zemax培訓(xùn)教程20061226課件

ZEMAX軟件1國(guó)內(nèi)外光學(xué)設(shè)計(jì)軟件情況※國(guó)內(nèi)情況：

■北京理工大學(xué)(SOD)

■南京理工大學(xué)等※國(guó)外情況：■Zemax（光學(xué)設(shè)計(jì)軟件）

■TracePro（光學(xué)仿真軟件）

■ASAP（光學(xué)仿真軟件）

■LightTools（光學(xué)仿真軟件）

■CODEV

(OpticalResearchAssociates)

■OSLO（Lambda光學(xué)設(shè)計(jì)軟件）

2軟件比較

ZEMAX是將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件。OSLO是處理光學(xué)系統(tǒng)的布局和優(yōu)化的代表性光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。CODEV是OpticalResearchAssociates推出的大型光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，功能非常強(qiáng)大，價(jià)格相當(dāng)昂貴。TracePro是能進(jìn)行常規(guī)光學(xué)分析、設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)、分析輻射度和亮度的軟件。ASAP：世界各地的光學(xué)工程師都公認(rèn)ASAP（AdvancedSystemsAnalysisProgram，高級(jí)系統(tǒng)分析程序）為光學(xué)系統(tǒng)定量分析的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。ASAP的分析功能包括照明分析、輻射度測(cè)量、偏振、光纖耦合效率、干涉測(cè)量、雜光分析（散射和鬼影分析）、成像質(zhì)量及薄膜鍍膜性能分析。LightTools是一個(gè)全新的具有光學(xué)精度的交互式三維實(shí)體建模軟件體系,在系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)、復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃、光機(jī)一體設(shè)計(jì)、雜光分析、照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析、單位各部門間學(xué)術(shù)交流和數(shù)據(jù)交換、課題論證或產(chǎn)品推廣等各環(huán)節(jié)中均可發(fā)揮重要的作用，成為人們理想的工具。

3市場(chǎng)應(yīng)用※

應(yīng)用范圍：傳統(tǒng)相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、內(nèi)窺鏡等光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)DVD、VCD讀寫頭投影系統(tǒng)，背投電視照明系統(tǒng)干涉儀LEDLaserdiode光通信器件設(shè)計(jì)等等…5Zemax使用群※NASA美國(guó)太空總署,Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,U.S.Army軍隊(duì),HP,Motorola…※中國(guó)臺(tái)灣地區(qū):電子所,中科院,大學(xué)…以及掃描儀,相機(jī),望遠(yuǎn)鏡,投影機(jī)等制造商.※中國(guó)大陸：光學(xué)、光電研究所，大學(xué)，光學(xué)公司，光學(xué)加工廠，從事光學(xué)鏡頭、條形碼、投影儀、背投影電視、光通信器件、VCD及DVD讀寫頭等的設(shè)計(jì)的公司。6ZEMAX概述7ZEMAX簡(jiǎn)介（II）

界面友好，容易上手；資料豐富，既可以直接選擇，又可以自定義；

可建立反射、折射、衍射及散射等光學(xué)模型；

可進(jìn)行偏振、鍍膜和溫度、氣壓等方面的分析

具有強(qiáng)大的像質(zhì)評(píng)價(jià)和分析功能；

豐富的資料庫，有現(xiàn)成的鏡頭和玻璃、樣板數(shù)據(jù)，可供用戶選擇；大部分窗口都提供在線幫助,方便隨時(shí)獲取相關(guān)功能的在線解釋和幫助；9ZEMAX的主要特色(1)分析

提供多功能的分析圖形，對(duì)話窗參數(shù)選擇，方便分析，可將分析圖形存成圖文件，如BMP、JPG等，也可存成文字文件txt．(2)優(yōu)化

表欄式meritfunction參數(shù)輸入，對(duì)話窗預(yù)設(shè)meritfunction參數(shù)，方便使用者定義，且多種優(yōu)化方式供使用者使用，諸如LocalOptimization可以快速找到佳值，Global/HammerOptimization可找到最好的參數(shù)。(3)公差分析

