搜索
Zemax在光学设计中的应用曾维友主要参考书目：•《光学设计》袁旭沧，科学出版社•《实用光学技术手册》王之江，机械工业出版社•《ZEMAX中文使用手册》光研科学有限公司讲解内容提要：•常用光学设计软件简介•ZEMAX用户界面•光学系统的建立举例•基本像差分析及像质评价•坐标断点•温度分析、多重结构、无热设计•样板测试及公差分析一.光学设计软件简介•成像光学设计：CodeV、OSLO、Zemax、SIGMA、LensView、SOD88、CIOES(长光)•照明光学设计：ASAP、TracePro、LightTool、ProSource、ODIS(浙大)•光学薄膜设计：TFCalc•激光腔体设计：LASCAD•光电器件设计：OPTISYS_DESIGN、BPM_CAD、OPTIAMP_DESIGN、FIBER_CAD、HS_DESIGN、FDTD_CAD、WDM_Phasar、IFO_GRATINGSCodeV•美国OpticalResearchAssociates推出的大型光学设计软件•适用于各种序列及非序列光学系统，广泛用于照相系统、光谱仪器、空间光学系统、激光扫描系统、全息平显系统、红外成像系统、紫外光刻系统等等•CodeV为用户提供了各种可能用到的像质分析手段，能够分析优化各种非对称非常规复杂光学系统•CodeV自带的专利库包含了多种镜头，可供用户在初始设计时选择•可以与多种机械CAD软件交换数据，可以输出多种标准加工图纸•有外部程序接口，用户可以用它根据需要对软件进行扩充和修改•成像领域中功能最强大，价格最高OSLO•用于照相机、通讯系统、军事\空间应用、科学仪器中的光学系统设计，在确定光学系统中光学元件的最佳大小及外形时具有突出优势•适用于序列及非序列系统•优点是以设计者为导向的设计风格，用户界面直观；功能强大精度高•灵活性强，其提供的CCL语言相对于其它光学软件更灵活ZEMAX•Zemax是美国zemax公司设计的专用光学设计软件包•可实现序列和非序列分析•用于光学组件设计及照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、绕射等光学模型•分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP,*.JPG等，也可存成文字文件*.txt•优化：表栏式meritfunction参数输入，对话窗式预设meritfunction参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用•公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义•报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件•功能不及CodeV、OSLO，但其简单易学，价格便宜，在国内用得比较广泛SOD88•北理工研究的光学设计软件，适用于共轴光学系统，系统可以是折、反或折反系统，系统中的面型可以是球面也可为非球面•主要功能：几何像差计算和图形输出；像差自动校正；公差计算；变焦系统设计等•总体上来说其功能和迭代收敛速度不及前述几种软件，但其价格便宜，还是值得推广LensView•光学设计数据库，囊括超过18,000个在美国和日本专利局申请有案的多样化的光学设计实例•能显示每一实例的空间位置，拥有设计者完整的信息、摘要等多种功能•能产生各式各样的像差图，做透镜的快速诊断，绘出这个设计的剖面图•用该软件为设计者寻找恰当的初始结构，便于快速的设计出符合技术指标的系统ASAP•功能强大，已成为工业界标准的光学设计软件•用于仿真汽车车灯光学系统、生物光学系统、相干光学系统、屏幕展示系统、光学成像系统、光导管系统、照明系统及医学仪器•是一个联结了几何光学和物理光学的全方位3D光学及机械系统的模型建立软件•可处理各种光学仿真分析，包括散射效应、衍射效应、反射效应、折射效应、光吸收效应、偏极光效应和高斯光速传导之模拟分析TracePro•普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析的光线仿真软件•应用领域：照明、导光管、薄膜光学、光机设计、杂散光分析、激光泵浦、背光模组、投影系统、汽车照明系统等等•处理复杂几何的能力，以定义和跟踪数百万条光线•图形显示、可视化操作、提供3D实体模型•可以导出主流CAD软件和镜头设计软件的数据格式LightTool•美国ORA公司研发的三维照明仿真软件•光机一体化设计：光学和机械元件的形状的描述可通过软件提供的基本实体模型实现。