Zemax软件在光学设计

Zemax在光学设计中的应用2015.11内容提要：常用光学设计软件简介Zemax用户界面、功能模块探究基本像差分析及像质评价默认评价函数设定规则、优化操作数详解单透镜优化设计实例一.光学设计软件简介成像光学设计：CodeV、OSLO、Zemax、SIGMA、LensView、SOD88、CIOES(长光)照明光学设计：ASAP、TracePro、LightTool、ProSource、ODIS(浙大)光学薄膜设计：TFCalc激光腔体设计：LASCAD光电器件设计：OPTISYS_DESIGN、BPM_CAD、OPTIAMP_DESIGN、FIBER_CAD、HS_DESIGN、FDTD_CAD、WDM_Phasar、IFO_GRATINGS

ZEMAXZemax是美国zemax公司设计的专用光学设计软件包可实现序列和非序列分析用于光学组件设计及照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、绕射等光学模型分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP,*.JPG等，也可存成文字文件*.txt优化：表栏式meritfunction参数输入，对话窗式预设meritfunction参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件功能不及CodeV、OSLO，但其简单易学，价格便宜，在国内用得比较广泛CodeV美国OpticalResearchAssociates推出的大型光学设计软件适用于各种序列及非序列光学系统，广泛用于照相系统、光谱仪器、空间光学系统、激光扫描系统、全息平显系统、红外成像系统、紫外光刻系统等等ASAP功能强大，已成为工业界标准的光学设计软件用于仿真汽车车灯光学系统、生物光学系统、相干光学系统、屏幕展示系统、光学成像系统、光导管系统、照明系统及医学仪器是一个联结了几何光学和物理光学的全方位3D光学及机械系统的模型建立软件可处理各种光学仿真分析，包括散射效应、衍射效应、反射效应、折射效应、光吸收效应、偏极光效应和高斯光速传导之模拟分析TracePro普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析的光线仿真软件应用领域：照明、导光管、薄膜光学、光机设计、杂散光分析、激光泵浦、背光模组、投影系统、汽车照明系统等等处理复杂几何的能力，以定义和跟踪数百万条光线图形显示、可视化操作、提供3D实体模型可以导出主流CAD软件和镜头设计软件的数据格式LightTool美国ORA公司研发的三维照明仿真软件光机一体化设计：光学和机械元件的形状的描述可通过软件提供的基本实体模型实现。遮光罩、镜筒和产品结构的设计将得益于这种光机一体的考虑方法和非顺序光线追迹提供的大量信息复杂光路设置：LightTools使多光路或折叠光路系统、带有棱镜或复杂曲面的系统的光路设置和视觉建模验证变得简洁。有了LightTools，设计人员完全可以摒弃过去为了简化问题而采用的一些传统技巧，如符号规则、用多通道定义模拟变焦功能、把反射镜和棱镜展开成平板、略去非光学面和机械结构的影响、人为简化光瞳形状，等等杂光分析：非序列光线追迹功能可以直观地描述在系统中任意表面上或介质中发生的任何光学现象，如折射、反射、全反射、散射、多级衍射、振幅分割、光能损耗、材料吸收等，并根据需要自动实时衍生出多路光路分支。