zemax教程详细全面.ppt

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ZEMAX软件培训教程,steven:

steven:

国内外光学设计软件情况,国内情况：

北京理工大学（SOD），南京理工大学等自编光学设计软件。

国外情况：

OpticalResearchAssociates:

CodeVLambda:

OSLO等。

ZEMAX已经成为当今使用最普遍的光学设计软件,市场占有率：

8085%全球已经销售了两万多套台湾已经销售600多套大陆已经有300多套，知道和需要购买者越来越多,市场应用,应用范围：

传统相机、数码相机、内窥镜等光学镜头的设计DVD、VCD读写头投影系统，背投电视照明系统干涉仪LEDLaserdiode光通信器件设计等等,Zemax使用群,NASA美国太空总署,Sandia国家实验室,U.S.Army军队,HP,Motorola台湾:

电子所,中科院,大学以及扫描仪,相机,望远镜,投影机等制造商.大陆：

光学、光电研究所，大学，光学公司，光学加工厂，从事光学镜头、条形码、投影仪、背投影电视、光通信器件、VCD及DVD读写头等的设计的公司。

ZEMAX概述,ZEMAX简介（I）,FocusSoftware公司产品光学镜头设计和光学系统分析软件版本有三个等级：

ZEMAXSE（标准版）ZEMAXXE（完整版）ZEMAXEE（专业版）每年有数次版本更新，可以到ZEMAX的网站或者讯技光电科技公司的网站上下载更新.tw,ZEMAX简介（II）,界面友好，容易上手；资料丰富，既可以直接选择，又可以自定义；可建立反射、折射、衍射及散射等光学模型；可进行偏振、镀膜和温度、气压等方面的分析具有强大的像质评价和分析功能；丰富的资料库，有现成的镜头和玻璃、样板数据，可供用户选择；大部分窗口都提供在线帮助,方便随时获取相关功能的在线解释和帮助；,系统要求,WIN98，NT，2000，XP200Mb以上的硬盘空间最小的分辨率为：

1024*768一个并行口或者USB接口用来接KEY64Mb以上内存；如果进行对象非常复杂、物理光学或散射和照明分析时，最低要求是256MB，最好是512Mb,WhatisZEMAX,ZEMAX是一个光学设计软件，它使用sequential和non-sequential的方法模拟refractive,reflective和diffractive光线追迹。

ZEMAX用“surface”为sequentialraytracing建模；用“component”或solidobjectmodel为non-sequentialraytracing建模。

Purely（纯）sequential：

传统的镜头设计，和大多数成像系统;Hybridsequential/non-sequential（akaNSCwithports）同时有sequential组件和non-sequential组件（如prism,pipe）的系统;用“ports”为光线进入和离开NSgroup的出入口;Purelynon-sequential（akaNSCwithoutports）用于illumination,scattering,straylightanalysis;不用“ports”。

RayTracing的3种方式（I）,

（1）PurelySequential：

用于传统的透镜成像系统设计；以光学面（surface）为对象来构建光学系统模型；光线从物面开始（常为surface0）按光学面的顺序计算（surface0,1,2），对每个光学面只计算一次；每个面都有物空间和像空间；需要计算的光线少，计算速度快；可进行analysis,Optimization及Tolerancing；,Sequentialsystem例子,RayTracing的3种方式（II）,

（2）Hybridsequential/non-sequential（akaNSCwithports）所有object都是3Dshell壳orsolids固体；每个object都在一个空间坐标系中定义了其特性；光线从inputport进入non-sequentialgroup；从exitport离开NSgroup；光线在NSC中一直追迹，直到它遇到下列情况才终止：

NothingExitport能量低于定义的阈值。

忽略NSgroup内的光源和探测器；进入NSgroup的光线的特性，由序列性的系统数据，如视场位置和瞳的大小等决定。

NSCwithportssystem例子,RayTracing的3种方式（III）,（3）PurelyNon-sequential（akaNSCwithoutport）所有object都是3Dshellorsolids；每个object都在一个空间坐标系中定义了其特性；需要定义光源的发光特性和位置，定义detector收集光线；光线一直追迹，直到它遇到下列情况才终止：