遮光罩、镜筒和产品结构的设计将得益于这种光机一体的考虑方法和非顺序光线追迹提供的大量信息•复杂光路设置：LightTools使多光路或折叠光路系统、带有棱镜或复杂曲面的系统的光路设置和视觉建模验证变得简洁。有了LightTools，设计人员完全可以摒弃过去为了简化问题而采用的一些传统技巧，如符号规则、用多通道定义模拟变焦功能、把反射镜和棱镜展开成平板、略去非光学面和机械结构的影响、人为简化光瞳形状，等等•杂光分析：非序列光线追迹功能可以直观地描述在系统中任意表面上或介质中发生的任何光学现象，如折射、反射、全反射、散射、多级衍射、振幅分割、光能损耗、材料吸收等，并根据需要自动实时衍生出多路光路分支。•照明系统设计分析：LightTools中可以精确地定义各种实际光源（如发光二极管、白炽灯、弧光灯、卤素灯等）的形状和发光特性，其计算结果与实际测量结果精确吻合。对非人眼接收的照明系统，可以把结果转换成辐射度单位。计算结果的输出形式可以是二维线图、等高线图、灰度图、伪彩色图或三维分布图。•应用实例：投影系统、平板显示器、仪表盘照明、内窥镜照明、报警灯、汽车前灯、车厢内部照明、指示牌照明等等TFCalc•TFCalc是一个著名的光学薄膜设计软件，用于设计和加工光学薄膜镀膜•许多光学元件需要多层膜系设计，如棱镜、显示器、眼镜片等。为了控制从X射线到远红外线的波长范围内的光的反射和透射，光学薄膜取决于它需要如何控制光的干涉和吸收，TFCalc让您轻松的设计出您的光学系统中光学元件所需的薄膜层LASCAD•LASCAD用于激光腔体的设计，德国研发•可分析温度和光学部件对固态激光的影响•LASCAD提供了介于热学和光学之间的复杂的多物理系统交互分析，这种分析用于被称之为热透镜效应的固态光学器件。这种效应的建模和它对光质量的影响以及装置和稳定性和光效率等对于激光共鸣器的分析和最优化是十分必要的OPTISYS_DESIGN•光通信系统仿真软件包，用于在大部分光网络物理层上绝大多数的光连接形式的设计、测试和优化•实现了强大的仿真环境和对与系统以及器件之间的层次等级的真实界定OPTIAMP_DESIGN•用于EDFA工程师估计从光器件搭配优化到系统互联和功率损耗的各个应用方面•应用：用于单信道或WDM网络的单一或多重放大器；反射的、分离信道区间、双向和增益带门限的放大器；环状线性光纤放大器；宽带光源•BPM_CAD：一种强大的，界面友好，应用于各种集成器件和光纤导波计算的计算机辅助设计软件包。•IFO_GRATINGS：用于带有光栅的集成或光纤器件建模的强大而界面友好的设计软件。许多远程通信和传感器的运转都是利用光栅来调节光导模式之间的耦合。客户只须简单的选择其中一项即可设定器件参数。•FIBER_CAD：为设计或使用光纤、光器件和光通信系统的工程师、科学家和学生们推出的，此软件包通用、强大，通过融合光纤色散、损耗和偏振模色散（PMD）各个模型计算所得的数值解来解决光纤模式传输问题•HS_DESIGN：通过基于物理层对异质结结构电学光学的特性仿真来协助半导体光器件的设计•FDTD_CAD：用于高级有源和无源光器件的计算机辅助设计•WDM_Phasar：提供了强大的针对基于AWG的光复用分用和路由器件的设计和建模工具。优越的图形用户界面（GUI），其作为核心的能用鼠标控制的布局设计器包含有一整套波导阵列模板以便最大限度的辅助设计二.ZEMAX概述•ZEMAX能做什么？