1、1、光学设计软件概述2、ZEMAX 基本培训光学设计软件概述光学设计软件按界面分类 1、命令行界面（DOS时代，COM） 国内：SOD88，GOLD，CAOD，ABOCA ； 国外：TOLES，CODE V 2、图形界面（GUI，即 Graphic User Interface） 包括了当今所有光学设计软件按光学系统分类 1、成像系统设计软件：ZEMAX / OSLO 只解决光信息的传递，不关心实际光能量的分布； 2、非成像系统设计软件：Light Tools / TRACEPRO / ASAP 只关心实际光能量的分布，不解决光信息的传递； 项目成像设计软件非成像设计软件建模方式序列元件（光学
2、面） 非序列元件（实体）计算方式考虑光学面顺序不考虑元件的顺序所计算光线数较少（几万条）很多（几千万条）对电脑要求一般很高仿真程度实际系统的简化最接近真实光线仿真数学方法最优化法,解析法统计法（Monte Carlo）优化能力强差两类设计软件的比较成像光学软件是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一体的综合性光学设计仿真软件。 是Optical Research Associates公司开发的大型光学设计软件，历史最悠久、功能非常强大，价格相当昂贵。是Optical Software for Layout and Optimization的缩写，最初是美国Rochester
3、大学为教学而编制，后来由美国Lambda Research Corporation 公司推向市场。非成像光学软件nASAP 是Advanced Systems Analysis Program（高级系统分析程序）的缩写，由美国 BRO（Breault Research Organization）公司推出，是世界上最早的非成像光学软件。分析功能强大，是光学系统定量分析的业界标准。RACEPRO 是第一套以符合工业标准的 ACIS（固体模型绘图软件）为核心所发展出来的光学软件。最初是为美国NASA卫星计划开发，后由美国Lambda Research Corporation公司商品化，开始走向市场，
4、它是结合真实固体模型来作光学分析的。nLightTools 美国ORA公司推出的非成像系统设计软件，具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，包括核心模块、照明模块和资料交换三个主要模块。ZEMAX ZEMAX 概述概述ZEMAX ZEMAX 特点特点n美国 ZEMAX（原Focus）公司开发、将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差及数据输出集成为一体的综合性光学设计仿真软件。n可建立反射、 折射、衍射及散射等光学模型；n有丰富的资料库(ZEBASE)，有镜头、光学材料及样板数据；n界面直观、简单易学、系统要求低n应用广泛、市场占有率高n三种不同的版本 ZEMAX-SE（标准版） ZEMA
5、X-EE（专业版） ZEMAX-XE（完整版）ZEMAX ZEMAX 主要功能主要功能(1)分析 提供多功能的分析图形，对话窗参数选择，可将分析图形存成图形文件(BMP、JPG)，也可存成文本文件。(2)优化表栏式merit function参数输入，对话窗预设merit function参数；提供多种优化方式：Local Optimization局部优化可以快速找到佳值，Global/Hammer Optimization则可找到全局最优的参数。(3)公差分析表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数。(4)报表输出多种图形报表输出，可将结果存成图形文件或文本文件。
6、ZEMAX ZEMAX 算法简介算法简介Ray tracing方式Ray tracing方式ZEMAX ZEMAX 界面类型界面类型ZEMAX有4种主要类型的用户界面nEditors：定义和编辑光学面和其他数据；nGraphic windows：显示图形数据；nText windows：显示文本数据；nDialog boxes：编辑和回顾其他窗口或系统 的数据、报告错误信息等。EditorsnLens Data Editor：输入各项透镜数据nMerit Function Editor：优化函数设定nMulti-Configuration：多重结构参数定义nTolerance Data Edi
7、tor：公差分析函数设定nExtra Data Editor：附加数据nNon-Sequential Components Editor：输入非序列描光组件 EditorsGraphic and Text windowsnZEMAX有些功能(如layout)只支持图形,有些只支持文本(如Seidel像差系数),有的两种格式都支持（如fan plot）；n如果两种格式都支持，则一般先图形输出，如果需要显示text的内容，需要点击菜单栏中的“Text”；有些功能只支持图形有些功能只支持图形, , 有的图形和文本都支持；有的图形和文本都支持；Graphic and Text windows图例图例点
8、击点击TextText菜单栏，可以显示图形窗口中的文本信息。菜单栏，可以显示图形窗口中的文本信息。 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：nAnnotate：往图形上加lines,boxes,text；nCopy clipboard: 将内容拷贝到剪切板中；nExport: 将内容转换为WMF，EMF，JPG，BMP文件保存；nLock: 锁定窗口；nClone: Clone窗口；nAspect ratio: 设置窗口的长宽比；nActive cursor: 对图形窗口显示鼠标所指位置的数据；nConfiguratio
