1、 光学设计软件光学设计软件ZEMAX简介简介 赵晨光什么是什么是ZEMAX？o 设计工具，助手设计工具，助手o ZEMAX是一个用来模拟、分析和辅助设是一个用来模拟、分析和辅助设计光学系统的程序计光学系统的程序。o 同类型的光学设计软件还有同类型的光学设计软件还有Code V，Tracepro，Oslo等。等。ZEMAX特点特点o 界面友好，容易上手，资料丰富界面友好，容易上手，资料丰富o 可建立反射、折射、衍射及散射等模型可建立反射、折射、衍射及散射等模型o 可进行偏振、镀膜和温度、气压等分析可进行偏振、镀膜和温度、气压等分析o 有强大的像质评价和分析功能有强大的像质评价和分析功能o 丰富的
2、资料库，大量现成的镜头和玻璃、样丰富的资料库，大量现成的镜头和玻璃、样板数据，可供用户选择。板数据，可供用户选择。ZEMAX界面o ZEMAX是焦点公司的产品，在大陆的代理是焦点公司的产品，在大陆的代理商是讯技光电科技商是讯技光电科技(上海上海)有限公司。有限公司。o 共有三个版本共有三个版本Zemax-se (标准版标准版)Zemax-xe (完整版完整版)Zemax-ee (专业版专业版)o ZEMAX能够辅助你设计光学系统，但不能够辅助你设计光学系统，但不能教你如何去进行镜头或光学系统的设计，能教你如何去进行镜头或光学系统的设计，更不能自动智能设计。更不能自动智能设计。o 用用ZEMAX
3、进行设计需要你的光学设计知进行设计需要你的光学设计知识和经验。识和经验。 参考书目参考书目o 几何光学几何光学.像差光学像差光学.设计设计 李晓彤著李晓彤著 浙江大学出版社浙江大学出版社 o 工程光学设计工程光学设计 萧泽新著萧泽新著 电子工业出版社电子工业出版社o 工程光学基础工程光学基础 徐家骅著徐家骅著 机械工业出版社机械工业出版社o 应用光学应用光学 安连生著安连生著 北京理工大学出版社北京理工大学出版社o 工程光学工程光学 郁道银、谈恒英著郁道银、谈恒英著 机械工业出版社机械工业出版社ZEMAX界面系统孔径系统孔径o 决定入瞳大小，决定光学系统在物空间收集决定入瞳大小，决定光学系统在
4、物空间收集 多少光线多少光线o 孔径类型孔径类型 Entrance Pupil Diameter 入瞳大小入瞳大小Image Space F/# 像空间近轴像空间近轴F数数(f/D)Object Space Numerical Aperture 物空间边缘光线数值孔径物空间边缘光线数值孔径Float by Size 入瞳大小由光栏半径决定入瞳大小由光栏半径决定Paraxial working F/# 像空间近轴工作像空间近轴工作F数数(1/2ntg)Object Cone Angle 物空间边缘光线的半角物空间边缘光线的半角 设定视场（设定视场（Field)可以设置可以设置12个视场，可以是下
5、面四种形式：个视场，可以是下面四种形式：物方视场角（物方视场角（Angle(Degree)）物高（物高（Object Height）近轴像高（近轴像高（Paraxial Image Height）实际像高（实际像高（Real Image Height）工作波长（工作波长（Wave）o ZEMAX最多可以定义最多可以定义12个工作波长。个工作波长。o 必须设定一个主波长（必须设定一个主波长（Primary,也称作参也称作参考波长），它是用来计算系统的考波长），它是用来计算系统的effective focal length, system apertures, F/#等数值。其它波长可用来计算色差
