ZEMAX与ANSYS动态数据交换的实现及其在光学设计中的应用研究
【ZEMAX光学设计软件操作说明详解】2-上
第十三章表面类型§1 简介ZEMAX 模拟了许多种类型的光学元件。
包括常规的球面玻璃表面，正非球面，环带，柱面等。
ZEMAX 还可以模拟诸如衍射光栅、“薄”透镜、二元光学、菲涅耳透镜、全息元件之类的元件。
因为ZEMAX 支持大量的表面类型，用常用的电子表格形式安排用户界面就比较困难。
例如，对于一个没有发生衍射的表面，开辟“衍射阶数”一列就没什么必要。
为了使用户界面尽可能不显得乱，ZEMAX 使用了不同的类型界面以便指出定义某一种类型的表面时，需要哪一些数据。
§2 参数数据一个标准的表面可以是一个紧随着一均匀介质（如空气，反射镜或玻璃）的平面、球面或圆锥非球面。
所要求的参数仅仅是半径（半径也可以是无穷大，使之成为一个平面），厚度，圆锥系数（缺省值为0，表示是球面），和玻璃类型的名字。
其他的表面类型除使用一些其他值外，同样使用这些基本数据。
例如，“偶次非球面”表面就是使用所有的“标准”列数据再加上八个附加值，这些附加值是用来描述多项式的系数的。
这八个附加值被称为参数，且被称为参数1，参数2，等等。
要理解的参数值的最重要特性是它们的意思会随着所选择的表面类型的不同而改变意思。
例如，“偶次非球面”表面类型用参数1 来指定非球面近轴抛物线项的系数，而“近轴”面则用参数1 来指定表面焦距。
两个表面同样使用参数1，但用途却不同，因为这两个表面类型永远不会同时在同一个面上使用。
数据存储的共享性简化了ZEMAX 界面，也减少了运行程序时所要求的总内存。
但由于你必须去记每一个参数的作用，是否这样的共享反而会使ZEMAX 用起来变得麻烦呢？回答是否定的，因为ZEMAX始终掌握着你所定义的每一面上的每一个参数代表什么的记录。
当你将一个表面从“标准的”改成其他的表面类型后，ZEMAX 会自动改变参数列的列头以使你知道你对表面上的每一个参数作了什么改动。
所有需要你做的只是在正确的格子中键入适当的数据。
当你将光标从一个格子移动到另一个时，列头会一直显示该格是用来作什么的。
ZEMAX光学辅助设计简明教程
ZEMAX光学辅助设计简明教程沈常宇中国计量学院光电子技术研究所目录第一章引言 (3)第二章ZEMAX的基本界面及文件菜单 (4)第三章编辑菜单 (6)第四章系统菜单 (12)第五章分析菜单 (17)第六章工具菜单 (29)第七章报告菜单 (36)第八章宏指令菜单 (38)第九章扩展命令菜单 (39)第十章表面类型简介 (40)第十一章设计优化实例 (46)第一章引言对于实际的光学系统来说，它的成像往往是非完善成像，对于怎样来判断一个光学系统的性能的优劣，是光学设计中遇到的一个重要问题.在当前计算机辅助科研、教学的迅猛发展过程中，计算机辅助光学系统设计已成为光学设计不可缺少的一种重要手段.其中，由美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件ZEMAX，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Sequential 及Non-Sequential的软件.其主要特色有分析：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merit function参数输入，对话窗式预设merit function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.但是，这里必须强调一点的是，ZEMAX软件只是一个光学设计辅助软件，也就是说，该软件不能教你怎么去进行光学设计，而只是能对你设计的光学系统进行性能的优化以达最佳成像质量.所以，在应用本教程进行光学辅助设计之前，您最好先学习一下光学设计的有关知识：首先是几何光学基础，几何光学是光学设计的基础.要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理，外形尺寸计算方法，了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程.实际光学系统大多由球面和平面构成.记住共轴球面系统光轴截面内光路计算的三角公式，了解公式中各参数的几何意义是必要的，具体公式可参考有关光学书籍，在此就不一一介绍了.对于平面零件有平面反射镜和棱镜，它们的主要作用多为改变光路方向，使倒像成为正像，或把白光分解为各种波长的单色光.在光学系统中造成光能损失的原因有三点：透射面的反射损失、反射面的吸收损失和光学材料内部的吸收损失.其次是像差理论知识，对于一个光学系统，一般存在7种几何像差，他们分别是球差、彗差、像散、场曲、畸变和位置色差以及倍率色差.另外，还必须了解一点材料的选择和公差的分配方面的知识，以及一些光学工艺的知识，包括切割，粗磨，精磨，抛光和磨边，最后还有镀膜和胶合等.第二章ZEMAX的基本界面及文件菜单§2.1 ZEMAX的基本界面ZEMAX的基本界面比较简单，如下图所示.包括一系列文件菜单和工具按钮.以及一个镜头数据编辑对话框.Zemax基本界面中有不同的窗口，各窗口有不同的用途，主要有：（1）主窗口：这个窗口有一个工作区和一个标题栏、一个菜单栏、一个工具栏.（2）编辑窗口：主要由透镜数据编辑窗口（LDE），优化函数编辑窗口，复合构造编辑窗口等组成.（3）图表窗口：用于显示数据、图表等，如设计布局图、扇型光线图等.（4）文本窗口：显示文本数据，如边缘厚度、像差系数等.下面将详细介绍各菜单及其子项的使用方法和功能：§2.2 文件菜单的各子项文件菜单的各子项如图所示.1.新建（New）目的：清除当前的镜头数据.说明：此选项使ZEMAX 恢复到起始状态.当前打开的窗口仍然打开，如果当前的镜头未保存，在退出前ZEMAX 将警告你要保存镜头数据.2.打开（Open）目的：打开一个已存在的镜头文件.说明：此选项打开一个新的镜头文件.当前打开的窗口仍然打开，如果当前的镜头未保存，在退出前ZEMAX 将警告你要保存镜头.3.保存（Save）目的：保存镜头文件.说明：此选项用于保存镜头文件，当将文件保存为另一名称或保存在另一路径下时，用“另存为”选项.4.另存为（Save as）目的：将镜头保存为另一名称.说明：此选项将文件保存为另一名称或保存在另一路径下.5.附加（Append）目的：将以前保存的镜头数据附加到当前镜头文件中.说明：这一选项同“打开”选项类似，但当前镜头数据并未覆盖.当选择文件附加后，ZEMAX 会提示新镜头插入面的数字，并为新数据让出空间.对话框中也有“Ignore Object”检验栏，缺省时将忽略新镜头的厚度.这样，新镜头数据将被附加在表面1 而不是表面0.虽然这一特性能保存许多键入的镜头，但是结果镜头包含一些特殊的表面，需稍加手工编辑达到希望的结果.6.环境（Environment）ZEMAX 允许使用一些能被设置和保存的选项，当ZEMAX 运行时，这些选项可被自动选择.主要配置文件是ZEMAX.CFG，这一文件能被删除，缺省时退回到启动配置.环境选项分为以下几组.7.退出（Exit）目的：退出ZEMAX.说明：如果镜头已被更改，ZEMAX 会提醒你保存镜头，否则，将终止程序.第三章编辑菜单编辑菜单（Editors）如下图所示：包括Lens Data，Merit Function，Multi-Config，Tolerance Data，Extra Data等.§3.1 镜头数据(Lens Data)镜头数据编辑器是一个主要的电子表格，将镜头的主要数据填入就形成了镜头数据.这些数据包括系统中每一个面的曲率半径、厚度、玻璃材料.单透镜由两个面组成(前面和后面) ，物平面和像平面各需要一个面，这些数据可以直接输入到电子表格中.当镜头数据编辑器显示在显示屏时，可以将光标移至需要改动的地方并将所需的数值由键盘输入到电子表格中形成数据.每一列代表具有不同特性的数据，每一行表示一个光学面(或一个).如图所示.移动光标可以到需要的任意行或列，向左和向右连续移动光标会使屏幕滚动，这时屏幕显示其他列的数据，如半口径，二次曲线系数，以及与所在的面的面型有关的参数.