zemax光学设计软件初中高级教程

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:CodeV•Lambda: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：80~85%※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•LED•Laserdiode•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：＊ZEMAX—SE(标准版)＊ZEMAX—XE(完整版)＊ZEMAX—EE(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，XP200Mb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KEY64Mb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512MbWhatisZEMAX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。Purelysequential：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3Dshellorsolids；•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：NothingExitport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。ZEMAXEditorsGraphicandText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:DialogboxesZEMAX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。LensDataLensdata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nsinθ（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）。FieldpointsZEMAX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。