施密特-卡塞格林望远镜的设计(一)

施密特-卡塞格林望远镜的设计(一)

摘要 ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，包括光学设计需要的所有功能，

可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的

综合性程序。 ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。

关键字：光学，模拟

1．Zmax软件的介绍 ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的

设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其他软件不同的是 ZEMAX 的 CAD 转档程序都是双向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格

式都可转入及转出。而且 ZEMAX可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的成像系统和非

成像系统， ZEMAX 当前有： SE 及 EE 两种版本。序列性（ Sequential ）光线追迹大

多数的成像系统都可由一组的光学表面来描述，光线按照表面的顺序进行追迹。如相机镜头、望远镜镜头、显微镜镜头等。 ZEMAX 拥有很多优点，如光线追迹速度快、可以直接

优化并进行公差计算。 ZEMAX 中的光学表面可以是反射面、折射面或绕射面，也可以创

建因光学薄膜造成不同穿透率的光学面特性；表面之间的介质可以是等向性的，如玻璃或空气，也可以是任意的渐变折射率分布，折射率可以是位置、波长、温度或其它特性参数的函数。同时也支持双折射材料，其折射率是偏振态和光线角度的函数。在 ZEMAX 中所

有描述表面的特性参数包括形状、折射、反射、折射率、渐变折射率、温度系数、穿透率和绕射阶数都可以自行定义。非序列性（ Non-Sequential ）光线追迹很多重要的光学

系统不能用 Sequential 光线追迹的模式描述，例如复杂的棱镜、光机、照明系统、微表面反射镜、非成像系统或任意形状的对象等，此外散射和杂散光也不能用序列性分析模式。这些系统要求用 Non-Sequential 模式，光线是以任意的顺序打到对象上， Non-Sequential 模式可以对光线传播进行更细节的分析，包括散射光或部分反射光。在进行 Non-Sequential 追迹时，用 ZEMAX 做的 3D 固体模型的光学组件，可以是任意形状且支持散射、绕射、渐变折射率、偏振和薄膜，可用亮度学和辐射度学的单位。 Sequential 的光源

在 Sequential追迹中，光源由物面上的视场或Bitmap扩展光源定义。有常规的点光源，

视场点可由角度、物高、实际像高或近轴像高来定义；点光源可以用不同权重定义，还可以分别指定每个光源的渐晕，进而调整不同视场的相对照度或F/＃。ZEMAX也支持像散

或椭圆形状的二极体光源及扩展光源，这些光源允许使用者用ASCII码自行定义的，它类似于Bitmap图形，或用标准的Windows BMP或JPG格式而且各个象素上的光强度可以

是不同的。 Non-Sequential 光源 Non-Sequential 光源比 Sequential 光源复杂得多。

Non-Sequential 光源一般是三维的，可以定义其输出的照度（单位为瓦或流明），它可用

光源发出的光线数控制光源取样，还可分开控制显示的光线数及用于分析的光线数。它可以同时使用多个光源，它们可以是相干的（需定义相干长度）或非相干的，也可以是单色的或复色的。支持的光源有：点光源（ uniform, cosine, or Gaussian）、椭圆面或实体、

矩形面或实体、圆柱面或实体、半导体激光或数组、灯丝、自行定义(可以是任意的) 、以Radiant Imaging的Radiant SourceTM读取。玻璃、镜头和样板目录 ZEMAX提供的玻璃包括有Schott, Hoya, Ohara, Corning, 和Sumita（当前不包括中国玻璃），和红外材料、塑胶和自然材料（如硅）及双折射材料。目录里包括色散、温度分析、力度/酸、成本因

子和其它数据，所有数据都可以看到或是进行更改，另外可很方便地增加数据。当前存放的镜头数据厂家有: Coherent, CVI, Edmund Industrial Optics, Esco, Geltech, JML, LightPath Technologies, Linos, Melles Griot, Newport, NSG America, Optics for Research, OptoSigma, Philips, Quantum, Rolyn Optics, Ross Optical, and Spindler和Hoyer等，ZEMAX支持自动

进行样板比对，使用者还可以自行创建玻璃和样板库或是针对已有的数据库中添加数据。优化 ZEMAX使用最小阻尼二乘法，可使用默认或自定义的优化函数，也可同时对任意

数量的变量优化。在ZEMAX中有20个默认优化函数，包括使光点半径或波像差的peak-to-valley或RMS最小，可以预先定义控制目标数，包括像差系数等。ZEMAX可以优化系统中任何参数，包括曲率半径、厚度、玻璃、二次项系数和非球面系数、光机周期、孔径、波长、视场等。Non-Sequential的位置和参数也可以进行优化。ZEMAX拥有全域优化的

功能，可以给出一系列满足目标和限制的设计，ZEMAX支持2种全域优化：(1)search：

寻找新的设计形式，进行优化，然后找寻最佳的10个设计形式，直到使用者中断计算为止。(2)hammer optimization：完全寻找当前设计形式中较好的形式，Hammer优化用在

设计的最后阶段，以确定最佳可能设计形式，此二种算法使用相同的优化函数。公差分

析 ZEMAX默认的公差分析项目包括：曲率半径、厚度、条纹、位置、倾斜、离轴、局

部误差、折射率、Abbe数等，还可以自行定义公差，包括非球面系数、离心/倾斜、solve和参数公差等。定义的补偿器包括：焦距、倾斜、任意组件或表面或组的位置，还

可以选择公差评价标准，有RMS spot radius、RMS wavefront error、MTF、 boresight error或是更复杂的自定义标准。 Sensitivity 分析可单独考虑每个定义的公差，可将

参数调整到公差范围的极限，然后确定每补偿器的最佳值，最后可将每个公差的贡献列表输出。 Inverse Sensitivity 分析在定义系统最低效能后， inverse sensitivity分析叠代

计算每个参数的公差容限。 Monte Carlo 分析 Monte Carlo分析非常有用，功能也非常

强大，因为它同时考虑所有公差的影响。透过定义的公差生成一些随机系统，取用适当的统计模型，调整所有的补偿器，使每个参数随机扰动，然后评估整个系统性能的影响。

变焦和多重结构 ZEMAX支持变焦镜头分析和设计，可设计变焦镜头、扫描镜头、多光

路系统、透镜数组、干涉仪、分光镜等，可对多重结构同时进行优化，各结构是可有相同或不同的优化函数、变化和约束条件也可是相同或不同的。物理光学传播 Physical Optics Propagation (POP)不是用光线追迹而是用绕射计算的方法计算光线在光学系统中的