屏幕显示可以从左到右或从与右到左滚动.”Page Up”和”Page Down”键可以移动光标到所在列的头部或尾部.当镜头面数足够大时，屏幕显示也可以根据需要上下滚动.3.1.1插入或删除面数据(Inserting and deleting surfaces)在初始状态(除非镜头已给定) 通常显示三个面：即物面、光栏面、像面.物面与像面是永有的，不能删除.其它面可以用”Insert”和”Delete” 键插入或删除.物平面前和像平面后不能插入任何面.这里的“前面” 表示一个序号较小的面，而“后面” 表示一个序号大的面.光线顺序地通过各个表面，ZEMAX 中的面序号是从物面，即第0 面，到最后一个面（即像面）排列的.若想在电子表格中输入数据，移动光标到正确的方格，然后从键盘输入.可以用“BackSpace”键编辑修改当前的数据，一旦你要编辑方格中的内容，可以用“Left”，“Right”，“Home ”，“End”键浏览整个文件.当数据已改好时，按任意光标键或点击屏幕的任意位置或按“Enter” 键可结束当前编辑.在数据编辑器中还有一些快捷方法：若要增加当前的值，在数字前写一个加号，例如如果显示的数据是10，键入“+5” 按“Enter”键，数字会变为15 符号“*” 和“/ ” 也同样有效.要减少数字，可用负号和一个空格.如输入“-5” 可以将17 变为12.注意这里“-” 和“5”之间必须有一个空格，如果不输入一个空格，程序会认为是你输入的是一个负的新数值.输入“*-1” 可以改变数值的正负号.3.1.2输入面注释(Entering surface comments)每个面都有一个注释栏，通过它可以输入最大到32 个用户文本字符，这些注释能增强镜头特性的可读性，且不影响光线追迹.在某些分析功能中也会显示这些面的注释.整个注释内容都可以被隐藏.参见下面”OPTIONS” 菜单中的说明.3.1.3输入半径数据(Entering radii data)为输入或改变一个面的曲率半径，移动光标到所要的方格中，将新的数据键入.半径数据通常用透镜的计量单位输入和显示，这些计量单位是表示长度的.输入厚度(Entering thickness data)为输入或改变面的厚度，移动光标到所要的方格中，将新的数据键入，厚度数据通常用透镜的计量单位输入和显示.面厚度表示一个面到另一个面的距离.像平面的厚度是唯一不被使用的数据.通常在一个反射镜后改变厚度符号.奇数次反射后，所有的厚度都是负的，这种符号规定与反射镜的序号和当前的坐标转折无关.这种基本规定不能通过将坐标旋转180 度来代替.3.1.4输入玻璃数据(Entering glass data)每个面所用的玻璃材料是通过将玻璃名写入镜头数据编辑器的“Glass” 中来确定的.玻璃名字必须是当前已被装载的玻璃库中的玻璃名称之一，缺省的玻璃目录是“Schott” ，其它目录也是可选用的.要使用多个玻璃库或查阅、编辑、添加玻璃目录，参见”使用玻璃库”这一章.如要把某一个表面定为反射面，这一面的玻璃应命名为“Mirror”.当输入新玻璃时，可在玻璃名称上添加”/ P” 选择项，这个选项可以使ZEMAX 通过改变前后面的曲率半径来维持该面前后顶点间的光焦度保持不变.例如，如果玻璃已选择为BK7，输入一个新玻璃“SF1/P” 将使玻璃变为SF1，同时调整前后面半径使光焦度保持不变.ZEMAX 能保持顶点间的光焦度保持不变，但是由于玻璃的光学厚度的改变，整个光焦度将会有微小的改变，这种影响对薄透镜是很小的.3.1.5输入半口径数据(Entering semi-diameter)半口径的缺省值是由通过追迹各个视场的所有光线沿径向所需的通光半径自动计算获得的.如果半口径值已给定，那么这个给定的数据旁将有一个“U”，这说明此半口径是用户定义的，这个半口径只影响外形图中各面的绘图，不反映面的渐晕.3.1.6输入二次曲面数据(Entering conic data)许多不同的曲面面型中都允许有二次曲面数据.输入或改变一个面的二次曲面系数时，移动光标到所需的方格，键入新数值即可.二次曲面系数不是长度度量.参见面型关于二次曲面的定义.3.1.7确定光栏面(Defining the stop surface)光栏面可以是系统中除去物面和像面的任意一面.要改变光栏面，可双击将成为光栏面的这一行最左边的一列(即有数字的一列)，把面型对话框打开，单击“Make Surface Stop”标签，对话框消失，这个面显示”STO”，而不是面序数.确定光栏面时保证如下前提是很重要的：即使入射光瞳与物面同轴，假定此系统有坐标转折，偏心，全息，光栅以及其它能改变光轴的组件，应将光栏放在这些面之前.如果系统是关于光轴旋转对称的，那么这种限制就不需要了.只有使用了使光轴产生偏心或倾斜的面的系统，才要求将光栏放在这些面之前.如果坐标发生转折，对只是由反射镜组成的另一种共轴系统，那么即使光栏面放在这些反射镜后，光瞳位置也可以正确地计算出来.在某些系统中是不可能将孔径光栏放在坐标转折前的，因此，必须对光线进行定位，光线定位将在系统菜单（System Menu）一章中讲解.3.1.8选择面型(Selecting surface types)ZEMAX 中的面有平面，球面，二次曲面.所有这些面型都是在标准面型的基础上组合而成的.双击镜头数据编辑器最左一列，显示面型数据对话框.对话框里有一行是面型，从下拉菜单中选择适当的面型.ZEMAX 提供了包括标准型的多种面型.许多光学设计只使用标准面型.3.1.9各面通光口径的确定(Specifying surface apertures)各面的通光口径用来考虑渐晕的影响.ZEMAX 中有11 种通光口径类型：无口径，环形口径，环形挡光，长方形口径，长方形挡光，椭圆口径，椭圆挡光，星型挡光，用户自定义口径，用户自定义挡光和浮动口径.口径和挡光是用通过和阻拦光线的面积来分别定义的.当通光口径被定义在一个面时，ZEMAX 将在面序号前显示“*” ，或在数据编辑器中说明.可以在需要的位置插入一个厚度为0 的虚拟面，然后在此面上设定附加口径，从而在某一个光学元件中设定一个以上的口径，这对结构复杂的口径是很有用的.多重口径或挡光也可以由用户自定义其特性而同时放在一个单独的面上.可以在面数据对话框中为每个面设置通光口径.双击镜头数据编辑器最左边一列可产生面数据对话框.当口径类型为”无口径” (缺省值) 时，所有反射和折射的光线都允许通过该面.通过一个面的光线完全与镜头数据编辑器中的半口径值无关.这些设置的半口径数据只在绘制镜片元件图时起作用，不决定渐晕.为把口径变成缺省值或改变当前口径的类型，可以在面数据对话框种选择其它的口径类型.如图所示.下面分别讲述各个口径类型.(1) 环形口径/挡光：环形口径是由环形面积定义的，到达该面时小于最小半径和大于最大半径的光线被拦掉.最小与最大半径之间的光线允许通过.环形挡光与环形口径互补.(2) 长方形口径/挡光：如光线与该面的交点在由长方形的半宽度x，y决定的长方形面积以外，光线被阻止通过该面.长方形挡光与长方形口径互补.(3) 椭圆口径/挡光：如光线与该面的交点在由椭圆的半宽度x，y 决定的椭圆面积以外，光线被阻止通过该面.椭圆挡光与椭圆口径互补.(4) 星形：星形是由每臂的宽度和臂数定义的.ZEMAX 中假定取相同臂长，相同转角分布.第一个臂取沿x 轴正向角度为零的位置.具有不同臂长和不同转角分布的复杂星形可以用相邻的多个虚拟面上的几个星形构成.坐标转折面可以将星形旋转至任何想要的角度.(5)用户自定义口径/挡光：参见下一节中的详述.(6)浮动口径：除了最小半径一直为零外，它与环形口径是相似的.最大半径与该面的半口径相同，由于半口径值可以用ZEMAX 调整(在自动模式下) ，因而口径值随半口径值浮动.当宏指令或外部程序追迹缺省半口径以外的光线时，浮动口径是很有用的，它可以将这些光线拦掉.上述的所有口径都是由顶点的子午面向光学面投影模拟的.实际光线与表面交点的坐标x，y 用来决定渐晕，z 坐标被忽略.如果口径被放在当作光学面前面的虚构面而不是直接放在曲面上，那么对陡峭的光学面来说，会有不同的计算结果.