表欄式Tolerance參數(shù)輸入和對(duì)話窗式預(yù)設(shè)Tolerance參數(shù)，方便使用者定義。(4)報(bào)表輸出

多種圖形報(bào)表輸出，可將結(jié)果存成圖文件及文字文件。10系統(tǒng)要求WIN98，NT，2000，XP200Mb以上的硬盤空間

最小的分辨率為：1024*768

一個(gè)并行口或者USB接口用來接KEY64Mb以上內(nèi)存；如果進(jìn)行對(duì)象非常復(fù)雜、物理光學(xué)或散射和照明分析時(shí)，最低要求是256MB，最好是512Mb11RayTracing的3種方式（I）（1）Purely

Sequential：用于傳統(tǒng)的透鏡成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)；?以光學(xué)面（surface）為對(duì)象來構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng)模型；?光線從物面開始（常為surface0）?按光學(xué)面的順序計(jì)算（surface0,1,2…），對(duì)每個(gè)光學(xué)面只計(jì)算一次；?每個(gè)面都有物空間和像空間；?需要計(jì)算的光線少，計(jì)算速度快；?可進(jìn)行analysis,Optimization及Tolerancing；13Sequentialsystem例子14RayTracing的3種方式（II）（2）Hybridsequential/non-sequential(akaNSCwithports)?所有object都是3Dshellorsolids；

?每個(gè)object都在一個(gè)空間坐標(biāo)系中定義了其特性；

?光線從inputport進(jìn)入non-sequentialgroup；從exitport離開NSgroup；?光線在NSC中一直追跡，直到它遇到下列情況才終止：

Nothing

Exitport

能量低于定義的閾值。?忽略NSgroup內(nèi)的光源和探測(cè)器；

?進(jìn)入NSgroup的光線的特性，由序列性的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如視場(chǎng)位置和瞳的大小等決定。15RayTracing的3種方式（III）（3）Purely

Non-sequential(akaNSCwithoutport)?所有object都是3Dshellorsolids；?每個(gè)object都在一個(gè)空間坐標(biāo)系中定義了其特性；?需要定義光源的發(fā)光特性和位置，定義detector收集光線；?光線一直追跡，直到它遇到下列情況才終止：

Nothing，

能量低于定義的閾值。?計(jì)算時(shí)光學(xué)元件的相對(duì)位置由空間坐標(biāo)確定；對(duì)同一元件，可同時(shí)進(jìn)行穿透、反射、吸收及散射的特性計(jì)算；?無法作優(yōu)化及公差分析；這種情況下，可以對(duì)光線進(jìn)行分光，散射，衍射，反射，折射。17NSCwithoutportssystem例子18ZEMAX用戶界面19ZEMAXEditors界面有很多種：Lensdataeditor:基本的lensdata，包括surfacetype,radius,thickness,glass,etc.Meritfunctioneditor:優(yōu)化時(shí)，定義和編輯meritfunction；Multi-Configurationeditor：為變焦鏡頭和其它多重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)定義多重結(jié)構(gòu)參數(shù)；ToleranceDataeditor：定義和編輯公差數(shù)據(jù)；ExtraDataeditor:需要很多參數(shù)的surfacedata的擴(kuò)展；Non-sequentialcomponenteditor:定義和編輯NSCsources,objects,detectors。21ZEMAXEditors22GraphicandText界面有些功能（如layout）只支持圖形，有些只支持文本（如Seidel像差系數(shù)），有的都支持（如fanplot）；如果二者都支持，一般先給出圖形輸出，如果需要顯示text的內(nèi)容，需要點(diǎn)一下菜單欄中的“Text”；23GraphicandTextwindows例子點(diǎn)Text菜單欄，可以看到圖形窗口中的文本信息。25Graphicswindows菜單功能