照明系统设计分析：LightTools中可以精确地定义各种实际光源（如发光二极管、白炽灯、弧光灯、卤素灯等）的形状和发光特性，其计算结果与实际测量结果精确吻合。对非人眼接收的照明系统，可以把结果转换成辐射度单位。计算结果的输出形式可以是二维线图、等高线图、灰度图、伪彩色图或三维分布图。应用实例：投影系统、平板显示器、仪表盘照明、内窥镜照明、报警灯、汽车前灯、车厢内部照明、指示牌照明等等二.ZEMAX概述ZEMAX能做什么？

ZEMAX是一个程序，它能够建模、分析以及辅助设计光学系统ZEMAX不能做什么？

ZEMAX只是一个工具，它不能教会你如何设计镜头和光学系统，使用工具的你才是设计师；ZEMAX不能取代工程实践，设计师的责任是检查ZEMAX模拟结果的合理性与可行性ZEMAX是什么？ ZEMAX是用光线追迹的方法模拟折射、反射和衍射的序列及非序列光学系统的透镜设计程序。 ZEMAX用“面”的概念模拟序列光线追迹，用“组件”或“物体”的概念模拟非序列光线追迹。 序列和非序列光线追迹有着本质的区别，ZEMAX中可以使用三种光线追迹方式：(1)纯序列模式 用于传统透镜及多数成像系统设计 (2)混合模式

适于系统中有重要的序列端口和一些非序列元件(如棱镜、管道等) (3)纯非序列模式 适于照明、散射、杂散光分析以及不需要端口的模型序列光线追迹

是指：光线从物面发出(通常是0面)，然后顺序地通过第一面、第二面…，直到像面为止。因此光线是可逆的。非序列光线追迹

光线按实际中传输过程向前传输，一条光线可能因折射、反射、散射、衍射变为多条光线Samples\Non-sequential\Raysplitting\Beamsplitter.zmxZEMAX在设计中考虑及忽略的是什么？ ZEMAX中考虑的是：精确的光程；反射和折射；光程差和相位；像差和图像形态；偏振；薄膜的透过率和吸收率；散射；静态分光 ZEMAX中忽略的是：透镜边缘的衍射（用物理光学计算除外）三．溜ZE罢MA盈X的菠用户伞界面ZE敬MA利X是刃Wi涌nd判ow娘s平摊台上开的视颤窗式窑用户敏界面孟，视朗窗的蜓操作损习惯默与W辨in附do勤ws蚁平台炎相同怠，快落捷键艘风格喉也与细Wi与nd剃ow体s相这同3.穗1斥ZE止MA互X的慨视窗全类型ZE辽MA羡X主斥要有建五种斩视窗戴：主视威窗(挖Th朵e兽ma腐in赖W惰in搬do次w)主视控窗是糕执行旅ZE递MA贫X任需务的绢控制怕中心动，它同包含菜了菜烟单栏坊、工沙具栏吗、标就题栏买等编辑姜视窗火(E染di哨to卷r纱Wi粉nd产ow虚)ZE响MA售X中思具有擦六种协不同粘的编夫辑器史：镜膨头数等据编陈辑器药(L鸣en有s膜Da嗓ta火E苦di缘瑞to纠r)真、评穿价函亚数编驾辑器洋(M混er茄it芦F此un授ct钻io纤n眠Ed桌it湖or异)、袖多重钟结构苹编辑桨器(率Mu味lt怕i-毕co范nf洽ig播ur术at挑io斧n起Ed蛇it场or霞)、属公差漫数据较编辑匀器(荐To肤le沿ra紫nc察e证Da弄ta主E摆di维to即r)廊、用走于补蚕充光魔学面抢数据欣的附芳加数臣据编蹈辑器册(E亏xt喇ra伴D椒at隆a孕Ed煤it旦or积)、惕无序酱元件晃编辑笑器(毛No撕n-芹Se撒qu治en吉ti豪al材C球om汗po揪ne蛇nt兆s大Ed唯it障or缺)图形捎视窗驼(G唇ra致ph性ic退W牛in虚do帜ws趴)主要盐有设正计草挠图(蔽La维yo棚ut混)、久光线馅扇形犹图(允Ra海y施fa阵ns希)、浓调制级传递成函数勇图(忽MT南F物Pl灯ot林s)五、点轮列图条(S帮po骨t鱼Di志ag利ra厘ms翅)等榨。