6、。等数值。其它波长可用来计算色差。o 根据不同波长的重要性，权重可以不同。根据不同波长的重要性，权重可以不同。o 波长单位为微米。波长单位为微米。镜头数据镜头数据面形面形 注释注释 曲率半径曲率半径 厚度厚度 材质材质 孔径孔径 镀膜镀膜练习练习o 目的：练习如何建立初始结构、设定视场和目的：练习如何建立初始结构、设定视场和工作波长。工作波长。o 题目：建立一个单透镜，入瞳直径题目：建立一个单透镜，入瞳直径20mm，两个面的曲率半径分别为两个面的曲率半径分别为50mm，-70mm，中心厚度为中心厚度为4mmo 视场视场0，7，10度度o 波长：可见光波长：可见光o 玻璃材料：玻璃材料：BK7例
7、子例子：双胶镜头设计双胶镜头设计双胶镜头是个比较好的练习：双胶镜头是个比较好的练习：o几乎所有光学设计都有双胶合透镜，其中一块正透镜常用冕玻璃，负几乎所有光学设计都有双胶合透镜，其中一块正透镜常用冕玻璃，负透镜用火石玻璃，透镜用火石玻璃，o通过正确选择玻璃，可以校正通过正确选择玻璃，可以校正 球差、彗差和轴向色差，球差、彗差和轴向色差，o有些设计，可以通过将单透镜分裂为双胶合透镜得到改进。有些设计，可以通过将单透镜分裂为双胶合透镜得到改进。双胶合透镜包含的结构参数有：双胶合透镜包含的结构参数有：o3个曲率半径，个曲率半径，o3个厚度值，个厚度值，o2种玻璃的折射率和种玻璃的折射率和V-numb
8、er，o光栏的位置。光栏的位置。设计要求设计要求o 用用F，d, C光光o EPD=50mmo F/8o FOV=10度度o 最小的边缘最小的边缘/中心厚度为中心厚度为4mm，最大中心厚度为最大中心厚度为18mmo 使用合适的标准使用合适的标准o 选择合适的玻璃选择合适的玻璃设计过程设计过程o定义系统的孔径定义系统的孔径o定义视场和波长定义视场和波长(各各3个个)o定义正确的面数定义正确的面数o增加增加F/# solveo假定初始玻璃为常用的冕玻璃和火石玻璃：假定初始玻璃为常用的冕玻璃和火石玻璃：BK7和和F2o建立优化函数，用建立优化函数，用RMS spot radius优化优化o增加边界约
9、束条件增加边界约束条件o优化玻璃优化玻璃第一步：系统第一步：系统General data设置设置o选择选择“Gen”按钮，在按钮，在aperture type中选择中选择Entrance pupil diameter，Aperture value为为50。第二步：视场和波长的设置第二步：视场和波长的设置o点点“Fie” 和和“Wav”按钮，按钮，o视场角为视场角为0，7，10三个，三个，o波长直接选择可见光。波长直接选择可见光。第三步：建立第三步：建立surface datao 建立建立6个面，包括个面，包括Obj, Stop,3 lens和和image surface。o 输入玻璃牌号，前面
10、为输入玻璃牌号，前面为BK7,后面为火石后面为火石F2。第四步：为第四步：为F/#添加添加Solve在光学面在光学面4的的curvature上，增加上，增加solve：o将将surface 4的的radius栏上点右键，栏上点右键，o选择选择F/#的的solve type，输入其值为输入其值为8 ，oZEMAX会自动调整这个面的曲率半径的值。会自动调整这个面的曲率半径的值。第五步：建立优化函数第五步：建立优化函数o打开打开EditorMerit function，o打开打开Default merit function对话框，选择对话框，选择RMS spot radius作为优作为优化数据，加入
