemax での多くの仮定がこの場合は成立しないことを示すものです。
この問題を解決するには、近軸レンズを使用してほぼ平行光線のビームで焦点を形成する方法と、
射出瞳のサイズと位置を使用して F ナンバーを推算する方法の 2 種類があります。詳細については、
「[システム エクスプローラ] (System Explorer)」の「[上級] (Advanced)」で「[F ナンバーの計算方
法] (Method To Compute F/#)」を参照してください。
像の明るさを評価する上で有用な、F ナンバーのより一般化した定義については、相対照度の解析
に関するページで有効 F ナンバーの説明を参照してください。
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規則と定義 • 226
う
索引
ウィンドウの配置, 32
後側焦点距離, 211
え
エッジ厚, 213
エディタ, 210
２
2D 解析ウィンドウ, 208
３
3D 解析ウィンドウ, 209
Ｃ
CAD オブジェクトのフェイスの定義, 167
Ｏ
OpticStudio 16.5 入門, 5
OpticStudio のインターフェイスの操作, 15
Ｚ
Zemax 13 の [エディタ] (Editors) メニュー, 185
Zemax 13 の [拡張機能] (Extensions) メニュー, 206
Zemax 13 の [システム] (System) タブ, 187
Zemax 13 の [ツール] (Tools) メニュー, 195
Zemax 13 の [ファイル] (File) メニュー, 184
Zemax 13 の [ヘルプ] (Help) メニュー, 207
Zemax 13 の [マクロ] (Macros) メニュー, 205
Zemax 13 の [レポート] (Reports) メニュー, 203
Zemax 13 の [解析] (Analysis) メニュー, 190
Zemax 13 以前からの変換, 181
Zemax OpticStudio をご購入いただきありがとうございま
す。, 5
あ
アクティブなコンフィグレーション, 210
厚み, 223
アポダイゼーション, 211
アレイ オブジェクト, 144
い
印刷で使用するウィンドウ, 33
インストール, 7
インストールのカスタマイズ, 14
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お
オブジェクトの重ね合わせルール, 141
オブジェクトの配置, 124
オブジェクトのパラメータ, 128
か
[解析] (Analysis) タブ, 22
[解析] (Analysis) タブ (ノンシーケンシャル UI モード), 23
解析ウィンドウの使用, 30
解析光線の追跡, 133
回折限界, 212
角倍率, 211
ガラス, 214
ガラスの最適化, 104
き
規則と定義, 210
曲率半径, 220
近軸光線と副光線, 219
近軸実効 F ナンバー, 220
近軸像高, 220
近軸倍率, 220
こ
光源オブジェクト, 132, 145
[公差] (Tolerance) タブ, 25
光線データベース, 136
ゴースト反射, 214
さ
最大視野, 216
[最適化] (Optimize) タブ, 24
最適化ウィザードを使用する, 110
サジタル成分とタンジェンシャル成分, 221
座標軸, 212
し
シーケンシャル光線追跡, 222
索引 • 227
シーケンシャル面へのコーティングの追加, 161
シーケンシャル光学系での偏光の定義, 155
シェーデッド モデル, 210
シェーデッド モデルの使用, 32
ライセンス コード, 223
システム エクスプローラ, 19
システム チェック ユーティリティを使用する, 111
実効 F ナンバー, 226
実伝搬, 221
[視野] (Fields) セクション, 48
視野角と視野高さ, 213
射出瞳位置, 213
射出瞳径, 213
収差係数を直接最適化しない, 109
重要な注意事項, 6
主光線, 211
主波長, 220
主要平面, 211
す
ストレール比, 222
スプレッドシート エディタの使用, 28
せ
正規化座標の使用方法, 53
正規化視野座標, 52, 216
正規化瞳座標, 52, 218
[設定] (Setup) タブ, 21
全反射 (TIR), 223
そ
像空間の F ナンバー, 215
像空間の NA (開口数), 215, 219
ソフトキー ライセンス, 10
ソフトキーのネットワーク インストール, 11
ち