文本皮视窗倦(T其ex逗t哄Wi辛nd投ow夏s)文本杏视窗摧用于闸显示山文字殃资料为，如伞详细程数据程、象联差数敞据等对话馋框(窄Di扫gl旱og刮s)对话生框是务一种焰固定摔大小盗的跳耗出视抚窗(权即不锋能用惧鼠标贫拖动熟变大闻或变紧小)剩。主菊要用及于定胶义或烤更新据视场也(F汤ie识ld率s)价、波甘长（洽Wa贤ve民le越ng仍th墓s）答、孔绑径（牛Ap师er济tu塞re粥s）赠、面稠型（衫Su乳rf四ac暴e固ty捧pe堤s）捧等3.批2亲主钥视窗句的操殊作主视妈窗是砖ZE道MA贤X打顿开后展的弹盈出窗宾口，悲顶部承有标匀题栏骑、菜薄单栏戴、快仇捷按淹钮，百底部她状态塑栏中域有当窗前镜钉头的裤焦距抱（E锡FF退L）报、F椅数（绣WF贩NO似）、魔入瞳贱直径混（E泛NP饿D）绪、总踏长（畅TO缺TR距）。标题针栏菜单鹅栏工具的栏信息饰区主视炒窗中谨快捷限按钮罚和状侄态栏泉内容睛可以牧由用好户重究新定杀义。未菜单出栏有共：文件泡（F岛il转e）催：用于撇镜头国文件荣的打窝开(铅Op浩en芒)、晋新建茄(N钓ew均)、条存储里(S抽av奇e)唉、重倚命名来(S万av倡e际as观)等渣，其胀中U忠se技S尖es膛si轿on绕F堂il爬es辟(使旁用场嗓景文姑件)侦在打头开一跑个新俯文件护时，鸡新的邪窗口疏会在隙其原樱始位刷置打伸开；巧Pr乎ef搞er触en勒ce物s允歇许用唱户设音置窗扒口中炭文字放大小狱，快伤捷键瞧，状援态栏窄内容愧等等钓；编辑催器（养Ed佳it葛or窃s）裂：是Z私EM料AX珠中所盆有编谣辑器患打开顺或唤越醒的私汇总蜜。通渐过该凉菜单团可打虎开或困唤醒赏Le洋ns惰d炉at战a恳ed予it薪or贸、M债er虚it墙f漂un旺ct熔io排n恐ed准it董or泛等。系统执（S碧ys等te提m）母：用于止更新扒或定忠义光鼓学系迹统的斜光学浆特性淡数据疼，如寇相对转孔径超、视极场与藏工作硬波长君范围趴等等分析笼（A奖na高ly透si跑s）拜：是Z驰EM叹AX恨中重卸要菜吊单之腔一，满是象拒质评音价与歌分析俭的主羽要工胀具。工具炕（T惰oo壳ls戚）：也是移ZE咏MA搁X的炭重要筒菜单耳之一疯，用楼于镜麦头的挤优化肯、玻构璃库番的管伴理、堂公差疫分析疼、样威板测控试等持等报告牺（R堡ep踢or脆t）肌：用于粒形成泰镜头限设计逆结果睛的报融告宏编菌程（党Mi瓣cr短os洁）：用于帮执行覆已编定译的杆宏程使序。者宏程燥序可捕以提拌取光旬线追雪迹数茂据、催象质国指标凶等，风也可膛以定细义新做的优卖化设策计用废操作皱符等瞧，执违行时桂，宏举程序项作用团的对适象，明是当火前的蹲镜头佣系统外部掀程序佣接口毒(E拨xt药en携si果on缝s)哭：在Z慢EM借AX消环境陪中，企使用格该接砖口，坡可以检执行古外部蜡扩展址名为会*.央EX违E的荣执行典程序稳，用吼于与醒ZE帝MA筐X交丑换数弄据，孩或Z闯PL于宏不爽能完密成的社功能枪。外蜘部程浪序可轨以用纹C语喂言等这编程糠工具验完成绪。视窗关(W县in港do碑ws菜)与庆帮助氧(H锐el腹p)四.哈光巧学系纯统建钢立举锋例4.服1功设谷计要驻求拟设株计光跟学系挥统具缸有：物距抬为无输限远4.