IT计算机课件zema简介

光学CAD设计

I

南京理工大学紫金学院I

光学CAD设计

Zemax软件简介

♦:♦光学设计流程

。设计实例

Zemax简介

Focussoftware公司开发的综合性的光学设计分

析软件

。功能完整（建模、分析、优化、公差分析等）

使用方便

。光线追迹算法

—序列光线追迹

—非序列光线追迹（蒙特卡罗算法）

版本

SE：标准版XE：完整版EE：专业版（可算非

序列）

Zemax用户界面

王要有五种用户界面

❖—Main：顶端有标题栏，菜单栏和工具栏。

♦—Editors:编辑各种光学面参数或其他参数

—GraphicWindows:显示各种图形数据

—TextWindows:显示各种文本数据

—Dialog:编辑其他各种Window的数据或报告错

误信息。

1)Main

ILenshasnotitleEFFL:-710.19WFNO:18.6177ENPD:38.147TOTR:525.354

2)Editors

LensDataEditor：输入透镜参数

MeritFunctionEditor：评价函数构建

Multi-ConfigurationEditor：多重结构参数

定义

ToleranceDataEditor：公差分析函数设定

ExtraDataEditor：附加数据

Non-SequentialComponentsEditor:4E序

列光学系统

LensDataEditor

玻璃材料

JIt合？4＜。乂J一-•

，.“、11川1华十1工!

LensDaW判，11V•x

Zm\1

Ad”$oiv«iq/Mtip/y\i

Surf;Typ&yCOBBentPadiu/<'WThicknessGlas国1Semi-Diaaeter±J

0BJ|StCndardIn^Kity1000.000000431.890479

13.0685S0V0.882286VLAIO1.781566J

zStandard29,366468V0.4010301.586920

3Standard・8.825907V0.271320ZF101.205606

4StandardZ.604894Vo.zid^go0.970Z75

0.329天

STOStandardInfinity0.959952

0.23485.

6Standard29.146147VX_____1254194

7Standard3.119059V*1.487727

3.4B.

8Standard-5.282564V厚度J1.588708

9StandardInfinityU./Uuwuv12.538923

10StandardInfinity0.sooooo2.656386

11StandardInfinity0.550000K9Z.785781

12StandardInfinity0.SOOOOO下.878074

弱3.007469

IHAStandardInfinity

___________________________________________________________________________________________________________//

L一一''-f

MeritFunctionEditor

“「I标值,

MllorLtFunctionEditor:1.U2y6Ub£-(JUl

ZiilTeelsMel?

opexa】ypwHaveTa?uec

1(£J0L)7OQOOOO1QDOUQD

0s、

3EtKT70.4000001.^<CODO

1.J^ooo

X7、_

3lErLI)Ell03.000000

\N________'

4iKraijimL-D.4UQ00QL/。

5iBLNK?511w

评价函数—

5(DMFS：•DH]评价函和

7皿ME)Ellonr7工参数，QaYin/6ar&ffj

D(DLNR)Dllnezs

1T.

9(DuNK)DIBaDmUKfiUI^^cknessbouuda：vcon&t;xaixits.

LO(BGNK)BLffKijperanctsforrielC1

11(OPDXJon»xJo.oooaoo0.0000000.33S7U0.003DG0O.OOG^1'-1

IS(0PI>X?SDK1O.OOOGOO0.0000000.707107D.OODOOOO.OOOCOO0D7757G

L3(OPDX)OPPX1O.OOOGOO0.OOOOOQ0.941955O.OODOOO0.000000□048481

14<OPDX)OPDX2o.ooocooO.OOCOOO0.234VUD.OODOOO0.0000000MS491

15(OPDX)OFDX£0.000000O.OOCOOD0_707107D.OODOOO0.000000007*7570

1510PPX)MDKZ0.000000onocioonn.划9S50.000000n.oooooo0048451

1?CUPDX}01DX3O.OOOOUDo.uooooaU.334711u.ooDoauO.OOQOOOUU484D

»oznnnv\"iTT.VccnnnrnrtrncccccA-3HH1n«7nnnnnnnr.nnnnnnnfv?rr，c

MV1.V,，…%）=〃；（工一工,尸+（工一X）、……+Uit（看-fu）2

评价函数构成〃为权币

实用的优化方法：最小二乘法（局部最优）

3)GraphicWindows

Cl2xFFTBTF

to4at«attunesfrixitIfliaicvIen<比8

Q.aeso.IMiBD.oe

SPPTIAL匚REDUQIU6CYCLES「3^ILLimTEa

UVOJT

_EN3H用NUHILE:

“8DEC20D6

TOTALLPNC7MIQ,附卸MW

日、丹、\HENXIRIW林洲

SIIFTGUEfTT工CH4DFj

4)TextwindowsandDialog

DM市atnuir*gtf用岛eE®

Dlxs!GVL>jncosinesdxwalLetisIxacc^uQuixed^cLluutxuiucixe

xndLcgrac^.Non-SequentaalPolaxizabonR&yAiming।Mix.