11、边界约束条件。化数据，加入边界约束条件。第六步：设置变量并优化第六步：设置变量并优化o将将2个曲率半径和个曲率半径和4个厚度都设置为变量，个厚度都设置为变量，o优化计算。优化计算。o结果的结果的2D layout和和ray fan如下：如下：第七步：分析第七步：分析o哪些像差已经校正了？哪些没有校正？哪个是主要的像差？光哪些像差已经校正了？哪些没有校正？哪个是主要的像差？光栏的位置如何？栏的位置如何？o本设计中：本设计中：o(1)不需要专门指定色差的目标值不需要专门指定色差的目标值o(2)缺省优化函数对轴上色差有比较好的校正缺省优化函数对轴上色差有比较好的校正o(3)将光栏向离开透镜的方向移动
12、，会引入横向色差将光栏向离开透镜的方向移动，会引入横向色差o(4)边界条件基本满足边界条件基本满足o(5)可以将可以将stop向透镜的方向移动，以减小横向色差。向透镜的方向移动，以减小横向色差。优化（Optimization）o Optimization是Zemax最重要的功能之一o Optimization是通过改变光学系统中的结构参数的值来提高系统的成像质量的。Zemax提供了默认的评价函数提供了默认的评价函数o Zemax提供了提供了200多种操作数（用多种操作数（用4个大个大写字母缩写组成），如写字母缩写组成），如EFFL，可以控制包，可以控制包括系统参数、像差、括系统参数、像差、MT
13、F、圆内能量集中、圆内能量集中度、光线约束、边界条件约束、玻璃材料的度、光线约束、边界条件约束、玻璃材料的范围等。范围等。Optimization使用建议使用建议o 在设计初期优化时不需要追迹所有视场和波在设计初期优化时不需要追迹所有视场和波长的光线，这样可以节省时间。长的光线，这样可以节省时间。o 使用视场点平衡使用视场点平衡o 使用使用solveo 尽可能用默认优化函数尽可能用默认优化函数o 要搞清楚哪些量在变要搞清楚哪些量在变o 用比较好的初始结构用比较好的初始结构使用视场点平衡使用视场点平衡o 选择适当的视场点数目，使视场划分为等面选择适当的视场点数目，使视场划分为等面积的圆环。积的圆
14、环。o 对比较小的视场，就用对比较小的视场，就用0，1两个视场两个视场o 对中等视场（小于对中等视场（小于20度），就用度），就用0，0.7和和1三个视场三个视场o 对大的视场，就用对大的视场，就用0，0.577，0.816和和1四个视场四个视场使用使用solveo 尽量用尽量用solve的功能的功能o 如：如：o 在曲率半径上用在曲率半径上用MRA或或F/#控制控制F/#或或EFLo 在厚度上用在厚度上用MRH控制焦点的位置控制焦点的位置o 用用Pick up 使不同面的对应量之间保持联系使不同面的对应量之间保持联系标题栏及快捷键标题栏及快捷键o 文件：用于镜头文件的打开、关闭等。文件：用于
15、镜头文件的打开、关闭等。o 编辑：用于调用其它的编辑窗口。编辑：用于调用其它的编辑窗口。o 系统：用于确定整个光学系统系统：用于确定整个光学系统的属性。o 分析：此功能不是用于改变镜头数据，而是根分析：此功能不是用于改变镜头数据，而是根 据这些数据进行数字计算和图像显示分析。据这些数据进行数字计算和图像显示分析。o 工具：用来改变镜头数据，可以从总体上对系工具：用来改变镜头数据，可以从总体上对系统进行计算。包括优化、公差、样板匹配等。统进行计算。包括优化、公差、样板匹配等。o 报告：提供镜头设计的相关文档。报告：提供镜头设计的相关文档。o 宏：用于编辑运行宏：用于编辑运行ZPL宏。宏。o 扩展