莫2布分槐析：设计貌要求灶给出虑了系症统焦津距(舌50烘mm秆)，摧视场奶角，活相对敞孔径桃，无锹其它斥特殊磨要求初始匙结构槽确定畏：(1银)用注单透乔镜结怖构，疫并设案光阑软面与藏透镜崭第一恰面重捐合，对因此庄系统泪需要脾四个盗面(究物面君、透耕镜前挖后面谷、像连面)揉。(伟2)班设透忧镜为屈双凸牧透镜鼠，且哥两个避曲率聋半径距大小潮相等怕，则骄曲率菊半径抖可由饮：算出正。代免入设漂计要稳求，菊选透凭镜材父料为狠BK娃7()，步则半需径为崖51死.6饥8，闸取透野镜厚卖度为端6m忆m，枕则初些始结梳构在膨ZE尿MA咐X中河的数谢据为扁：其它馋光学届特性使参数须的输烟入方悬法Ge负ne蛇ra亮l份输入智相对训孔径Ge牵ne跨ra捞l功池能可皆以由服“S快ys电te莲m→挖Ge曾ne煌ra畅l…涂”选铜取，塌也可奔以由慨桌面晒上“蹦Ge罢n”毙快捷绞键来英打开饶，打尊开后首的G还en斤er偶al筝对话萄框如扬下图干所示距。Ge碑ne茶ra悄l对箩话框腐中，戒具有禁Ap拆er铁tu全re惰、G疯la崭ss忌C啦at勤al暖og用、M努is卡c.慰等等龄选项木。相颗对孔练径的买定义早在A栋pe牲rt草ur岸e中持完成栋。下子面对铸一些州常用观选项扬作一头些说涝明。Ap智er弹tu殃re拿中：Ap胁er是tu映re处t宋yp础e用愿于定驾义相衔对孔穗径，粗即轴岸上物煤点光释束大失小。周定义魄的种掠类有绿：（1骄）E倡nt缠ra振nc稠e很Pu多pi担l堤Di浅am前et豪er较（入至瞳直稀径）当物腹体位膊于无信限远禽时，封可以弱选择康它来蜘定义太相对凑孔径（2员）I垃ma晶ge删S禁pa荡ce招F荷/#沾（像锄方F亭数）物体映无论事位于聚无限葛远，泡还是淋有限自远，我都可艇以用介像方带F数蜻定义盏相对纤孔径棋，定虹义为柜：f透/#乞=役EF索L团/芬EP枯D=接EF抚L润/离(2稿y)（3伯）P份ar桌ax则ia宪l尼Wo垂rk酱in选g摔F/汁#（齿近轴欠工作窄数）定义条为f永/#预=毫1赖/居(2怜ta及nU永’)FUU’y只有长当物包在无把限远飘时，佩像方寨F数恒才与彻近轴啦F数要相等另外痒，在佩系统墙中还愁有一仙个W华or驾ki导ng矩F港/#差(工毅作数份)，腾定义吊为f面/#前=闭1冈/胶(2鲜si疼nU堂’)目，从常定义握可看橡出三敌个“毯数”冻之间封的差索别。（4妹）O跨bj夕ec叮t妈Sp桂ac刚e随NA届（物驾方数祝值孔筑径）当物趴位于治有限治远时跪，可弓用之尝定义吹相对互孔径盈，其惠含义周为N愤A=闸nS从in宇(θ)，甘n为悟物方副介质秤折射既率，θ为高欣斯边苍缘光池线孔原径角旱。（5葛）F雅lo互at递b典y奋st妄op省s竞iz向e（谎由光飘阑大祖小决喜定）这是恐定义痛轴上吵物点队光束故孔径眠的另芦一种定方法慈，即针由L杠DE浊中S惹TO禾P面湿的“除Sm介i-绵di势am旱et此er过”大谁小来悉决定防，此涌时L借DE翁中S初TO戴P的砖半宽吸右边帜显示以“U佛”，旁表示勤St纽奉op各S搬ur势fa趴ce躬的孔毒径被胁固定茧。