zemax软件培训 光学设计必看的经典资料

容易混淆的概念：Image Space F/#；Paraxial Working F/#; Working F/# Paraxial Working F/#： Working F/#：
Paraxial Working F/#计算公式中的θ是近轴边缘光线与光轴的夹角； Working F/# 计算公式中的θ是实际边缘光线与光轴的夹角 下面看一个例子：example for F-number.zmx
ZEMAX的仿真功能体现在使用非序列模式、物理光学传播、热分 析等功能模拟和仿真实际的光学系统方面。
ZEMAX有三种版本：ZEMAX-SE（标准版）、ZEMAX-XE（扩 展版）、ZEMAX-EE（工程版）。只有ZEMAX-EE的功能最为全 面。
使用ZEMAX的三种方式
Completely sequential： *应用于传统的镜头设计和大多数的成像系统 *应用这种模式时不能进行散射和鬼象分析
高斯切趾， 切趾因子3。 高斯函数 的傅立叶 变换还是 高斯函数
Fie
ZEMAX支持4种不同视场形式： Field angle: XZ和YZ平面上主光线与Z轴的夹角。常用于无限共轭系统。 Object height: 物面上X，Y高度。常用于有限共轭系统。 Paraxial Image height: 像面上的近轴像高。用于需要固定像的大小的设计中（只 用于近轴光学系统中） Real image height: 像面上实际像高。用于需要固定像幅的设计中（如camera lenses）。
Completely non-sequential
•所有object都是3D shell or solids； •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。
• Multi-Configuration Editor
给变焦距透镜和其它的多结构系统定义参数变化表
• Tolerance Data Editor
定义和编辑公差
• Extra Data Editor
一个扩展的透镜数据编辑器，为那些需要很多参数才能定义的表面准备的， 比如表面类型Binary 2
•Non-Sequential Components Editor
表面数据的符号规则
表面数据的符号规则：曲面左凸为正，右凸为负；高度向上为正，向 下为负；角度从光线向光轴，顺时针锐角为正，逆时针为负；厚度向 右为正，向左为负
+y
+z
球透镜的例子
在ZEMAX中输入一个直径5mm的球透镜，玻璃材料K9，Layout如下： 例子：ball lens.zmx
需要设定孔径类型、透镜长度单位、视场类型、使用的波长 需要在Lens Data Editor中插入表面，根据符号规则输入适当的参数 使用M-solve找到近轴焦平面
Completely sequential
•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surface 0） •按光学面的顺序计算（surface 0,1,2…），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
数据编辑器
系统数据
需要设置三个Dialog boxes： General (Gen) -通常需要设置孔径类型、孔径大小、透镜长度单位、玻璃库等 Field Data (Fie) -选定视场角的类型，设置视场角大小 Wavelength Data (Wav) -入射需要用到的波长，以及权重，设定哪个波长是参考波长
ZEMAX的用户界面有四种允许输入和分析系统数据的窗口：
• Editors
定义和编辑光学表面和其他数据
• Graphic windows
显示图形数据
• Text windows
显示文本数据
• Dialog boxes
编辑和回顾其他窗口或系统的数据，或者用来报告错误信息和其他的一些 目的。
Editors
Surface Type
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User Defined Surface。 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。
以object为对象建模 不限制光线与面相交的顺序
光线与同一个面可相交多次 光线不会分裂
镜面反射和漫反射 可以是全反射
在object外的光线也可进行光线追迹 object的位置由全局坐标确定 所有空间都是等价的 计算的光线多，计算速度慢
不能使用优化和默认的公差分析（可 用Macros分析公差）
• ZEMAX的用户界面
Hybrid sequential/nonsequential •所有object都是3D shell or solids；
•每个object都在一个空间坐标系中定义了其特性； •光线从input port进入non-sequential group；从exit port离开NS group； •光线在NSC中一直追迹，直到它遇到下列情况才终止： Nothing Exit port 能量低于定义的阈值。 •忽略NS group内的光源和探测器； •进入NS group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。
Gen
Aperture决定了系统的入光量的多少。 EPD--入瞳直径；Image space F/#--无限物距时，象空间的近轴F数；Object space NA--有限物距时，物空间数值孔径；Float By Stop Size--根据孔径光阑的大小变化； Paraxial Working F/#--无限远或有限远物距时，象空间的近轴工作F数；Object Cone Angle—有限物距时，物空间边缘光线与光轴的夹角