只有在入射角很陡时这种情况才会发生.除非虚构面能更精确地代表你的现状，通常最好将口径直接放在光学面上.用输入X 偏离量或Y 偏离量或X、Y 偏离量的方法，所有类型的口径都可以偏离当前光轴，.这种偏离量以透镜计量单位给定.记住偏离不会改变主光线，光栏必须与物体同轴.例如：设计一个离轴望远镜，可以将光栏放在光轴和离轴系统中.(7)用户自定义口径和挡光(User defined apertures and obscurations)通常，可以方便地使用环形，长方形，椭圆口径和挡光，它们包括了大多数情况.但是，有时候需要一个更广义的口径.ZEMAX 允许用户用一系列有序数对(x1，y1)，(x2，y2)，. (xn，yn)，来定义口径.这些点是多边形的顶点.多边形可以是任何形状，且可以用简单或复杂的方式封闭.复合多边形可以定义成嵌套或独立.建立用户自定义口径或挡光，从口径类型列表中选择需要的类型(口径或挡光) 然后点击“ Edit User Aperture“，将会出现一个允许编辑和滚动定义多边形的点的列表框.这是一个简单的文本编辑器.该面的X 和Y 的坐标可以直接输入，用一组X 和Y 都设置为0的数据行表示多边形的端点.因而多边形不能用顶点为(0，0) 的点定义.若一个顶点必须定义为（0，0），那么将用一个非常小的值代替其中的一个.例如(1e -6，0 ) ，只要至少有一个坐标不为0，那么这个点就被认为是顶点而不是表示多边形的端点.最后列出的顶点被认为与第一个点相连.例如定义一个边长为20 单位的矩形.这些点为-10，-10-10，1010，1010，-100，0注意，最后一个点与第一个点是被假定相联的.因而定义了矩形的最后一条边.复合多边形用坐标为(0，0) 的行将其分开.例如，由两个狭缝组成的口径，每个狭缝的宽度是5 个单位，狭缝之间相隔10个单位，这些点为：-10，-10-10，10-5，10-5，-100，010，-1010，105，105，-100，0复合多边形也可以被嵌套.若一条光线的交点落在一个多边形中，而这个多边形又位于另一个多边形里面，那么这个点被认为是在口径外.允许在一个口径中定义一个岛形（Islands），使其变为挡光，反之亦然.允许有多层嵌套，每层都产生点的在内和在外的状态.允许用户自定义口径中的点的最大数目为100.3.1.10.到达表面和从表面射出的光线的隐藏(Hiding rays to and fromsurfaces)面对话框中有一个“hiding” 选项，可把到达表面和从表面射出的光线隐藏起来.若此选项被选中，在输出的各种外形图中被选中的面上将不绘制到达或从面上射出的光线.3.1.11.设置和撤销求解(Setting and removing solves)大多数数据列(如半径和厚度) 会有一种或多种求解的方法.在一个方格中设定解，在该位置处双击鼠标左键，单击鼠标右键或者在镜头数据编辑器中选择菜单都可实现上述功能.3.1.12.LDE窗口的选项菜单(Menu options)镜头数据编辑器中的选项栏用来插入和删除面数据，选择面型，和设置解和变量.1．编辑(Edit)：编辑菜单中提供以下选项，如图所示：面型（Surface Type）：这个选项可以改变面型.插入面(Insert Surface)：在电子表格的当前行中插入新面.快捷方式：Insert.后插入(Insert After)：在电子表格的当前行后中插入新面.快捷方式：Ctrl-Insert.删除面(Delete Surface)：删除电子表格的当前行.快捷方式：Delete.剪切面(Cut Surface)：将单面或多个面数据复制到Windows 剪切板上，然后删除这些面.单面或多面必须用以下的任一种方式选中.用鼠标：单击所要选中的第一面.按住左键拖动鼠标将所选的面覆盖.被选中的面会用当前显示色的反色显示.若只选一个面，从所要的面处上下拖动鼠标至两行被选中，然后将鼠标拖回到所要的行.用键盘：将光标移至所要面的任意方格.按住Shift 键，上下移动光标直到所需的面被选中，被选中的面用当前显示色的反色显示.若只选一个面，从所要的面处上下移动光标至两行被选中，然后将光标移回到所要的行.复制面(Copy Surface)：将单面或多个面数据复制到Windows剪切板上.选中单面或多面，参见” Cut Surface”中的介绍.粘贴面(Paste Surface)：从Windows 剪切板上复制单面或多个面数据到镜头数据编辑器中当前光标的位置.面数据必须先用上面讲的“Cut Surface”或“Copy Surface”复制到Windows 剪切板上.复制方格(Copy Cell)：复制单个方格数据到Windows 剪切板上.粘贴方格(Paste Cell)：将Windows 剪切板上的单个方格复制到当前方格.数据必须先用“Copy Cell”将其复制到Windows 剪切板上.复制电子表格(Copy Spreadsheet)：用适合于粘帖到另外的Windows 应用程序的文本格式将高亮显示的面或整个表格(如果没有面被选中) 复制到Windows 剪切板上.3.2 求解(Solves):解和变量可以设置在镜头数据编辑器中的许多数据上.如图所示.半径(Radius)：设置曲率半径求解.厚度(Thickness)：设置厚度求解.玻璃(Glass)：设置玻璃求解.半口径(Semi-Diameter)：设置半口径求解.二次曲线(Conic)：设置二次曲线系数求解.参数(Parameter)：设置参数列的求解.变量附加标识(Variable Toggle)：把当前所选方格的状态变为可变.此操作的快捷方式为Ctrl-Z.3.3 选项(Options)显示注释(Show Comments)：若该菜单被选取，将显示注释列.若未被选取，注释列将隐藏.如图所示.注释的显示与隐藏，只是用于当前对话期间.3．4帮助(Help)使用LDE(Using LDE)：产生使用镜头数据编辑器的联机帮助.3.5．价函数(Merit Function):评价函数编辑器用来定义，修改，和检查系统的评价函数.系统的评价函数用于优化.如下图所示.第四章系统菜单系统菜单包括以下各子项：Update All，Update，General，Advanced，Fields，Wavelengths，Polarization State，等.4.1 全部更新（Update All）这个选项更新全部窗口以反映最新镜头数据.ZEMAX 不能在图形和文件窗口自动改变最后形成的镜头数据.这是由于新数据在镜头数据编辑器中被键入时，ZEMAX 如果不断地计算MTF，光线特性曲线，点列图和其它数据，那么程序反应会变得很慢.对镜头做所有需要的改变，然后选择“Update All”来更新和重新计算所有的数据窗口.单个曲线和文本窗口（非编辑器）也可以双击窗口内的任意位置更新.4.2 更新（Update）这个选项只更新镜头数据编辑器和附加数据编辑器中的数据.更新功能用来重新计算一阶特性，如光瞳位置，半口径，折射率和求解值.只影响镜头数据编辑器和附加数据编辑器中的当前数据.参见本章中§1 全部更新“Updata All”的内容.4.3 通用数据（General）这个选项产生通用系统数据对话框，它用来定义作为整个系统的镜头的公共数据，而不是与单个面有关的数据.参见“Advanced”部分.1)镜头标题（Lens Title）2)镜头标题出现在曲线和文本输出中.标题是通过将题目输入到所需位置得到的.附加的文本数据可以放在大多数图形输出中，参见本章后面“Configuring the environment”的说明.3)光圈类型（Aperture Type）4)系统光圈表示在光轴上通过系统的光束大小.要建立系统光圈，需要定义系统光圈类型和系统光圈值.用光标在下拉列表中选择所需的类型.