Update：更新窗口中的數(shù)據(jù)；Setting：設(shè)置窗口的屬性；Print：打印窗口的內(nèi)容；Windows：Annotate：往圖形上加lines,boxes,text；Copyclipboard:將內(nèi)容拷貝到剪切板中；Export:將內(nèi)容轉(zhuǎn)換為WMF，EMF，JPG，BMP文件保存；Lock:鎖定窗口；Clone:Clone窗口；Aspectratio:設(shè)置窗口的長(zhǎng)寬比；Activecursor:對(duì)圖形窗口顯示鼠標(biāo)所指位置的數(shù)據(jù)；Configuration:選擇要顯示哪個(gè)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)；Overlay：不同圖形重疊顯示；26數(shù)據(jù)輸出輸出到到剪貼板，可以再到其它windows應(yīng)用程序，如Excel等；輸出到CAD程序：支持DXF，IGES，STEP，SAT格式。DXF：因?yàn)椴皇菢?biāo)準(zhǔn)格式，對(duì)其支持比較差一些；只有在wireframe的設(shè)定中才支持。IGES，STEP，SAT：真正的標(biāo)準(zhǔn)；可以輸出3Dsolids；可以輸出為lines;在Tool菜單欄中。29Sessionfile的概念Sessionfile

：在保存文件時(shí)，如果選擇Sessionfile，則它包括lensfile,所有圖形和文本窗口，editors,它們?cè)谄聊簧系拇笮『臀恢?，及每個(gè)窗口的設(shè)置。此時(shí)，除了一個(gè)ZMX文件以外，還有一個(gè)SES文件。30LensData31Lensdata的組成Sequentiallensdata-Surfacedata:面的序號(hào);每個(gè)面的相關(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù);光學(xué)系統(tǒng)的孔徑;波長(zhǎng);視場(chǎng)。進(jìn)行優(yōu)化時(shí),還需要：變量;優(yōu)化函數(shù)。ForNSCwithoutportsystem,還需要：所有object的結(jié)構(gòu)參數(shù)和位置參數(shù);所有source和detector的特性參數(shù)和位置參數(shù);波長(zhǎng)。32Surfacedata的組成Theradiusofcurvature:面的曲率半徑，根據(jù)符號(hào)規(guī)則確定符號(hào)；Thethicknessofthesurface:到下個(gè)面的相對(duì)距離，滿足符號(hào)規(guī)則（用local坐標(biāo)系）；Theglasstypeofthesurface:可以直接輸入玻璃的名稱，也可以輸入折射率和色散系數(shù)（如果是空氣，則為空格）；Thesemi-diameterofthesurface(optional)：面的孔徑；Otherdata（parameterorextradata）:描述面形的參數(shù)。33Surfacedata的符號(hào)規(guī)則鏡頭數(shù)據(jù)（LensData）：曲率半徑、厚度、材質(zhì)和其他參數(shù)。各量符號(hào)規(guī)定：Thickness：從左到右距離為正，否則為負(fù)。+—+—+—34SurfaceType（1）提供了近60種的光學(xué)曲面面形，主要類型有： 平面、球面、標(biāo)準(zhǔn)二次曲面、非球面、光錐面、輪胎面、折射率漸變面、二元光學(xué)面、光柵(固定周期和變周期)、全息衍射元件、Fresnel透鏡、波帶片等。（2）還提供了UserDefinedSurface。 用戶只需要按照它的語法規(guī)定，用C++語言編寫DLL文件與ZEMAX相連接就可以建立自己需要的面形。35Thesystemaperture它是很重要的一個(gè)參數(shù)，決定入瞳的大小，它決定光學(xué)系統(tǒng)在物空間收集多少光線。36Systemaperturetypes?EntrancePupilDiameter(EPD):直接指定入瞳的大??；?ImageSpaceF/#:無限共軛像空間近軸F數(shù)（f/D,只用于物距無窮遠(yuǎn)）；?ObjectSpaceNumericalAperture：物空間邊緣光線的數(shù)值孔徑nsinθ（物在有限遠(yuǎn)處,保持N.A.為常數(shù)）；?FloatbySize：EPD的大小由光欄的半徑?jīng)Q定；?ParaxialworkingF/#:像空間中定義的共軛近軸1/2ntan，忽略像差；?ObjectConeAngle:物空間邊緣光線的半角，最大可以達(dá)到90度（物在有限遠(yuǎn)）。