ZEMAX是一个程序，它能够建模、分析以及辅助设计光学系统•ZEMAX不能做什么？ZEMAX只是一个工具，它不能教会你如何设计镜头和光学系统，使用工具的你才是设计师；ZEMAX不能取代工程实践，设计师的责任是检查ZEMAX模拟结果的合理性与可行性•ZEMAX是什么？ZEMAX是用光线追迹的方法模拟折射、反射和衍射的序列及非序列光学系统的透镜设计程序。ZEMAX用“面”的概念模拟序列光线追迹，用“组件”或“物体”的概念模拟非序列光线追迹。序列和非序列光线追迹有着本质的区别，ZEMAX中可以使用三种光线追迹方式：(1)纯序列模式用于传统透镜及多数成像系统设计(2)混合模式适于系统中有重要的序列端口和一些非序列元件(如棱镜、管道等)(3)纯非序列模式适于照明、散射、杂散光分析以及不需要端口的模型•序列光线追迹是指：光线从物面发出(通常是0面)，然后顺序地通过第一面、第二面…，直到像面为止。因此光线是可逆的。•非序列光线追迹光线按实际中传输过程向前传输，一条光线可能因折射、反射、散射、衍射变为多条光线Samples\Non-sequential\Raysplitting\Beamsplitter.zmx•ZEMAX在设计中考虑及忽略的是什么？ZEMAX中考虑的是：精确的光程；反射和折射；光程差和相位；像差和图像形态；偏振；薄膜的透过率和吸收率；散射；静态分光ZEMAX中忽略的是：透镜边缘的衍射（用物理光学计算除外）三．ZEMAX的用户界面ZEMAX是Windows平台上的视窗式用户界面，视窗的操作习惯与Windows平台相同，快捷键风格也与Windows相同3.1ZEMAX的视窗类型ZEMAX主要有五种视窗：•主视窗(ThemainWindow)主视窗是执行ZEMAX任务的控制中心，它包含了菜单栏、工具栏、标题栏等•编辑视窗(EditorWindow)ZEMAX中具有六种不同的编辑器：镜头数据编辑器(LensDataEditor)、评价函数编辑器(MeritFunctionEditor)、多重结构编辑器(Multi-configurationEditor)、公差数据编辑器(ToleranceDataEditor)、用于补充光学面数据的附加数据编辑器(ExtraDataEditor)、无序元件编辑器(Non-SequentialComponentsEditor)•图形视窗(GraphicWindows)主要有设计草图(Layout)、光线扇形图(Rayfans)、调制传递函数图(MTFPlots)、点列图(SpotDiagrams)等。•文本视窗(TextWindows)文本视窗用于显示文字资料，如详细数据、象差数据等•对话框(Diglogs)对话框是一种固定大小的跳出视窗(即不能用鼠标拖动变大或变小)。主要用于定义或更新视场(Fields)、波长（Wavelengths）、孔径（Apertures）、面型（Surfacetypes）等3.2主视窗的操作主视窗是ZEMAX打开后的弹出窗口，顶部有标题栏、菜单栏、快捷按钮，底部状态栏中有当前镜头的焦距（EFFL）、F数（WFNO）、入瞳直径（ENPD）、总长（TOTR）。标题栏菜单栏工具栏信息区主视窗中快捷按钮和状态栏内容可以由用户重新定义。菜单栏有：•文件（File）：用于镜头文件的打开(Open)、新建(New)、存储(Save)、重命名(Saveas)等，其中UseSessionFiles(使用场景文件)在打开一个新文件时，新的窗口会在其原始位置打开；Preferences允许用户设置窗口中文字大小，快捷键，状态栏内容等等；•编辑器（Editors）：是ZEMAX中所有编辑器打开或唤醒的汇总。通过该菜单可打开或唤醒Lensdataeditor、Meritfunctioneditor等。•系统（System）：用于更新或定义光学系统的光学特性数据，如相对孔径、视场与工作波长范围等等•分析（Analysis）：是ZEMAX中重要菜单之一，是象质评价与分析的主要工具。•工具（Tools）：也是ZEMAX的重要菜单之一，用于镜头的优化、玻璃库的管理、公差分