系统光圈类型有如下几种：5)入瞳直径（Entrance Pupil Diameter）：用透镜计量单位表示的物空间光瞳直径6)像空间F/# （Image Space F/#）：与无穷远共轭的像空间近轴F/#7)物空间数值孔径（Object Space Numerical Aperture）物空间边8)缘光线的数值孔径（nsinθm）9)通过光栏尺寸浮动（Float by Stop Size）：用光栏面的半口径定义10)近轴工作F/#（Paraxial Working F/#）：共轭像空间近轴F/#11)物方锥形角（Object Cone Angle）：物空间边缘光线的半角度，它可以超过90 度.这些术语在第三章“约定和定义”中进一步定义.若选择了“ObjectSpace N.A”或“Object cone angle”作为系统光圈类型，物方厚度必须小于无穷远.上述类型中只有一种系统光圈类型可以被定义.例如，一旦入瞳直径确定，以上说明的所有其它光圈都由镜头规格决定.12)光圈值（Aperture Value）:系统光圈值与所选的系统光圈类型有关.例如，如果选择“Entrance Pupil Diameter” 作为系统光圈类型，系统光圈值是用透镜计量单位表示的入瞳直径.ZEMAX 采用光圈类型和光圈数值一起来决定系统的某些基本量的大小，如入瞳尺寸和各个元件的清晰口径.选择“Float by Stop Size”为系统光圈类型是上述规律的唯一例外.如果选择“ Float by Stop Size” 作为系统光圈类型，光栏面（镜头数据编辑器中设置）的半口径用来定义系统光圈.13)镜头单位（Lens Units）:镜头单位有四种选择：毫米，厘米，英尺，或米.这些单位用来表示数据，如半径，厚度，和入瞳直径.许多图形（光学特性曲线，点列图）使用微米做单位，波长也是用微米表示.14)玻璃库（Glass Catalogs）本控件组有一个列出当前被使用的玻璃库（无扩展名）名称的可编辑栏.栏的缺省值是”schott”，它表示镜头可以从库中使用玻璃.如果需要不同玻璃类别，可以用按钮或键入玻璃类名来选择.若要使用不在按钮列表中的玻璃库，可以在在编辑栏键入类名.多个玻璃库之间可以用空格来分隔.关于改变玻璃库的内容参见“使用玻璃目录”一章.15)注解（Notes）:注解部分允许输入几行文本，它们与镜头文件一起被存储.4.4 高级数据（Advanced）这个选项产生Advanced System Data 对话框，它不是定义与单个面有关的数据，而是用来定义作为整个系统的镜头的少数公共数据.参见“通用” 部分.1)光线定位（Ray Aiming）:光线定位选择框由三种状态：无（None），近轴光线参考（Paraxial Reference）和实际光线参考（Real Reference）.如果光线定位状态为“None”，ZEMAX 用近轴入瞳尺寸和位置来决定从物面发出的主波长光线，而入瞳由光圈设置确定并用主波长在轴上计算.这表示ZEMAX 忽略入瞳像差.对于有中等视场的小孔径系统，这是完全可以接受的.但是，那些有小F 数或大视场角的系统，具有很大的入瞳像差.光瞳像差的两个主要影响是光瞳位置随视场角的漂移和光瞳边缘的变形.如果光线定位被选定，ZEMAX 则考虑像差.光线定位后，每根光线在追迹时被迭代，同时，在程序运行时校正光线定位以便使光线准确通过光栏面.光栏面的正确位置是首先由计算的光栏面半径决定的.正确的光栏面坐标是用光瞳坐标线性缩放计算得到.例如，边缘光线的归一化的光瞳坐标。
Zemax软件在《应用光学》双语课程教学中的应用
185科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 创新教育1 引言《应用光学》课程,一直作为“光信息科学与技术”、“光电信息工程”、“光学仪器”、“测控技术与仪器”等专业的专业基础课和学位基础课,是“光学工程”学科最重要的课程之一,在专业学习中占有非常重要的地位。
为了顺应全球经济化和高等教育国际化的客观要求,培养适应新世纪要求的光学人才,大多高校都逐步开展了《应用光学》课程的双语教学工作。
但是,该课程的双语教学工作仍存在一些需改进的问题,因为提高课堂教学质量是提高教学质量的首位[1],所以,针对这些问题,从教学手段方面着手,将先进的国际通用光学设计软件Ze ma x应用于课堂教学,给出了相应的具体教学研究内容。
2 面临的问题从我们几年的教学实践来看,虽然已经过从内容安排、教学方法等方面尝试了一些教学改革,获得了一定的效果[2],但是由于英语水平的限制和不均衡性,学生普遍对双语教学持有既欢迎又畏惧的矛盾心理。
一方面学生普遍意识到专业课采用英语教学方式对他们以后职业生涯建设的重要性,另一方面又对自身英语水平缺乏把握,担心听不懂、跟不上[3]。
而且,再加上《应用光学》课程理论性较强、概念较抽象的特点,目前该课程的双语教学仍然面临的问题主要有以下几个方面。
(1)概念较多、抽象难记,而且公式繁多、推导较复杂,要求学生具有较强的推理、想像能力,同时光学实验的技巧性要求较高,实验条件比较苛刻,部分物理现象在实际实验中不明显,难以观察。
从而使学生无法全面、深刻的理解相当一部分光学规律、现象等基础理论。
(2)在目前的双语教学过程中,还未有相应的英文界面的光学软件应用于教学,老师往往只能注重课本知识的传递,学生也只是机械的记忆、理解书本上已有的知识,不利于学生创新设计能力的培养。
(3)理论知识的学习与实践环节的结合不够,学生对应用光学知识的应用面知之甚少,学习时比较茫然,不能激发学生的学习兴趣与热情;进而使得学生本应该通过该课程的学习获得的专业特长,在参加今后的工作岗位竞争中难以全面展现和直接发挥出来。
光学设计软件Zemax在《工程光学》课程教学中的应用
Advances in Education教育进展, 2019, 9(2), 108-112Published Online March 2019 in Hans. /journal/aehttps:///10.12677/ae.2019.92023Application of Optical Design SoftwareZemax in Engineering Optics CourseTeachingYiqing Cao*, Zhijuan Shen, Zhixia ZhengSchool of Mechanical and Electronic Engineering, Putian University, Putian FujianReceived: Feb. 12th, 2019; accepted: Feb. 26th, 2019; published: Mar. 5th, 2019AbstractEngineering Optics course is the core course of the control technology and instrument, and has the characteristics of more formulas and fairly theoretical; it plays a very important role in the pro-fessional learning. The traditional method of teaching of the course pays attention to the deriva-tion of the formula and the explanation of the abstraction, and thus students have a great difficulty in understanding and mastering. In order to adapt to the transformation of the university to the practical undergraduate university, and train the professional talents with strong practical ability and self-study ability, Zemax software is applied to the process of the explaining the important knowledge of Engineering course. According to the method of Zemax software simulation, the students’ understanding of optical knowledge and the practical application ability of the know-ledge are improved, and improve the teaching quality and meet the training goal of the practical talents.KeywordsZemax, Engineering Optics, Practical Talents, Aberration光学设计软件Zemax在《工程光学》课程教学中的应用曹一青*，沈志娟，郑志霞莆田学院机电工程学院，福建莆田收稿日期：2019年2月12日；录用日期：2019年2月26日；发布日期：2019年3月5日*通讯作者。