16、功能：提供扩展功能：提供Zemax提供的扩展功能提供的扩展功能。 文件菜单文件菜单使用使用session文件文件o 选中此项，则存储每个窗口的设置和它们在选中此项，则存储每个窗口的设置和它们在屏幕上的大小位置等所有信息。屏幕上的大小位置等所有信息。o 除了除了.ZMX文件外，还产生一个文件外，还产生一个.SES文件文件。两种光线追迹模式两种光线追迹模式o Sequential or Mixed Sequential/Non-Sequential Modeo 序列和混合序列与非序列模式序列和混合序列与非序列模式（共轴模式）（共轴模式）o Non-Sequential Modeo 非序列模式非序列
17、模式（非共轴模式）（非共轴模式）共轴模式（常用）共轴模式（常用）o以光学面来建构模型。以光学面来建构模型。o计算时考虑光学面之顺序。计算时考虑光学面之顺序。o各光学面只计算一次。各光学面只计算一次。o计算速度快计算速度快, ,时间短。时间短。o可作可作优优化计算化计算(Optimization) (Optimization) 及及公差分析公差分析(Tolerance)(Tolerance)非共轴模式非共轴模式o 以物件之观念建构模型。以物件之观念建构模型。o 无顺序之考虑。无顺序之考虑。o 对同一物件可同时计算穿透对同一物件可同时计算穿透, ,反射反射, ,吸收及散吸收及散射。射。o 需模拟大
18、量光线需模拟大量光线( (需较长时间需较长时间) )。o 最接近真实光线之行为。最接近真实光线之行为。o 无法作优化及公差分析。无法作优化及公差分析。编辑菜单编辑菜单o 镜头数据镜头数据o 评介函数评介函数o 多重结构多重结构o 公差数据公差数据o 附加数据附加数据系统菜单系统菜单o 通用数据通用数据o 视场视场o 波长波长o 下一重结构下一重结构o 最后结构最后结构分析菜单分析菜单o 系统外形图系统外形图o 扇形曲线图扇形曲线图o 点列图点列图o 调制传递函数调制传递函数o 点扩散函数点扩散函数o 波前波前o 表面表面o 均方根均方根o 包围圆能量包围圆能量o 照度照度o 像分析像分析o 双
19、目分析双目分析o 其它其它o 畸变系数畸变系数o 计算计算o 渐变折射率渐变折射率o 偏振偏振o 膜层膜层o 物理光学物理光学工具菜单工具菜单o 优化优化o 公差公差o 套样板套样板o 玻璃库玻璃库o 镜头库镜头库报表菜单报表菜单o 表面数据表面数据o 系统数据系统数据o 规格数据规格数据o 图形图形4/6报告报告表面数据表面数据o 包括表面和单元的光焦度、焦距、边缘厚度、包括表面和单元的光焦度、焦距、边缘厚度、折射率等信息。折射率等信息。系统数据系统数据o 包括光瞳位置与大小、倍率、包括光瞳位置与大小、倍率、F数等信息。数等信息。规格数据规格数据o 包含了镜头的几乎所有数据。包含了镜头的几乎
20、所有数据。o 包含总体数据、表面数据、表面细节、边缘包含总体数据、表面数据、表面细节、边缘厚度、多重结构数据、解答和变量、折射率厚度、多重结构数据、解答和变量、折射率数据、全局顶点、元素体积、数据、全局顶点、元素体积、F数、主点等数、主点等信息。信息。宏菜单和扩展菜单宏菜单和扩展菜单练习练习o 题目：光线通过一个透镜，遇到一个反射镜题目：光线通过一个透镜，遇到一个反射镜以后，反射回来，再次通过这个透镜。以后，反射回来，再次通过这个透镜。o 具体要求具体要求 物距物距100，光栏在反射镜上；，光栏在反射镜上； 透镜厚度透镜厚度10，玻璃为，玻璃为BK7，NA=0.1，两个面的曲，两个面的曲率半径初始值分别为率半径初始值分别为100，100 透镜到反射镜的距离为透镜到反射镜的距离为100 物高为物高为10，一个视场点；光源波长，一个视场点；光源波长0.55 对对spot radius进行优化进行优化 使用使用pick up保持曲率半径的一致保持曲率半径的一致
