Zemax软件设计教程-2(长春光机所)

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CIOMP.CASZEMAX光学软件培训课程(第二讲)中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS主要内容一、序列模式介绍二、将序列转换为非序列三、建立非序列模型四、单透镜设计五、离轴抛物面设计六、ZPL设计语言及实例中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS一、序列模式介绍序列模式下光线追迹（raytracing）的特点：•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中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS适用于传统成像系统设计，包括摄影物镜、望远镜、显微镜、光谱仪等。一、序列模式介绍中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS一、序列模式介绍序列模式下ZEMAX界面如图中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS一、序列模式介绍序列模式下layout参数设置对话窗口以zemax自带镜头为例SamplesSequentialObjectivesDoubleGauss28degreefield.zmx中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS一、序列模式介绍Spotdiagram中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS一、序列模式介绍参数设置中第一项“Pattern”定义光瞳面上的光线分布模式，默认为六角形（Hexapolar），还可以设置为方形或随机。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS一、序列模式介绍RayandOPDfan是分析光学系统几何像差常用的工具中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS注意：通过移动鼠标位置可以看到不同位置处的数据值这在分析菜单栏都是普遍适用的一、序列模式介绍中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS一、序列模式介绍MTF分析SamplesSequentialObjectivesCooke40degreefield.zmx中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CASExtendedsourcemodeling几何像分析可用于建模扩展光源，分析要用的分辨率，显示成像物体的外形，提供像方位的直观感受。一、序列模式介绍中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CASOff-axissystemsSamplesSequentialTiltedsystems&prismsTiltedmirror.zmx一、序列模式介绍中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CASSamplesSequentialTelescopesUnobscuredGregorian.zmx中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS二、将序列转换为非序列在对序列元件进行优化、分析、公差计算后，通常会将序列元件转换为非序列元件，进行进一步的光-机分析。例如杂散光分析。ZEMAX提供了一个方便的转换工具：ToolMiscellaneousConverttoNSCGroup中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CASSamples/Sequentia/lObjectives/Cooke40degreefield.zmx目标：将1~6面转换成非序列元件；在原像面位置加入一个非序列的探测器；加入一个非序列的光源表示物空间的轴上光束中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CASSTOP只在序列追迹中起作用，首先，将STOP移出我们需要转换的元件中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS在对话窗口中选择我们希望转换的表面，现在为2~7面得到包含非序列元件的混合模式中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS继续另一个例子，将光学系统转换成完全的非序列模式点选YES键中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS转换成完全的非序列模式后，将不再出现LDE窗口，而是非序列元件编辑窗口（Non-sequentialComponentEditor）打开3DLayout，如右图中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS第二步，插入一个非序列光源双击ObjectType，在出现的对话框中，Type一栏中选择SourceEllipse点击OK中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS进一步设置该表面的参数Zposition=-10(平行光入射，位置在第一片镜左侧即可)#LayoutRays=10#AnalysisRays=100000XHalfWidth=5YhalfWidth=5更新3DLayout中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS第三步，加入探测器部件Zposition=60.177XhalfWidth=0.01YhalfWidth=0.01#XPixels=100#YPixels=100重复上一步的过程设置如下参数中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS打开AnalysisDetectorDetectorViewer打开AnalysisDetectorRayTrace/DetectorControl此时，输出为空白窗口，需要进行一次光线追迹点击Cleardetector清除当前的数据之后点击Trace，ZEMAX将追迹我们设置的100000条光线中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS在DetectorViewer中的setting里确认如下设置，得到探测器上的辐照度分布中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS将其和序列模式下的轴上SpotDiagram图进行对比，可看出序列模式和非序列模式几何光线追迹的差别，我们发现两者形式相同。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS再来对比一下序列模式和非序列模式下的衍射计算Source#AnalysisRays:3000(reducedtospeedupthedetectortrace)DetectorDataType:1PSFWave#:2将光源及探测器参数做如下修改将DetectorViewer设置为coherentirradiance.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS三、建立非序列模型•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,要进行公差分析必须实用macro；这种情况下，可以对光线进行分光，散射，衍射，反射，折射。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS在这一部分，我们将学会用非序列模式建立如下的光学系统包含：filamentsourceparabolicreflectorplano-convexlensrectangularlightpipe中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS我们还将进行光线追迹分析光学系统不同位置处的光照度分布中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS打开ZEMAX，选择非序列模式在SystemWavelengths中设置波长为0.587µm中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS在SystemGeneralUnit选项卡中进行如下设置中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS在编辑窗口插入若干表面将第一个表面设置为抛物面反射镜点选StandardSurface并输入以下参数Material:MirrorRadius:100Conic:-1(parabola)MaxAper:150MinAper:20(centerholeinthereflector)中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS打开AnalysisLayoutNSC3DLayout中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS进一步创建光源，重复上一步中的操作选择SourceFilamentZposition:50(focusoftheparabolicreflector)#LayoutRays20#AnalysisRays5000000Length:20Radius5Turns10输入如下参数：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS更新3Dlayout中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS此时的光源方向为Z向，我们希望设置它为X向，需将其进行旋转中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS下一步，创建探测器，重复之前的步骤Zposition:800Material:BlankXHalfWidth:150YHalfWidth:150#XPixels:150#YPixels:150Color:1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS打开AnalysisDetectorsDetectorViewer注意！layout和detectorviewer进行的是独立的计算只有进行追迹后才能显示中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS在NSCShadedModelLayout中设置栏中点选“Colorpixelsbylastanalysis”中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS加入平凸透镜，在编辑窗口做如下修改RefObject:3ZPosition:10Material:N-BK7Radius1:300Clear1:150Edge1:150Thickness:70Clear2:150Edge2:150中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CASRefObject:4Zposition:650Material:BlankXHalfWidth:100YHalfWidth:100#XPixels:150#YPixels:150Color:1为了观察光束会聚情况，我们再加入一个探测器。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS打开新建立的DetectorViewer为了说明反射引起的能量损失在DetectorControl中点选UsePolarization中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS最后，建立一个RectangularLightpipeRefObject:-1Zposition:20Material:AcrylicX1HalfWidth70Y1HalfWidth:70Zlength:2000X2HalfWidth:70Y2HalfWidth:70在Detector#5之后插入一栏将其设置为RectangularVolume并输入如下参数点击YES中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CASRefObject:-1Zposition:0Material:AbsorbXHalfWidth:100YHalfWidth:100#XPixels:150#YPixels:150Color:1插入一个新的探测器中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Ciomp.CAS可以看出当前detector#7被设置在了RectangularLightpipe的前表面我们希望detec