光学设计软件ZEMAX实验讲义
光学设计软件ZEMAX实验讲义光学设计软件ZEMAX是一款广泛应用于光学设计和仿真的工具。
它通过建立光学系统模型、进行光学分析和优化，来实现光学元件的设计和性能评估。
本实验讲义将介绍使用ZEMAX进行光学系统设计的基本流程和方法，以帮助读者快速上手使用该软件进行实验。
实验目的：1.掌握ZEMAX软件的基本操作方法；2.学习使用ZEMAX进行光学系统的建模和分析；3.能够使用ZEMAX进行光学系统的优化和性能评估。
实验仪器和材料：1.计算机（安装有ZEMAX软件）；2.光学元件（例如透镜、棱镜等）；3.光源（例如激光器、光纤等）；4.探测器（例如光电二极管、CCD等）。
实验步骤：1.启动ZEMAX软件，并加载需要的光学元件模型。
可以通过导入现有的元件文件，也可以自己创建新的模型。
2.在光学系统中定义光源和探测器。
选择合适的光源类型，并设置光源的参数，例如波长、光强等。
同样，选择合适的探测器类型，并设置其参数。
3.在光学系统中添加光学元件。
选择需要的元件类型，例如透镜、棱镜等，并设置其参数，例如焦距、角度等。
4.运行光学分析。
可以选择进行光线追迹分析，用于确定光线在系统中的传播路径和光学性能。
还可以进行波前分析，用于评估系统的像差情况。
5.进行光学系统优化。
根据实际需求，调整光学系统中的参数，例如透镜的位置、曲率等，以优化系统的性能。
可以使用自动优化功能，也可以手动调整参数进行优化。
6.进行光学系统性能评估。
通过分析光线传播路径、像差情况等，评估光学系统的性能。
可以使用图像质量指标，例如MTF（传递函数）和PSF（点扩散函数），来评估系统的成像能力。
7.导出结果。
根据需要，将优化后的光学系统结果导出为文件。
可以导出光学系统的参数、光线路径图、波前图等。
实验注意事项：1.在进行光学系统设计前，需要确保熟悉光学基础知识，并了解所使用的光学元件的特性和性能。
2.在使用ZEMAX软件时，需要注意模型的准确性和合理性。
Zemax软件在《工程光学》课程中的应用
Zemax软件在《工程光学》课程中的应用
朱华新;郭颖;刘桂林;李帅;孙亚军
【期刊名称】《江苏教育学院学报》
【年(卷),期】2013(029)006
【摘要】将光学设计软件Zemax软件引入到《工程光学》的教学中，可以使得一些比较抽象的光学规律和现象变得直观．本文结合工程光学中的球差理论，利用Zemax软件，促进学生更好地理解球差．
【总页数】2页(P26-27)
【作者】朱华新;郭颖;刘桂林;李帅;孙亚军
【作者单位】江南大学理学院,江苏无锡214122
【正文语种】中文
【中图分类】G642
【相关文献】
1.Zemax在应用型本科“工程光学”课程中的应用 [J], 杨希峰;况亚伟;张德宝;刘玉申;钱斌
2.ZEMAX软件在光学理论教学中的应用 [J], 武旭华;陈宇
3.以ZEMAX光学设计软件实现光线追迹:分析人工晶体前移与人眼屈光调节的关系 [J], 朱海丰;张亚萍;李书光;黄柳宾;刘彦民
4.Zemax软件在《应用光学》双语课程教学中的应用 [J], 孔梅梅;徐宁;万静;彭玲
5.光学设计软件Zemax在《工程光学》课程教学中的应用 [J], 曹一青;沈志娟;郑志霞;
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ZEMAX软件的实现方法综述
ZEMAX软件的实现方法ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设讣与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Seqential及\on-Seqentidl的软件。
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、公差以及报表整合在一起。
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，与其它软件不同的是ZEMAX的CAD转文件程序都是双向的，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光学设汁程序是一个完整的光学设计软件，是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的一套综合性的光学设计仿真软件。
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。
ZEMAX能够在光学系统设讣中实现建模、分析和其他的辅助功能。
ZEMAX的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。
ZEMAX中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。
同时「也提供快捷键以便快速使用菜单命令。
手册中对使ZEMAX时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。
ZEMAX 前已经是被光电子领域熟知的光学设汁的首选软件。
该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。
在全球范用内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。
ZEMAX有三种不同的版本：ZEMAX-SE （标准版）；ZEMAX-XE （扩展版）；ZEMAX-EE （工程版）。
Zemax与Matlab动态数据交换及其应用研究
文章编号:100222082(2008)0420553204Zem ax 与M atlab 动态数据交换及其应用研究张文静,刘文广,刘泽金(国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南长沙410073)摘 要: 为了将Zem ax 的光学系统设计和分析功能与M atlab 强大的矩阵计算和数据分析功能很好地结合起来,对M atlab 和Zem ax 的DD E (dynam ic data exchange 动态数据交换)通信技术进行了研究,并将其应用于计算机辅助调腔技术的数值模拟过程中。
通过动态数据交换完成M atlab 对Zem ax 的控制,实现了二者之间的数据传递,即在M atlab 的控制下,实现对光学系统结构的改变,并获取输出光束的Zern ike 多项式系数值,从而大大方便后续数据处理工作。
同理,其逆过程可以将计算得到的结果反馈到光学系统中,用于系统优化。
二者的动态数据交换技术可提高研究过程中数据的可靠性和工作效率。