ApertuieTitle/Notes।GlassCatalogsEnvironment

Noras工NOdXfieldCoora(山:):U.OOOOOOUOOO

Nui))£i2LZtsdIMildCoord(Hy):O.COOOOOOOGO

NoraftA^xsod.XIKipaLCoora汾》，xU.OOUOOODOOOApetlureType:EntrancePupilDiameter■工

SexualizedYP山LCootd<Py);l.OOOOOOOOCO■■■■I

ApertureValue:

EeaLRayItaceData:M

SuxfX-cooxdlxjaceY-cocidit；aveZ-C0Q1(llXiaLeApodcationType:Uniform▼

OBJlixzxni^yInEInaxy0.00

10.C00OCODG0O3+00O5.00QC0ODCO0B+O0O5.7534269034B-0010.00

ZO.COOOQO0OOO84OOO.1.9^a£T?b412K+000-2.60i?873^86g-00Z0.00ApocfeationFactor

O.COOOOODCOOS+OOOS.e?7L16LST?E+000-3.445Z850339E-001□.00

40.0030000000340003.S57ElGb42；E40003.70022S9e?LB-0010.03「TelecentricObjectSpace

5O.OODOGODOOOKtOOO4.Z35cc-??44,?E+000L.1I65533705B-0910.00

60.000DGO0OC0240OO4.3092649428&4-000-6.11524725271-0010.00~IterateSolvesWhenUpdating

7O.OOOOOODOQOKtOOO-4.17L3165457B-0030.0000000000840000.00

ParaxialRayTraceDaca:

SureX-cooidWavsT-cooidlnaveZ-cooid±nar.«

0EJInUdtyInfxnz？y0.00

1O.COOOOOOOCOS+OOO5.0000C0DG00E+003O.OOOOOODOOOB+OOO0.03

0.C00OC0DOC03400O4.,71597373338+0000.0000000000840000.00

O.COOOQODOOOSiOOO3.825540LC86E+000O.OOOOCOOOOOEiOOO0.00

4O.COOOOOOwCOS+OOO3.S0095LS260E40000.0000003000840000.03

5O.COOOOOOG003+OOQ4.16EZ61371^1+000O.GOOOCOOOOOB-IOOO0.00

0.C00000000084000.i.24LEQ90334E+00O0.C0DC00DO00B400O0.00

7O.OOOOOOOGOOJ+OOOZ.07I338LZ35B-002D.GODOOOOOOOE-tOOO□.00

I碓定I取消j要用⑥I就明］

♦■

光学设计流程

确定焦距、倍

初始结构输入

General孔径类型、尺寸单位、玻璃库选择

环境设定等

。Field视场设定

Wavelength波长设定

孔径类型:

EntrancePupilDiameter：入瞳直径

ImageSpaceF/#：共飘像空间F数（物为无穷远）)

ObjectSpaceNA：物空间数值孔径(

FloatbyStopSize：

由孔径光阑荻定入瞳大小

ParaxialWorkingF/#：

像空间近轴F数

ObjectConeAngle：

物方孔径角

Field设置四种模式

1、FieldAngle：光线与Z轴的夹角（视场角）

2、ParaxialImageHeight：近轴像空间高度

3、ObjectHeight

物空间XY高度

4、RealImageHeight

实际像高

Wavelength

中心波长

权重

单透镜设计(asinglet)

*通过这项简单练习我们将学到：

♦:♦启用Zemax,如何键入wavelength,lensdata,产

生rayfan,spotdiagrams,OPD,定义thickness

solve以及variables,执行简单光学设计最佳化。

、确定单透镜的基本光学性能要求

。设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用,

其focallength为100mm,在可见光谱下，

用BK7镜片来作。

。焦距：100mmF数：4玻璃：BK7

在可见光波段设计（取d、F、C三种色光，d

为主波长）；

二、输入初始结构数据

1、计算法

2、计算结合经验法

3、经验法

4、查资料法（孔径、视场、波长、焦距,

整体缩放）

1、输入波长

可见光波段，select—[F,d,C]

WavelengthData

e

US^Primary

^1

^2

r3

r4

r5

r6

r7

r8

rg

r10

r11

12

OKCancelSort

HelpSaveLoad

2、输入孔径

我们需要一个F/4的镜头，

F/#=（有效焦距）/（近轴入瞳直径）

所以现在我们需要的aperture就是100/4=25（mm）

3、输入lensdata

♦:♦对于singlet,我们需要4个面（surface）,物平面,

光阑面（前镜面），后镜面和彳象平面。

♦:♦依次输入玻璃、1,2面的曲率半径及厚度。

I三、像质评价

1❖怎么检验你的设计是否达到要求呢?

