Zemax软件设计教程.

ZEMAX光学软件课程ZEMAX简介ZEMAX是一个使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。ZEMAX的光学设计功能体现在使用序列模式设计传统的光学成像系统，平衡优化成像系统的像差，分析评价成像质量，给光学系统分配合适的公差等方面。ZEMAX的仿真功能体现在使用非序列模式、物理光学传播、热分析等功能模拟和仿真实际的光学系统方面。ZEMAX有三种版本：ZEMAX-SE（标准版）、ZEMAX-XE（扩展版）、ZEMAX-EE（工程版）。只有ZEMAX-EE的功能最为全面。ZEMAX应用ZEMAX可以用于相机镜头、望远镜、显微镜、照明系统、显示系统、干涉仪、光通讯器件等各光学系统的设计和仿真ZEMAX软件和使用手册都不会教您如何设计镜头和光学系统。ZEMAX功能是很强大，但是把握和引导光学系统的设计、优化方向，判断系统性能的只能是你。如果你对光学设计感兴趣，推荐书单：ZEMAX不能做什么？作者书名袁旭沧/张以谟光学设计/应用光学JosephM.GearyIntroductiontolensdesign:withpracticalZEMAXexampleGregoryHallockPracticalComputer-AidedLensDesignR.E.FischerOpticalsystemdesignSmith，WarrenModernLensDesignLaikinLensDesign使用ZEMAX的三种方式Completelysequential：*应用于传统的镜头设计和大多数的成像系统*应用这种模式时不能进行散射和鬼象分析Hybridsequential/non-sequential*应用于有很多序列元件，又有一些非序列元件（比如棱镜或光管）的系统*必须使用“ports”作为光线进出非序列元件组的端口Completelynon-sequential*应用于照明、散射和杂光分析。光线沿任何物理上有效的路径传输*这种模式下非序列元件不使用“ports”Completelysequential•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TolerancingZEMAX的用户界面ZEMAX的用户界面有四种允许输入和分析系统数据的窗口：•Editors定义和编辑光学表面和其他数据•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，或者用来报告错误信息和其他的一些目的。ZEMAX的主窗口（1）文件菜单（File）：用于文件的打开、关闭、保存、重命名。（2）编辑菜单（Editors）：用于打开或关闭编辑器。（3）系统菜单（System）：用于确定整个光学系统的属性。（4）分析菜单（Analysis）：不能改变镜头数据，只是从给定的镜头数据中计算出结果，用数字或图形表示。这些结果包括轮廓图、像差曲线图、点列图、衍射计算等等。（5）工具菜单（Tools）：可以改变镜头数据或对整个系统进行复杂的计算。这些包括优化计算、公差、套样板、执行宏语言程序等。（6）报告菜单（Reports）：用文本方式记录镜头设计结果。（7）宏指令菜单（Macros）：用于编辑和运行目录文件。（8）扩展命令菜单（Extensions）：用于扩展命令功能，这是ZEMAX的编辑特性。（9）帮助菜单（Help）：提供在线帮助。文件菜单（File）EditorsZEMAX中的editors本质上是为满足透镜设计程序而专门设计的电子数据表：•LensDataEditor输入基本的镜头数据，包括表面编号、注释、表面类型、表面曲率半径、厚度、玻璃、口径半径、二次常数、热膨胀系数和膜层数据•MeritFunctionEditor在这里定义和编辑优化函数•Multi-ConfigurationEditor给变焦距透镜和其它的多结构系统定义参数变化表•ToleranceDataEditor定义和编辑公差•ExtraDataEditor一个扩展的透镜数据编辑器，为那些需要很多参数才能定义的表面准备的，比如表面类型Binary2•Non-SequentialComponentsEditor在这里定义光源、光学对象、探测器Editors1.镜头数据编辑器（LensDataEditor）1.插入/删除面数据（Insert/DeleteSurface0),2.输入面注释（EnteringSurfaceComments),3.输入半径数据（EnteringRadiusData）4.输入厚度数据（EnteringThicknessData）5.输入玻璃数据（EnteringGlassData）6.输入半径数据（EnteringSemi-Diameter)7.输入二次曲面数据（EnteringConicData）8.确定光阑面（DefiningtheStopSurface）、9.选择面型（SelectingSurfaceType）10.各面通光口径的确定（SpecifyingSurfaceAperture）11.设置和撤销求解（SettingandRemovingSolves）12.LDE窗口的菜单选项（MenuOptions）EditorsGraphicandTextwindowsZEMAX的图形和文本窗口都为评价和分析光学系统的性能提供了有力的帮助。