关键词: 计算机辅助设计;Zem ax 软件;M atlab 软件;动态数据交换;光学设计中图分类号:TN 919.6;T P 319 文献标志码:AD ynam ic da ta exchange between Zemax and M a tlabZHAN G W en 2jing ,L I U W en 2guang ,L I U Ze 2jin(Co llege of Op toelectric Science and Engineering ,N ati onal U niversityof D efense T echno logy ,Changsha 410073,Ch ina )Abstract :In o rder to successfu lly com b ine Zem ax ′s functi on s of the op tical system design and analysis w ith M atlab ′s pow erfu l ab ility on the m atrix calcu lati on and data analysis ,thecomm un icati on techn ique of DD E (dynam ic data exchange )betw een the tw o softw ares w as researched and app lied to the num eric si m u lati on p rocess of the com p u ter 2aided resonato r alignm en t .T he con tro l of M atlab to Zem ax w as i m p lem en ted th rough DD E and the datatran s m issi on betw een the tw o softw ares w as realyzed .In o ther w o rds ,under the can tro l ofM atlab ,the structu re of the op tical system can be rectified ,and it is easy to get a series of values of Zern ike po lynom ial coefficien ts of the ou tp u t beam .So it is conven ien t fo r thefo llow ing data p rocess .In the sam e w ay ,the calcu lati on resu lts can be sen t to Zem ax as afeedback of the op tical system op ti m izati on .D ata reliab ility and w o rk efficiency can be i m p roved in th is w ay .DD E techn ique betw een Zem ax and M atlab is very helpfu l in the field of op tical system design and op ti m izati on .Key words :com pu ter 2aided design ;Zem ax ;M atlab ;dynam ic data exchange ;op tical design引言近年来,很多单位引进了Zem ax 软件,它是美国Focu s Softw are 公司推出的一个综合性光学设计软件。
运用zmax软件进行光学设计
光学设计上机实验报告学院：专业：班级：学号:实验目的多组光学系统的设计例如：设计摄影物镜，其结构参数为，焦距f’=50mm,D/f’=1/2,2w=20°。
实验用的软件ZMAX光学设计软件光学系统的要求一、光学系统的基本特性光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；线视场或视场角；系统的放大率或焦距。
此外还有与这些基本特性有关的一些特性参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。
二、系统的外形尺寸系统的外形尺寸，即系统的横向尺寸和纵向尺寸。
在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。
三、成象质量成象质量的要求和光学系统的用途有关。
不同的光学系统按其用途可提出不同的成象质量要求。
对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成象质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成象质量。
四、仪器的使用条件在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。
如生物显微镜的放大率Г要满足500NA≤Г≤1000NA 条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。
光学系统设计过程所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。
因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。
一、外形尺寸计算在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。
因此，常把这个阶段称为外形尺寸计算。
一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。
在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。
每项性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。
光纤通信optisystem实验
光纤通信Zemax、optisystem实验程佑梁实验一Zemax仿真设计实验目的1．熟悉Zemax实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光学系统。
2．利用Zeamx的优化功能设计光学系统并使其系统的各项性能参数达到最优。
实验原理启用Zemax，如何键入wavelength，lens data，产生ray fan，OPD，spot diagrams，定义thickness solve以及variables，执行简单光学设计最佳化，即分为以下两个部分。
1、lens data editor首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置……等。
然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。
现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line 光谱。
在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.486的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。
再来我们要决定透镜的孔径有多大。
既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。
所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。
于是从system menu上选general data，在aper value上键入25，而aperture type被default为Entrance Pupil diameter。
ZEMAX的使用中几何光学和物理光学的划分领域
ZEMAX的使用中几何光学和物理光学的划分领域ZEMAX是一种常用的光学设计软件，它可以在几何光学和物理光学领域进行光学系统的设计和分析。
在使用ZEMAX时，几何光学和物理光学的划分领域包括光学元件的设计和特性分析、光场传播的模拟和分析、光照度和光强度的计算和优化等等。