9、n: 选择要显示哪个结构的数据；nOverlay：不同图形重叠显示；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：nCopy clipboard:将内容拷贝到剪切板中；nSave: 保存ASCII TXT文件；nLock:锁定窗口；nClone:Clone窗口；nConfiguration:选择要显示哪个结构的数据；ZEMAX的大部分图形和文本窗口都有设置对话框ZEMAX ZEMAX 基本操作基本操作n系统数据输入n透镜数据输入n像质分析与评价n像质优化n公差分析n数
10、据输出ZEMAX 操作步骤操作步骤System aperture typesField points 示例nZEMAX ZEMAX 最多允许定义最多允许定义1212个波长（单位为微米）个波长（单位为微米）n必须指定主波长，权重可以不同。必须指定主波长，权重可以不同。透镜参数输入透镜符号规则Surface typen双击Surf:type栏即可设定n提供近70种光学面型，包括：平面、球面、非球面、光锥面、轮胎面、二元光学面、双折射、全息衍射元件、波带片及光栅（变周期和固定周期）n提供用户自定义光学面：用户按语法规定，以C+语言编写DLL文件，存入ZEMAX数据夹中即可使用。n光学系统建模或分析时
11、常引入虚拟面paraxial和coordinate breakAsphere（非球面）（非球面）Even Asphere（偶次非球面）（偶次非球面）Odd Asphere（奇次非球面）（奇次非球面）Paraxial（近轴面）（近轴面）nParaxial相当于一个没有厚度的理想薄透镜，用于分析和优化出射光满足准直要求的光学系统。nFocal Length及OPD Mode参数的设定： 1）OPD Mode =0适用于小像差系统（5 Wave） 2）OPD Mode =1适用于光束有像差且F/#低（fast beam）系统，或者是非共轴系统nOPD Mode =1时的计算速度比OPD Mode =
12、0慢得多Coordinate Breakn是一个虚拟的平面，根据当前系统定义一个新的坐标系n需要六个参数来描述： - 偏移（X/Y-decenter） - 倾斜（tilt about X/Y/Z） - 顺序（order 0或非0）Order0： decenter X/Y 、tilt Z/Y/X；Order0： tilt X/Y/Z、decenter X/Y关于关于 SolvesnSolves 是ZEMAX中可以主动调整特定值的功能 n可以为下列参数指定solve 1）curvatures（曲率） 2）thicknesses（厚度） 3）glasses（玻璃） 4）semi-diameters（
13、口径） 5）parameters n在希望设置solve功能的栏中点右键或双击左键即可CurvaturesThicknessGlassAnalysis 分析功能分析功能nZEMAX提供了丰富的像质评价指标： 1）评价小像差系统的波像差、圆内能量集中度 2）评价大像差系统的点列图、弥散圆、MTF、PSF 3）评价几何像差，可给出Seidel和ZERNIKE系数n可以进行扩展光源的分析n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。像质评价指标像质评价指标nLayout：系统2D及3D图形nFans：扇形图（几何像差/nSpot Diagram：点列图/弥散斑nMT
14、F：调制传递函数nPSF：点扩展函数nWavefront：波像差nIllumination：照度分析nMiscellaneous：场曲/畸变/球差/色差等几何像差n像差系数：Seidel和ZERNIKE系数nCoating：镀膜分析Optimization 最优化最优化nOptimization是ZEMAX最重要的功能之一。nZEMAX的最优化方式有两种 1）Local Optimization：局部最优化，可以快速找到佳值 2）Global/Hammer Optimization：全局最优化，运算时间长n优化前需设定变量(Variable parameters)，光学系统中的任意参数都可以设
15、定为变量，包括曲率、厚度、光学材料、conic constants, tilt angles,甚至视场及波长。n用Operands（操作数）定义Merit function，通过比较MF值来评价系统的好坏。n一般用迭代（iterative）的方法，为变量选定起始点和优化算法，迭代地改变变量值，以找出最小的MF值。优化函数优化函数nZEMAX可以对光学面和群组的参数进行公差分析n它提供了两种公差分析模式： 1）sensitivity(灵敏度)：给定结构参数的公差范围，计算评价公差对像质的影响 2）inverse sensitivity（反向灵敏度） ：给出评价标准量的允许变化范围，反算出结构参数的公差。nReports菜单栏可输出图形和文本数据到剪贴板，再到其它Windows应用程序，如：Excel、Word等；nTool菜单栏中的Export Data命令可输出至CAD程序：支持DXF/IGES/STEP/SAT/STL(3D solids/lines)格式；