Nothing，能量低于定义的阈值。

计算时光学元件的相对位置由空间坐标确定；对同一元件，可同时进行穿透、反射、吸收及散射的特性计算；无法作优化及公差分析；这种情况下，可以对光线进行分光，散射，衍射，反射，折射。

NSCwithoutportssystem例子,ZEMAX用户界面,ZEMAX用户界面类型,ZEMAX有4种主要类型的用户界面：

Editors:

定义和编辑光学面和其他数据；Graphicwindows：

显示图形数据；Textwindows：

显示文本数据；Dialogboxes：

编辑和回顾其他窗口或系统的数据，或者报告错误信息等。

ZEMAXEditors界面,有很多种：

Lensdataeditor:

基本的lensdata，包括surfacetype,radius,thickness,glass,etc.Meritfunctioneditor:

优化时，定义和编辑meritfunction；Multi-Configurationeditor：

为变焦镜头和其它多重结构系统定义多重结构参数；ToleranceDataeditor：

定义和编辑公差数据；ExtraDataeditor:

需要很多参数的surfacedata的扩展；Non-sequentialcomponenteditor:

定义和编辑NSCsources,objects,detectors。

ZEMAXEditors,GraphicandText界面,有些功能（如layout）只支持图形，有些只支持文本（如Seidel像差系数），有的都支持（如fanplot）；如果二者都支持，一般先给出图形输出，如果需要显示text的内容，需要点一下菜单栏中的“Text”；,GraphicandTextwindows例子,大部分图形窗口都提供文本信息。

GraphicandTextwindows例子,点Text菜单栏，可以看到图形窗口中的文本信息。

Graphicswindows菜单功能,Update：

更新窗口中的数据；Setting：

设置窗口的属性；Print：

打印窗口的内容；Windows：

Annotate：

往图形上加lines,boxes,text；Copyclipboard:

将内容拷贝到剪切板中；Export:

将内容转换为WMF，EMF，JPG，BMP文件保存；Lock:

锁定窗口；Clone:

Clone窗口；Aspectratio:

设置窗口的长宽比；Activecursor:

对图形窗口显示鼠标所指位置的数据；Configuration:

选择要显示哪个结构的数据；Overlay：

不同图形重叠显示；,Textwindows菜单功能,Text:

产生图形所对应的文本数据；Zoom:

对图形放大和缩小控制Update:

更新窗口中的数据；Setting：

设置窗口的属性；Print：

打印窗口的内容；Windows:

Copyclipboard:

将内容拷贝到剪切板中；Save:

保存ASCIITXT文件；Lock:

锁定窗口；Clone:

Clone窗口；Configuration:

选择要显示哪个结构的数据；,steven:

Dialogboxes,ZEMAX的大部分图形和文本窗口都包含有设置对话框。

数据输出,输出到到剪贴板，可以再到其它windows应用程序，如Excel等；输出到CAD程序：

支持DXF，IGES，STEP，SAT格式。

DXF：

因为不是标准格式，对其支持比较差一些；只有在wireframe的设定中才支持。

IGES，STEP，SAT：

真正的标准；可以输出3Dsolids；可以输出为lines;在Tool菜单栏中。

Sessionfile的概念,Sessionfile：

在保存文件时，如果选择Sessionfile，则它包括lensfile,所有图形和文本窗口，editors,它们在屏幕上的大小和位置，及每个窗口的设置。

此时，除了一个ZMX文件以外，还有一个SES文件。

LensData,Lensdata的组成,Sequentiallensdata-Surfacedata:

面的序号;每个面的相关结构数据;光学系统的孔径;波长;视场。

进行优化时,还需要：

变量;优化函数。

ForNSCwithoutportsystem,还需要：

所有object的结构参数和位置参数;所有source和detector的特性参数和位置参数;波长。

Surfacedata的组成,Theradiusofcurvature:

面的曲率半径，根据符号规则确定符号；Thethicknessofthesurface:

到下个面的相对距离，满足符号规则（用local坐标系）；Theglasstypeofthesurface:

可以直接输入玻璃的名称，也可以输入折射率和色散系数（如果是空气，则为空格）；Thesemi-diameterofthesurface（optional）：

面的孔径；Otherdata（parameterorextradata）:

描述面形的参数。

Surfacedata的符号规则,镜头数据（LensData）：

曲率半径、厚度、材质和其他参数。

各量符号规定：

Thickness：

从左到右距离为正，否则为负。

SurfaceType,

（1）提供了近60种的光学曲面面形。

主要类型有：

平面、球面、标准二次曲面、非球面、光锥面、轮胎面、折射率渐变面、二元光学面、光栅（固定周期和变周期）、全息衍射元件、Fresnel透镜、波带片等。

（2）还提供了UserDefinedSurface。

用户只需要按照它的语法规定，用C+语言编写DLL文件与ZEMAX相连接就可以建立自己需要的面形。

Thesystemaperture,它是很重要的一个参数，决定入瞳的大小，它决定光学系统在物空间收集多少光线。

Systemaperturetypes,EntrancePupilDiameter（EPD）:

直接指定入瞳的大小；ImageSpaceF/#:

无限共轭像空间近轴F数（f/D,只用于物距无穷远）；ObjectSpaceNumericalAperture：

物空间边缘光线的数值孔径nsin（物在有限远处,保持N.A.为常数）；FloatbySize：

EPD的大小由光栏的半径决定；ParaxialworkingF/#:

像空间中定义的共轭近轴1/2ntan，忽略像差；ObjectConeAngle:

物空间边缘光线的半角，最大可以达到90度（物在有限远）。

Fieldpoints,ZEMAX常常用点光源定义视场或物的大小：

定义了点光源以后，可以建立扩展光源的模型；对每个系统最多可以定义12个视场点。

ZEMAX支持4种不同视场形式：

Fieldangle:

投影到入瞳上XZ和YZ平面上时，主光线与Z轴的夹角。

大多用在无限共轭系统。

Objectheight:

物面上X，Y高度。

大多用在有限共轭系统。

（注：

如果物面为曲面，则X，Y坐标包含Z坐标）ParaxialImageheight:

像面上的近轴像高。

用于需要固定像的大小的设计中。

（只用于近轴光学系统中）Realimageheight:

像面上实际像高。

用于需要固定framesize的设计中（如cameralenses）。

Fieldpoints示例,Wavelengths,ZEMAX对每个系统最多允许定义12个波长。

并且必须指定主波长，根据不同波长的重要性，权重可以不同。

波长的单位为微米。

Variableparameters,在进行优化设计时，需要设置变量，ZEMAX会调整这些变量，以找到最佳设计结果。

变量可以是任何量，包括radii,thicknesses,indices,Vnumbers,partialdispersions,conicconstants,tiltangles,甚至fieldsandwavelengths。

Meritfunctions,优化函数是用来定义优化控制目标项目。

它包括设计目标，边界条件和计算结果的总结。

在优化过程中，用meritfunction的值来评价一个系统的优劣。

Meritfunction由optimizationoperands组成，ZEMAX提供了200多个这样的操作数，涵盖了各种目标控制条件。

Tolerancing,ZEMAX可以对光学面的参数和群组的参数进行公差分析。

它提供了二种公差分析模式：

（1）sensitivity：

给定结构参数的公差范围，计算评价标准的影响，

（2）inversesensitivity：

给出评价标准量的允许变化范围，反算出结构参数的公差。

结果报告,可以给出各种数据的结果报告，可以是图形、曲线或表格的形式：

（1）surfacedata

（2）systemdata（3）prescriptiondata（4）reportgraphic可以输出零件图、固体图或网格图。

可以输出SAT/STEP/IGES等文件格式。

其他,包含有很多公司的玻璃材料库，可以进行镀膜分析，可以编辑薄膜，可以进行热分析，可以进行偏振光计算，可以进行物理光学分析和计算，可以进行样板比对。

练习：

Singlet,目的：

练习如何建立初始结构、设定视场和工作波长。

题目：

建立一个单透镜，入瞳直径为40mm，二个面的曲率半径分别为50mm,-60mm，中心厚度为4mm视场0,7，10度波长：

可见光玻璃材料：

BK7,Solves,Whataresolves?