VDX,VDY,VC X,VCY,VAN 是用来设置渐 晕因子的
Wav
ZEMAX最多允许定义12个波长，必须指定参考波长，可以根据不同波 长的重要性，设定不同的权重。 波长的单位为微米。 Select-〉功能可以选择多种默认的波长
Lens Data Editor
一定存在的3个表面：OBJ、STO和IMA 可以随意插入更多的表面 每个表面都包括的数据有：表面类型、注释、曲率半径、厚度、玻璃 牌号、表面的半口径、二次常数、保留的参数0-12、热膨胀系数和膜 层参数
Hybrid sequential/non-sequential *应用于有很多序列元件，又有一些非序列元件（比如棱镜或光管）的系统 *必须使用“ports”作为光线进出非序列元件组的端口 Completely non-sequential *应用于照明、散射和杂光分析。光线沿任何物理上有效的路径传输 *这种模式下非序列元件不使用“ports”
对于后者，除了图形窗口，如果你要查看文本窗口的内容，点击 菜单栏中的“Text”
Dialog boxes
用来编辑其他窗口或系统的数据，比如General，Field Data， Wavelength Data，Glass Catalog，Lens Catalogs……
序列模式
这种模式下的光学设计和仿真可按照下列步骤进行：
Working F/#=1/[2sin(5.76436)]=4.97822391 Paraxial Working F/#=1/[2tan(arccos(0.9950372))]=5.00000496
切趾分布
General对话框中有一项设置apodization type----切趾分布，它实际 是定义了入瞳处的光照分布。
ZEMAX光学软件培 训课程
ZEMAX简介
ZEMAX是一个使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏 振的各种序列非序列光学系统的光学设计和仿真软件。
ZEMAX的光学设计功能体现在使用序列模式设计传统的光学成像 系统，平衡优化成像系统的像差，分析评价成像质量，给光学系 统分配合适的公差等方面。
练习：在ZEMAX中输入一个入瞳直径33.33mm的双高斯镜头。视场角设定0度、 10度、14度，采用波长0.486，0.587，0.656，参考光为0.587，Layout如下：
表面的曲率半径依次为54.15，152.52，35.95，infinity，22.27，infinity，-25.68， infinity，-36.98，196.42，-67.148；玻璃和空气间隙的厚度依次为：8.75，0，14， 3.78，14.25，12.42，3.78，10.83，0，6.85，57 例子：Double Gauss.zmx
序列模式和非序列模式的比较
序列模式
以surface为对象建模 指定光线与面相交的顺序 光线与每个面只相交一次
光线不会分光 镜面反射
光线不能超过临界角 通过孔径外的光线必须渐晕 Surface的位置由前一个面的参数确定 每个面都有物空间和像空间 计算的光线少，计算速度快
可进行优化和公差分析
非序列模式
1.输入系统数据
2.输入透镜数据/修改透镜数据
3.检查、分析模型，考虑是否修改透镜数据或者考虑优化方向
4.优化、评价模型性能
5.公差分析
6.出报告、画工程图
设计过程中，第3步的结果不好的话，你可能需要返回到第2步重复设 计；第4步完成后达不到期望的性能，也需要返回到第2步重复设计， 直到设计结果能满足需求；但是即便如此，你也只得到了一个停留在 纸上的设计方案，只有在进行了公差分析，证实这个设计是可以加工 和装配的，设计才算基本完成，否则还是要回到第2步重复整个过程。
Toroidal surface
环形表面是YZ平面的曲面绕平行于Y且过Z的轴线转动形成的。我们可 以利用Toroidal面来模拟柱透镜。 我们来模拟一个YZ平面曲率半径为5mm，厚度为2mm，K9玻璃的柱面镜， 它在XY面的投影为矩形，长6mm，宽4mm。
例子：Toroidal-y.zmx *注意Radius与Radius of Rotat的区别；注意Surface properties对话框中 Aperture的设置
在这里定义光源、光学对象、探测器
Graphic and Text windows
ZEMAX的图形和文本窗口都为评价和分析光学系统的性能提供 了有力的帮助。
ZEMAX的有些功能只支持图形窗口（比如layout，3D layout） ， 有些功能只支持文本窗口（如System Data，Prescription Data，Ray Trace，Seidel Coefficients），有些功能既有图形窗口也有文本窗 口（如Ray Fan，OPD Fan，Spot Diagram）
还是刚才的那个柱面镜，我们让它绕z轴转90度放置，使其在x方向有光 焦度，y方向没有光焦度，这用Toroidal如何模拟？例子：Toroidal-x.zmx
ZEMAX中的editors本质上是为满足透镜设计程序而专门设计的电子数据表：
• Lens Data Editor
输入基本的镜头数据，包括表面编号、注释、表面类型、表面曲率半径、 厚度、玻璃、口径半径、二次常数、热膨胀系数和膜层数据
• Merit Function Editor
在这里定义和编辑优化函数
Apodization type可以选择none，表示均匀照明；可以选择gaussion， 表示高斯照明；可选tangential，用来模拟点光源照明平面时照度 向外衰减的特性
建议一个近轴的光学系统，更改切趾的类型，观察FFT点传递函 数的图像。例子：apodization.zmx
均匀切趾， 圆形平顶 函数的傅 立叶变换 是贝塞尔 函数