在几何光学的划分领域中，ZEMAX可以用于设计和分析光学元件，例如透镜、反射镜、棱镜等，以及光学系统，例如显微镜、望远镜、摄像头等。
在设计光学元件时，可以使用ZEMAX的光学设计工具来优化元件的形状、曲率、厚度等参数，以实现所需的光学性能。
例如，可以使用ZEMAX 进行平面透镜的形状优化，以最小化球差和像散。
同时，ZEMAX还可以进行光学元件的特性分析，例如光学元件的波前畸变、像差、散焦程度等。
在物理光学的划分领域中，ZEMAX可以用于光场传播的模拟和分析。
在模拟光场传播时，可以使用ZEMAX的非几何光学工具来模拟光线的传播和相互作用，例如衍射、干涉、散射等现象。
这些模拟结果可以帮助分析系统的成像质量、传递函数、衍射等效应等。
例如，在设计一个光学系统时，可以使用ZEMAX模拟光线的通过，以及光场的传播和衍射效应，以评估系统的成像质量和性能。
此外，ZEMAX还可以用于光照度和光强度的计算和优化。
光照度是指单位面积上通过单位时间的光通量，通常用于评估光源的亮度分布和光照条件。
使用ZEMAX的光照度计算工具，可以帮助计算光源在特定环境中的光照度分布，并优化光源布置和光照条件。
光强度是指单位立体角内的光通量，通常用于描述光源的辐射强度和光束的传播特性。
使用ZEMAX的光强度计算工具，可以帮助计算光源的辐射强度和光束的传播特性，以优化光源的设计和性能。
总之，ZEMAX在使用中划分了几何光学和物理光学的不同领域，包括光学元件的设计和特性分析、光场传播的模拟和分析、光照度和光强度的计算和优化等。
这些功能可以帮助光学工程师和研究人员在光学设计和分析中提高效率和准确性。
Zemax在《应用光学》中的应用研究.doc
本科毕业论文（2011届）题目Zemax在《应用光学》中的应用研究学院电子信息学院专业电子科学与技术班级学号学生姓名指导教师完成日期2011年3月诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《Zemax在〈应用光学〉中的应用研究》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。
承诺人（签名）：2011 年 3 月 11 日摘要本论文主要研究光学设计软件Zemax在《应用光学》课程中的应用。
通过对Zemax软件的使用，更好地利用该软件应用于教学，达到《应用光学》课程教学更加简易、具体的目的。
利用Zemax计算光路的参数以及光路的仿真，使得复杂的计算简单化和抽象的光线传播具体化。
本文通过单一光学元件的设计，如单透镜、牛顿式望远镜、消色差单透镜、变焦透镜等，来演示Zemax软件的基本操作。
再利用Zemax软件来设计一个光学系统：望远物镜及调焦镜的设计，综合具体地了解掌握软件各功能的使用，同时了解光学系统设计的流程，以更好地应用于《应用光学》的教学。
关键词：Zemax软件；《应用光学》；光学设计ABSTRACTThis thesis mainly studies optical design software Zemax in the application of the course applied optics. By studying the software Zemax, we can make better use of it in practical teaching and make the course easier and more specific.It makes complex calculation easy and abstract light transmission specific by using Zemax to calculate light path parameter and simulate light path. This article demonstrates the operation arrangements of Zemax software application cases, such as Single lens, Newton type telescope, Suppressing chromatism single lens and Zoom lens and so on. These concrete examples illustrates the basic operation of the Zemax software .Then design an optical system with Zemax software: the telephoto lens and focus lens, which could help us have a good knowledge of various functions of the software, and understand optical system design process and apply it in the teaching of applied optics.Key words：Zemax software；《Applied Optics》；optical design目录光学作为一门古典物理学科，在很早期时就有科学家致力去研究，但是由于科技的滞后，测量仪器的落后，发展受到了一定程度的限制。
光学设计软件ZEMAX实验讲义
光学设计软件ZEMAX实验讲义实验目的：1.学会使用ZEMAX进行基本光学系统的设计。
2.学会使用ZEMAX进行光学系统的分析和优化。
3.了解ZEMAX的基本操作和功能。
实验步骤：1.安装和启动ZEMAX软件。
将光学系统转化为数字形式，并进行光束追迹。
2.创建一个新的光学系统。
通过添加透镜和光源，在系统中创建起始点光源。
3.定义光束追踪模式。
选择要模拟的光束类型，如平行光束、点光源或散射光束。
4.设置透镜的参数。
选择所需的透镜类型，如凸透镜、凹透镜或棱镜，并设置其曲率半径和折射率。
5.添加其他光学元件。
根据系统设计的需要，添加其他光学元件，如滤光片、反射镜或光栅。
6.进行光束追踪和射线分析。
使用ZEMAX的射线追踪功能，可以模拟光线在系统中的传播和聚焦情况，并对系统的性能进行分析。
7.优化光学系统。
根据设计需求，使用ZEMAX的优化功能对光学系统进行优化，以改善其性能。
8.分析光学系统性能。
使用ZEMAX的分析工具，可以评估系统的像差、聚焦性能和光学质量等指标。
9.输出结果。
将光学系统的结果输出为图形、表格或文件，以便进一步分析和应用。
注意事项：1.在进行光学设计时，应尽可能符合光学系统的物理和几何规则。
2.在使用ZEMAX进行分析和优化时，应注意各个参数的相互影响，并合理选择优化策略。
3.在进行结果分析时，应根据具体的实际问题和设计目标，选择合适的指标和评估方法。
结论：通过本实验，我们学习了如何使用ZEMAX进行光学设计和分析。
ZEMAX提供了强大的功能和工具，可以帮助光学工程师有效地设计和优化光学系统。
光学设计软件的使用将大大提高光学工程师的工作效率和设计质量。
zemax案例
zemax案例
以下是一些关于Zemax仿真软件的案例：
1. 光学系统设计
Zemax可以用于光学系统设计和优化。
例如，可以使用Zemax来设计望远镜、显微镜、放大镜和其他光学仪器。
2. 焦散问题分析
Zemax可以用于分析和优化光学系统的焦散问题。
通过模拟光线的轨迹和相位变化，可以确定焦点的位置和形状，并确定任何可能的相位偏差。
3. 光学组件模型建立
Zemax可以用于建立光学组件的三维模型，包括透镜、棱镜和反射器等，以更准确地模拟光学系统的性能。
4. 光学系统图像模拟
Zemax可以用于模拟光学系统中的图像。
可以通过更改光线的特定属性，如入射角度和波长，以模拟不同的光学系统图像。
5. 激光光束分析
Zemax可以用于分析激光光束的特性，包括光斑大小、波前畸变、相位传输和偏振特性等。
6. 照明系统设计
Zemax可以用于设计照明系统，以确定最佳的光源和透镜组合来实现所需的照明效果。
Zemax软件在光学设计