37FieldpointsZEMAX常常用點(diǎn)光源定義視場(chǎng)或物的大小：定義了點(diǎn)光源以后，可以建立擴(kuò)展光源的模型；對(duì)每個(gè)系統(tǒng)最多可以定義12個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)。ZEMAX支持4種不同視場(chǎng)形式：Fieldangle:投影到入瞳上XZ和YZ平面上時(shí)，主光線與Z軸的夾角。大多用在無限共軛系統(tǒng)。Objectheight:物面上X，Y高度。大多用在有限共軛系統(tǒng)。（注：如果物面為曲面，則X，Y坐標(biāo)包含Z坐標(biāo)）ParaxialImageheight:像面上的近軸像高。用于需要固定像的大小的設(shè)計(jì)中。（只用于近軸光學(xué)系統(tǒng)中）Realimageheight:像面上實(shí)際像高。用于需要固定framesize的設(shè)計(jì)中（如cameralenses）。38Fieldpoints示例39WavelengthsZEMAX對(duì)每個(gè)系統(tǒng)最多允許定義12個(gè)波長(zhǎng)。并且必須指定主波長(zhǎng)，根據(jù)不同波長(zhǎng)的重要性，權(quán)重可以不同。波長(zhǎng)的單位為微米。40Variableparameters在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)置變量，ZEMAX會(huì)調(diào)整這些變量，以找到最佳設(shè)計(jì)結(jié)果。變量可以是任何量，包括radii,thicknesses,indices,Vnumbers,partialdispersions,conicconstants,tiltangles,甚至fieldsandwavelengths。41Meritfunctions優(yōu)化函數(shù)是用來定義優(yōu)化控制目標(biāo)項(xiàng)目。它包括設(shè)計(jì)目標(biāo)，邊界條件和計(jì)算結(jié)果的總結(jié)。在優(yōu)化過程中，用meritfunction的值來評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。Meritfunction由optimizationoperands組成，ZEMAX提供了200多個(gè)這樣的操作數(shù)，涵蓋了各種目標(biāo)控制條件。42Tolerancing（公差分析）ZEMAX可以對(duì)光學(xué)面的參數(shù)和群組的參數(shù)進(jìn)行公差分析。它提供了二種公差分析模式：(1)sensitivity（靈敏度）：給定結(jié)構(gòu)參數(shù)的公差范圍，計(jì)算評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的影響，(2)inversesensitivity（反向靈敏度）：給出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)量的允許變化范圍，反算出結(jié)構(gòu)參數(shù)的公差。43結(jié)果報(bào)告可以給出各種數(shù)據(jù)的結(jié)果報(bào)告，可以是圖形、曲線或表格的形式：(1)surfacedata(2)systemdata(3)prescriptiondata(4)reportgraphic可以輸出零件圖、固體圖或網(wǎng)格圖?？梢暂敵鯯AT/STEP/IGES等文件格式。44其他包含有很多公司的玻璃材料庫，可以進(jìn)行鍍膜分析，可以編輯薄膜，可以進(jìn)行熱分析，可以進(jìn)行偏振光計(jì)算，可以進(jìn)行物理光學(xué)分析和計(jì)算，可以進(jìn)行樣板比對(duì)。45Solves46Whataresolves?Solves是ZEMAX中可以主動(dòng)調(diào)整特定值的功能。可以為curvatures（曲率）,thicknesses（厚度）,glasses（玻璃）,semi-diameters（口徑）,和parameters等參數(shù)指定solve。Solves的設(shè)置，只需要在希望放置solve功能的欄中點(diǎn)右鍵或雙擊左鍵就可以了。47Analysis

像質(zhì)評(píng)價(jià)與分析48像質(zhì)評(píng)價(jià)與分析※ZEMAX提供了豐富的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)小像差系統(tǒng)的波像差、圓內(nèi)能量集中度；評(píng)價(jià)大像差系統(tǒng)