チュートリアル, 35
チュートリアル 1.1: レンズ データ エディタ, 42
チュートリアル 1.2: 解析ウィンドウ, 45
チュートリアル 1.3: システム エクスプローラ, 47
チュートリアル 1.4: 正規化座標系, 51
チュートリアル 1: OpticStudio による設計のウォークス
ルー, 35
チュートリアル 2.1: 三次元での作業, 59
チュートリアル 2: 面の定義、配置、移動, 56
チュートリアル 3: マルチコンフィグレーションの設計,
63
チュートリアル 4: 機械 CAD パッケージへのエクスポー
ト, 78
チュートリアル 5.1: レンズの仕様, 81
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
チュートリアル 5.2: システム エクスプローラでの基本
光学系の入力, 82
チュートリアル 5.3: レンズ データ エディタでの基本光
学系の入力, 86
チュートリアル 5.4: 適切な最適化のためのヒント, 108
チュートリアル 5: 最適化, 81
チュートリアル 6.1: 簡単な例, 112
チュートリアル 6.2: オブジェクトの配置と定義, 123
チュートリアル 6.3: シーケンシャル光線追跡とノンシー
ケンシャル光線追跡の組み合わせ, 129
チュートリアル 6.4: 光線追跡とデータの取得, 131
チュートリアル 6.5: 複雑なオブジェクトの作成, 141
チュートリアル 6: ノンシーケンシャル光線追跡
(Professional および Premium のみ), 112
チュートリアル 7: ノンシーケンシャル光学系の最適化,
146
チュートリアル 8: 測色, 151
チュートリアル 9.1: 偏光, 155
チュートリアル 9.2: 薄膜コーティング, 159
チュートリアル 9.3: 光線分割, 169
チュートリアル 9.4: 光線の散乱, 171
チュートリアル 9.5: 重要度サンプリング, 175
チュートリアル 9.6: バルク散乱と蛍光散乱, 176
チュートリアル 9: 偏光、コーティング、散乱, 154
つ
次のステップ, 178
て
ディテクタ オブジェクト, 133
適切な境界条件を使用する, 110
適切な視野点の数, 101
テクニカル サポートの利用方法, 179
と
トータル トラック, 223
特殊文字, 222
トラブルシューティング, 13
に
入射瞳位置, 213
入射瞳径, 213
の
ノンシーケンシャル オブジェクトへのコーティングの
追加, 165
ノンシーケンシャル光線追跡, 216
ノンシーケンシャル光学系での偏光の定義, 159
索引 • 228
は
バーチャル プロパゲーション, 225
[パート デザイナー] (Part Designer) タブ, 26
ハードキー (USB) ライセンス, 7
ハードキーのネットワーク インストール, 10
[波長] (Wavelengths) セクション, 51
波長データ, 225
パラメータ データ, 219
半径, 221
ハンマー最適化を使用する, 110
ろ
六極リング, 215
ひ
非近軸光学系, 216
ビネッティング ファクタ, 224
評価関数の定義, 94
ふ
[ファイル] (File) タブ, 20
フィルタ文字列, 139
ブール オブジェクト, 142
物理的に有意な評価関数を使用する, 109
浮動絞りサイズ, 214
[プログラミング] (Programming) タブ, 27
へ
[ヘルプ] (Help) タブ, 28
変数の設定, 92
ま
マージナル光線, 215
め
面アパチャー, 222
ゆ
有効焦点距離, 213
ら
ライセンス コード, 9
[ライブラリ] (Libraries) タブ, 25
れ
レンズ ユニット, 215
レンズ設計に関する参考文献, 180
レンズの最適化, 97
Zemax, LLC Getting Started With OpticStudio 16.5
索引 • 229

OpticStudio 事例｜バイオメディカル

OOFELIE 総合カタログ

LensMechanix のシングル ユーザー ライセンスのアクティベーション

OpticStudio 製品カタログ

長期滞在・短期滞在のサービスアパートメントのご提供

ReverseRadiance™ 逆光線追跡

ホテルサイトご利用規約（2010年4月29日現在）

日本ソフトウェア科学会 出版規定

映像制作において、事前の準備が作品の出来を左右し

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