（6拔）O孕bj独ec贡t设Co猪ne港A若ng室le察（物管方锥汗角）当物残体位忍于有耗限远房诚时，危可用碰轴上泽物点之发出棕的边玩缘光愚线来怒定义网光束杰孔，驰其值赶为物风空间候边缘搬光线躁的半丙角，芦单位荣度，训可大喘于9蒜0度UGe痰ne搁ra浙l对田话框脱中其址他功嚷能(1糠)A宪po驰di寇za那ti泼on门T闷yp旁e(吹定义车光瞳码上光挪强分笑布)选项威：U帽ni床fo幸rm诱表示岁光瞳锄被均寒匀照衬明；炒Ga垄us绍si栽an崭表示挣光瞳犁上光慨振幅五扰动症为高缠斯型灰，即嗽：只；夺Co幻玉si跑n捧cu栗be仍d表踩示光腥瞳上霉光分鼻布为锣余弦蚁型(2袄)G辞la参ss侄C堤at性al岩og鲜s(即玻璃竿库)ZE祖MA咱X提区供了顷德国漂Sc做ho献tt片、日屡本H匹oy凶a、岁美国树Co弄rn许in良g等忠玻璃塞生产定厂商哗的玻雪璃库品，还胃有红盈外、庄塑料请材料浊（P润MM波A）防、双丽折射贩材料技等内码建玻寄璃库门。2.Fi乞el挺ds舟对话俱框中庄定义善视场通过歪Sy翅st翠em返→F忙ie鞋ld盲s…宵可以替打开伞视场歉定义搞对话狗框，照该对秘话框谱中首铅先给皆出了屈视场刃种类倘定义供的四谜个选事项：翅角度螺（视网场角表）、换物高卖、近帅轴像俯高、扬实际算像高笨；接盯着给考出了属最多肃为1冻2的崇视场阿序号逗，即菌最多泡可定端义1芳2个常视场造，X旗-F盗ie砍ld刻与Y云-F龙ie仙ld港同时啊选用通时，妇适用喊于非史旋转另对称承光学斥系统拔，对减于旋耐转对价称系凭统，舒一般绳仅在分Y-因Fi忍el抹d栏植中输打入数馒据，海定义婚子午某面内晨的视疲场。峰We称ig壳ht市用于搏定义途各个油视场亮的权肌重。护对于虾大视脂场光孝学系向统，晓要考仔虑渐纤晕现绵象，窃由渐励晕系发数描餐述。3.稻W蹈av菠el晓en屋gt铲hs纤定义歉镜头桑工作竟波长通过抛Sy侨st太em锣→W率av百el爹en益gt抖hs伪打开匠波长衫对话艳框，扯可以增定义源最多世24屡个波衣长，炮波长搬单位尿为微柳米。之典型夹波长底的数某据已柱经存湖储在舰对话息框中昏，可冰以用潮Se凯le倒ct建选用霞。其僻中“脸Pr柳im痛ar酱y”卧定义慌的是划主波疼长，催用来努考虑竖镜头旷系统远的单企色像好差。4.带本折例中扬的光养学特役性数照据输泄入方脆法（1疏）定俩义像膊方工溜作数捎(I便ma冈ge遭S犹pa珠ce号F通/#赶)为逢5，兆选择皱Sy顷st榨em顶→击Ge驳ne轰ra坏l…河→咱Ap谎er畜tu睬re啊→割Im占ag嚼e冈Sp王ac衫e所F/昨#，领在A皇pe垄r芬Va卸lu狡e中挥输入不5；（2察）定于义半稼视场乱0、逮7.猜07抚、1升0°弊，选兴择S侄ys袜te施m虫→F晋ie捉ld预s…焰→晒在对建话框雷中，缴选用逢1、船2、即3视营场序戒号，责输入凑Y-响Fi搜el烤d分谎别为铺0、封7.愉07忘、1酸0°埋，不瞧定义蛛权重真与渐齐晕因御子等故。对场脸点选事择的摇原则鸟：（3努）定掠义波握长。（4役）定陈义物贼距。参数眠定义辱完后僵有效烂焦距业并不类等于摊50督mm甜，这捡主要妥是由坊于透筑镜的披厚度雁在Z叨EM网AX孟中被妈考虑通进去筝了，袭可以舅通过肌优化纱设计恨保证隆焦距只达到滤要求味。另伞外，章焦点羊位置喉还没发有确居定，汉可用歇求解轻的方闭法确油定，终右击腥面2扭的T构hi转ck灵ne象ss亚→吴Ma绵rg涉in摆al触R总ay满H虚ei紫gh护t津→O塔K在焦亩点位隔置，区边缘涝光线震的高饶度为防0；放对于汉近轴番区域凶，光朗瞳高厌度对扬焦点捷位无虎影响京，因留此取绢0。筑取其岁它值绵时表僚示实休际光绘线。五.炕基攀本像丘差分锐析及连像质优评价前面准介绍邻了在附ZE杀MA按X中局如何肚输入双一个庭光学漆系统苏，但浇这只宁是一降个初辟始结硬构，泡其性营能如绞何，冒要通源过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