ZEMAX的有些功能只支持图形窗口（比如layout，3Dlayout），有些功能只支持文本窗口（如SystemData，PrescriptionData，RayTrace，SeidelCoefficients），有些功能既有图形窗口也有文本窗口（如RayFan，OPDFan，SpotDiagram）对于后者，除了图形窗口，如果你要查看文本窗口的内容，点击菜单栏中的“Text”用来编辑其他窗口或系统的数据，比如General，FieldData，WavelengthData，GlassCatalog，LensCatalogs……Dialogboxes序列模式这种模式下的光学设计和仿真可按照下列步骤进行：1.输入系统数据2.输入透镜数据/修改透镜数据3.检查、分析模型，考虑是否修改透镜数据或者考虑优化方向4.优化、评价模型性能5.公差分析6.出报告、画工程图设计过程中，第3步的结果不好的话，你可能需要返回到第2步重复设计；第4步完成后达不到期望的性能，也需要返回到第2步重复设计，直到设计结果能满足需求；但是即便如此，你也只得到了一个停留在纸上的设计方案，只有在进行了公差分析，证实这个设计是可以加工和装配的，设计才算基本完成，否则还是要回到第2步重复整个过程。数据编辑器系统数据需要设置三个Dialogboxes：General(Gen)-通常需要设置孔径类型、孔径大小、透镜长度单位、玻璃库等FieldData(Fie)-选定视场角的类型，设置视场角大小WavelengthData(Wav)-入射需要用到的波长，以及权重，设定哪个波长是参考波长GenAperture决定了系统的入光量的多少。EPD--入瞳直径；ImagespaceF/#--无限物距时，象空间的近轴F数；ObjectspaceNA--有限物距时，物空间数值孔径；FloatByStopSize--根据孔径光阑的大小变化；ParaxialWorkingF/#--无限远或有限远物距时，象空间的近轴工作F数；ObjectConeAngle—有限物距时，物空间边缘光线与光轴的夹角容易混淆的概念：ImageSpaceF/#；ParaxialWorkingF/#;WorkingF/#ParaxialWorkingF/#：WorkingF/#：ParaxialWorkingF/#计算公式中的θ是近轴边缘光线与光轴的夹角；WorkingF/#计算公式中的θ是实际边缘光线与光轴的夹角WorkingF/#=1/[2sin(5.76436)]=4.97822391ParaxialWorkingF/#=1/[2tan(arccos(0.9950372))]=5.00000496FieZEMAX支持4种不同视场形式：Fieldangle:XZ和YZ平面上主光线与Z轴的夹角。常用于无限共轭系统。Objectheight:物面上X，Y高度。常用于有限共轭系统。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。用于需要固定像幅的设计中（如cameralenses）。VDX,VDY,VCX,VCY,VAN是用来设置渐晕因子的WavZEMAX最多允许定义12个波长，必须指定参考波长，可以根据不同波长的重要性，设定不同的权重。波长的单位为微米。Select-〉功能可以选择多种默认的波长LensDataEditor一定存在的3个表面：OBJ、STO和IMA可以随意插入更多的表面每个表面都包括的数据有：表面类型、注释、曲率半径、厚度、玻璃牌号、表面的半口径、二次常数、保留的参数0-12、热膨胀系数和膜层参数表面数据的符号规则：曲面左凸为正，右凸为负；高度向上为正，向下为负；角度从光线向光轴，顺时针锐角为正，逆时针为负；厚度向右为正，向左为负表面数据的符号规则+z+y单个透镜的例子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练习：在ZEMAX中输入一个入瞳直径33.33mm的双高斯镜头。视场角设定0度、10度、14度，采用波长0.486，0.587，0.656，参考光为0.587，Layout如下：表面的曲率半径依次为54.15，152.52，35.95，infinity，22.27，infinity，-25.68，infinity，-36.98，196.42，-67.148；玻璃和空气间隙的厚度依次为：8.75，0.5，14，3.78，14.25，12.42，3.78，10.83，0.5，6.85，57SurfaceType1.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。常用的分析诊断工具外形图1.二维外形图（2DLayout）外形图2.三维外形图（3DLayout）3.阴影图（ShadedModel）外形图4.元件图（ZEMAXElementDrawing）外形图Rayfanplot光线扇面图是分析几何像差的有力工具，值得好好学习和分析。光线扇面图的坐标轴是如何定义的？有什么意义呢？归一化的物、入瞳坐标。通过入瞳某一坐标【PX，PY】的光线在像面上有唯一的位置【EX、EY】，以PX、PY为横坐标，EX、EY为纵坐标，分别建立坐标系，把通过入瞳的光线都在坐标系里描点就得到了光线扇面图离焦、球差、彗差、象散的rayfanplot纯离焦的光线扇面图。只存在离焦时的光线扇面图中曲线是两条方向一致的倾斜直线，直线的斜率可正可负，取决于是正离焦还是负离焦纯球差的光线扇面图。从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率为0，表明像面正好是近轴像面，没有离焦。曲线整体上来说斜率为负，表示球差欠校正。球差和离焦的光线扇面图。从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率不为零，表明像面不在近轴像面，存在离焦。经过一个拐点向下的一段曲线说明还