Solves是ZEMAX中可以主动调整特定值的功能。

可以为curvatures,thicknesses,glasses,semi-diameters,conics,andparameters等参数指定solve。

Solves的设置，只需要在希望放置solve功能的栏中点右键或双击左键就可以了。

Solves的应用有很多：

MaintainingF/#:

用MRA或F/#curvaturesolve；Maintainingparaxialfocus:

用MRH；Maintainingedgethickness;Linkingvaluestogether:

pickupsolve;Holdingadistancebetweensurfaces:

positionsolve。

Curvaturesolves,MarginalrayangleorF/#,Marginalrayanglem（r/f）决定F/#：

F/#1/2NA=1/2nsin（m）如果系统为slow（即F/#大，如F/10或更慢）时，F/#=1/2nsin（m）1/（2n）MRAsolve可以调整任何面（一般是最后一个glass-air面）的曲率半径，在优化时，保持F/#固定不变。

m（r/f，-号表示是会聚光，+号表示是发散光），可以控制透镜的有效焦距f（EFL）；,Curvaturesolves,Chiefrayangle:

控制特定的放大率或使出射光线保持准直（maintainingcollimation）；Pickup:

指定前面某个面，使当前面的曲率半径和指定的面保持确定关系；Marginalraynormal：

迫使光学面与近轴边缘光线垂直，也叫image-centeredsurface。

产生没有球差或彗差的光学面；Chiefraynormal:

迫使光学面与近轴主光线垂直，也叫pupil-centeredsurface。

产生没有彗差、像散或畸变的光学面；Alplanatic（齐明的）:

迫使光学面对近轴边缘光线齐明的（消球差）。

产生没有球差、彗差或像散的等光程光学面。

Curvaturesolves,Elementpower:

光学系统的光焦度（n/f）。

使指定的光学元件的光焦度保持不变，可以控制有效焦距；Concentricwithsurface:

控制面的曲率，使这个面的曲率中心落在前面某个面上；Concentricwithradius:

控制面的曲率，使此面的中心与指定的面（前面）的中心为同一点。

F/#（Fnumber）:

控制面的曲率，使从这个面出射的边缘光线角为-1/2F（F即为D/f，D为入瞳直径，f为有效焦距）。

可以控制系统的有效焦距。

Thicknesssolves,Thicknesssolves,Marginalrayheight:

定位像平面（常用控制近轴边缘光线在后一个面上的高度，使像面处在近轴焦点上）；还可以约束特定的光束；Chiefrayheight:

定位pupilplane（近轴主光线高度）。

可以将光学面移到瞳面上；（应用：

1、它可以将参考面固定地处在pupil上，2、定位入、出瞳）；Edgethickness:

控制二个面之间的距离，使其在半径为某个值处为规定的值。

可以避免边缘厚度为负或边缘太尖锐；Pickup：

使这个面的thickness值随指定的面按一定规律变化；（主要用于：

doublepasssystem,endoscopes,relaylens等包含多个相同元件的系统中），,Thicknesssolves,Opticalpathdifference:

调整thickness，使指定光瞳坐标处的光程差维持一个指定的值；例如：

在焦点上，边缘光线和主光线的光程差相等，可以在像面前面的一个面的厚度处设置OPDSolve。

Position:

使这个面到指定参考面的距离（厚度的总和）保持为定值。

在变焦镜头设计中，可以控制它的某一部分保持固定的长度。

也可以约束整个透镜的长度。

Compensator:

与position非常类似,显示的是所要控制的厚度与参考面厚度之差。

表达式为：

T=S-R。

S为二个面的厚度之和，R为参考面的厚度。

参考面必须在前面。

CenterofCurvature:

调整thickness的值，使后面一个面处在前面某个面的曲率中心上。

Glasssolves,Glasssolves,Model:

用于玻璃的优化。

用三个参数：

d光的折射率、Abbe数和部分色散项。

只能用于可见光，可能得到不存在的玻璃；（不常用）Pickup：

随某个指定的面一起变化；Substitute：

用于glassoptimization，它更容易且可靠。

在优化时，用hummer优化算法查到合适的玻璃。

Offset：

允许在折射率或者Abbe数上增加一个小的偏移量。

用于公差计算。

Semi-Diametersolves,Semi-Diametersolves,Automatic：

根据入瞳自动调整孔径大小Fixed：

输入为固定的值PickupMaximum：

在multipleconfiguration中，计算所有结构中的半径值，然后使用最大的一个值。

其它solves,Conic，Parameters也可以设置solve，但一般只有Fixed,Variable和Pickup三种类型。

Coordbreak的Parameters可以设置chiefray的求解类型。

只用于coordinatebreak面的前4个参数。

Solve使用建议,Solve的计算是从第1个面到像面顺序进行的，对参数计算的顺序是：

curvature,thickness,glass,semi-diameter,conic,parameter；因为curvature和thickness的求解会影响入瞳的位置，所以不允许将依赖于光线追迹的求解放在光栏的前面（如marginalrayheight）；Solve是高效的，在设计过程中尽可能用它来代替优化变量控制一些参数。

练习,用Solve求解的方法，将前面设计的单透镜的焦距控制为100mm，用Solve将像面移到焦点上。

Analysis,像质评价与分析,ZEMAX提供了丰富的像质评价指标，评价小像差系统的波像差、圆内能量集中度；评价大像差系统的点列图、弥散圆；MTF、PSF;几何像差评价方法。

可以给出Seidel和ZERNIKE像差系数可以进行扩展光源的分析像质评价结果表现形式多种多样，既有各种直观的图形表示方法，也有详细的数据报表。

像质评价报告结果示例,像质评价指标,Fans（扇形图，垂轴几何像差等）SpotDiagram（几何点列图，弥散斑）MTF（调制传递函数）PSF（点扩展函数）Wavefront（波像差）能量分析Miscellaneous（杂项，几何像差）像差系数扩展光源分析,Layout,2D,3D：

系统的2维和3维图。

如果系统不是旋转对称的，则只能用3Dlayout；Wireframe：

3维网格图；ShadedModel,SolidModel：

3维固体图。

solidmodelplot对一些自定义的aperturesorobscurations不能正确画出地surface;ZemaxElementDrawing：

用于车间加工的工程图。

可以是surface,singlet,doublet；ISOElementDrawing：

按照ISO10110标准。

可以是surface,singlet,doublet。

NSCLayout,Fan,RayAberration：

子午和弧矢垂轴像差，它全面反映了细光束和宽光束的成像质量。

它是光线在理想像面上的交点和主光线在理想像面上交点间的距离，可以看出理想像面上像的最大弥散范围。

横坐标是归一化入瞳坐标。

OpticalPath：

实际光线和主光线的OPD之差（波像差）。

OPDvs.归一化出瞳坐标曲线图；只能对光栏后的面进行计算。

PupilAberration：

光栏面上实际光线交点和轴上主波长近轴光线交点坐标之差与近轴光栏半径之比。

光栏面上入瞳畸变vs.归一化入瞳坐标。

可以指导是否要用rayaiming。

SpotDiagrams,Standard：

显示不同视场的SpotDiagram，给出GEO和RMSspotsize及AiryDisk；Throughfocus：

离开焦平面不同距离的spotdiagram。

可以估测像散，或者分析最佳焦点或者焦深；FullField：

所有视场的点列图。

可以确认二个很近的像点是否能够被分辨；Matrix,ConfigurationMatrix：

同时列出不同结构的所有视场的点列图。

FFTMTF,FFTMTF:

用FFT算法计算所有视场的衍射MTF（OPD10wave）。

假定在出瞳上的光线分布是均匀的。

截止频率为1/（F/#）=1/2nsin；物的类型有：

正弦波（real,imaginary,phase）和方波（square）响应。

FFTThroughFocusMTF:

在指定空间频率下，FFTMTFvs.focusshift；FFTSurfaceMTF：

显示MTF数据的3Dsurface,contour,greyscale或Colormap；FFTMTFvs.Fi