1:RayFanSB®

•RayAberration,将光线UpdateSettingsPrintVindowTextZoom

像差对光瞳坐标作图。横坐

标为归一化光瞳坐标，由」

变化到+1,纵坐标表示几何

像差在像面上的弥散情况。

•左图纵轴为EY的，即是

在Y方向的像差，称作子午

的tangential或YZplane。

TRANSVERSERRYFANPLOT

LEN

TUE

•右图则为X方向的像差，MRX

2000.000MICRONS.

0.656

DAPPOGRRIFILES\ZEMRX\SRMPLES\LENS.ZMX

称作XZplane或弧矢CONFIGURATION1OF1

sagittalo

由rayfan看几何像差

由rayaberration既可以看出几何像差存在时的综合弥散

情况，还可以看出其它独立几何像差的大小。

由原点处曲线的斜率可以反映轴向像差量，如球差、场曲、

离焦的大小；

❖由曲线边缘孔径（土L0）处的Y・aberration之和反映慧

差值的大小；

光谱段（如F,d,C）,波长序号为1、3波长的曲线与

EY轴的交点之差反映垂轴色差的大小，并随着视场的变

化可观察垂轴色差的变化...

Zemax的solves可以帮助解决defocus的问题。

这项调整会把在透镜边

缘的光在光轴上的

height设为0,即

paraxialfocuso

Updaterayfan,可以

发现defocus消失了

设计最佳化？？

四、优化

1、设定变量

调整surface1,2的radius项从fixed变成variable,

依次才巴surface2中thickness的MarginalRay

height也变成variable。

料LensDataEditors®®

EditSolvesOptionsHelp

Surf:TypeCommentRadiusThicknessGlassSemi-DiameterConic

OBJStandardInfinit-yInfinity0.0000000.000000

STOStandard100.000000V4.000000BK712.S000000.000000

2Standard-100.000000V96.085413V12.3955860.000000

IMAStandardInfinity0.4832030.000000

空

2、构建评价函数

定义一个Meritfunction,就是把你理想的光

学要求规格定为一个标准（如此例中focallength为

100mm）,然后Zemax会连续调整你输入solves

中的各种variable,使Meritfunction值达到局部最

优。

所以Meritfunction值愈小愈好，挑出最小值

时即完成variable设定，理想的Meritfunction值

为0。

缺省的评价函数

（它的功能是把RMSwavefronterror减至最低）

优化参考

优化类型.

点类型

优化类型

RMS：均方根（常用）

PTV：PeakToValley（控制点落于

某半径内）

数据类型

Wavefront：波前差（＜2Waves）

SpotRadius：点列图半径（）2Waves）

优化参考点类型

Centroid：常用

ChiefRay：主光线

规定给meritfunction一个focallength为100的限

制，因为若不给此限制则Zemax会发现focal

length为无穷大时，wavefrontaberration的效果

会最好，当然就违反我们的设计要求。

leritFunctionEditor:7.573389E+000

EditToolsHelp

Oper#TypeWaveTargetValue与Contrib

1(DBFS)DMFS

2(BFFL)EFFL2100.0000001.0000000.0000000.000000

3(BLNK)BLNKDefaultmeritfunction:PMSwavefrontcentroidGQ3rings6arms

4(BLNK)BLNKNodefaultairthicknessboundaryconstraints.

5(BLNK)BLNKNodefaultglassthicknessboundaryconstraints.

6(BLNK)BLNKOperandsforfield1.

7(OPDX)OPDX10.0000000.0000000.33S7110.0000000.0000000.290888-13.85266730.9786S1

8(OPDX)OPDX10.0000000.0000000.7071070.0000000.0000000.465421-1.8381080.872685

9(OPDX)OPDX10.0000000.0000000.9419650.0000000.0000000.29088816.79363945.S28711

10(OPDX)OPDX20.0000000.0000000.3357110.0000000.0000000.290888-5.7S74S15.351262

11(OPDX)OPDX20.0000000.0000000.7071070.0000000.0000000.465421-1.507S3S0.587017

12(OPDX)OPDX20.0000000.0000000.9419650.0000000.0000000.2908888.16950710.7742S9

13(