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
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
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
•
• • •
杂光学系统 Code V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
光学设计软件ZEMAX简明教程(2024)
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拓展模块介绍及选购建议
• 高级光学设计模块：提供更高级的光学设计功能，如非球面优化、多波长分析等，适用于对光学性能有更高要 求的设计任务。
• 照明设计模块：专门针对照明系统设计的功能模块，包括光源建模、光斑分析、照度计算等，适用于照明领域 的设计师和工程师。
• 激光系统设计模块：针对激光系统的特殊需求提供的设计工具，包括激光束传播模拟、热效应分析等，适用于 激光技术研究和应用领域的专业人员。
分析光学系统成像质量的 重要工具，包括球差、彗 差、像散、场曲等。
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波动光学原理简介
光的波动性
光是一种电磁波，具有振幅、频率、相位等波动 特性。
干涉现象
两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，产生 加强或减弱的现象。
衍射现象
光波遇到障碍物或小孔时，偏离直线传播路径的 现象。
2024/1/29
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典型光学系统分析
2024/1/29
选择合适的曲面形状
根据实际需求，选择合适的曲面反射镜形状，如球面、非球面等， 以实现特定的光学性能。
优化反射面精度
通过提高反射面加工精度、采用先进的抛光技术等手段，降低反射 面的粗糙度，提高反射镜的反射效率。
考虑热稳定性和机械稳定性
针对特定应用场景，选择具有优良热稳定性和机械稳定性的材料和 结构，以确保反射镜在复杂环境中的性能稳定性。
复杂光学系统设计
讨论复杂光学系统的设计方法，如多波长、 大视场等。
2024/1/29
梯度折射率透镜设计
研究梯度折射率透镜的设计原理和实现方法 。
新型光学材料应用
探讨新型光学材料在特殊透镜设计中的应用 。
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05 反射镜设计实例分析
2024/1/29
2024版zemax教程
zemax教程•zemax软件介绍•zemax软件安装与启动•zemax软件基本操作•zemax软件光学设计基础目•zemax软件光学设计实例•zemax软件高级功能介绍录01 zemax软件介绍01Zemax是一款光学设计软件，广泛应用于光学系统的设计和分析。
02它提供了全面的光学设计工具，包括光线追迹、优化、公差分析等。
03Zemax软件支持多种操作系统，如Windows、Linux等。
优化Zemax 内置了多种优化算法，可以对光学系统进行自动优化以提高性能。
多种分析工具Zemax 还提供了多种分析工具，如MTF 、点列图、波前图等，用于评估光学系统的性能。
公差分析Zemax 可以对光学系统的公差进行分析，以评估实际制造和装配过程中的性能变化。
光线追迹Zemax 可以模拟光线在光学系统中的传播路径。
望远镜、显微镜、摄影镜头等光学仪器的设计。
虚拟现实、增强现实等光学系统的设计。
zemax软件应用领域激光器、光纤通信等光电子领域的设计。
医学、生物科学等领域的光学成像系统设计。
02 zemax软件安装与启动zemax软件安装步骤下载zemax软件安装包从官方网站或授权渠道下载最新版本的zemax 软件安装包。
安装准备确保计算机满足最低系统要求，并关闭所有正在运行的程序。
运行安装程序双击安装包，按照提示进行安装。
选择安装目录和组件，并遵循安装向导完成安装过程。
1 2 3在安装完成后，桌面上通常会生成一个zemax软件的快捷方式。
双击该快捷方式即可启动软件。
桌面快捷方式点击计算机左下角的“开始”按钮，在程序列表中找到zemax软件，并单击以启动。
开始菜单对于高级用户，可以通过命令行输入特定的命令来启动zemax软件。
命令行启动zemax软件启动方法工具栏位于菜单栏下方，提供常用命令的快捷按钮，如新建、打开、保存、打印等。
菜单栏位于界面顶部，包含文件、编辑、视图、工具、窗口和帮助等菜单选项。
通过菜单栏可以访问各种功能和命令。
《zemax实验》课件
与Code V的比较
总结词：用户界面友好性
Code V的用户界面相对较为复杂，学习曲线较陡峭。相比之下，Zemax的用户界面更加直观和易于使用，对于初学者和新手 更加友好。
与Code V的比较
总结词：开放性
Code V具有较强的开放性，与其他CAD和光学仿真软件具有良好的兼容性和数据交换能力。Zemax 也支持与其他软件的互操作性，但相对而言Code V的开放性更高。
实验步骤
步骤一
打开Zemax软件，创建新项目 ，设置光学系统参数。
步骤二
在软件中导入光源、镜头、探 测器等光学元件的参数。
步骤三
进行光学系统性能仿真，模拟 不同波长、不同角度的光线通 过光学系统的情况。
步骤四
采集数据，对仿真结果进行分 析和比较。
实验结果分析
结果一
分析不同波长、不同角度 的光线通过光学系统后的 能量分布情况，评估光学 系统的性能。
结果二
根据仿真结果，优化光学 系统参数，提高光学系统 的性能。
结果三
将仿真结果与实际测量结 果进行比较，验证仿真模 型的准确性。
03 Zemax光学设计实例
简单透镜设计
总结词
介绍简单透镜设计的原理和步骤，包 括焦距、光焦度、透镜形状等参数的 计算和优化。
优化设计
通过Zemax软件的光学优化功能，对 透镜参数进行优化，提高成像质量。
Zemax的学习曲线可能相对较陡峭，但一 旦熟悉其功能和操作，用户可以获得更高级
的光学设计和分析能力。
05 Zemax实验的注意事项 和常见问题
注意事项
软件安装与运行
确保计算机满足Zemax软件的最低系统要求 ，正确安装并激活软件。
实验环境设置
基于ANSYS的光电探测器设计优化研究
基于ANSYS的光电探测器设计优化研究光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的关键器件，广泛应用于光通信、光电显示、光电能源以及科学研究等领域。
而光电探测器的设计优化是光电器件研究中的重要环节，可以提高器件的灵敏度、响应速度和性能稳定性。
本文将基于ANSYS软件，探讨光电探测器设计的优化研究。
首先，光电探测器设计中的一项重要内容是光电响应特性的优化。
ANSYS软件提供了完善的光学仿真模块，可以用于模拟光在器件中的传输与吸收过程。
通过在仿真中调整光电探测器的结构参数，可以得到不同结构参数对光电响应的影响，并进一步优化器件结构。
其次，对于光电探测器来说，提高探测器的灵敏度是一项重要的指标。
灵敏度决定了探测器对光信号的捕获能力和反应速度。
在光电探测器设计中，我们可以通过优化材料选择和结构设计来提高灵敏度。
ANSYS软件中的物理仿真模块可以帮助我们模拟材料的光学性质，并对光电探测器的结构进行模拟分析。
通过模拟分析得到的数据，可以指导我们对材料进行选择和结构进行优化，以提高探测器的灵敏度。
此外，光电探测器在实际应用中还需要具备较高的响应速度。
提高响应速度可以通过缩短载流子传输时间、减小电容和电阻等方式实现。
ANSYS软件提供了电磁场仿真和脉冲响应分析等功能，可以帮助我们模拟光电探测器的电路特性。
通过在仿真中优化电路的布局和参数，可以实现提高探测器的响应速度的目标。
最后，光电探测器的性能稳定性和可靠性也是设计优化的重要指标。
设计优化可以通过模拟分析来预测器件在不同环境和工作条件下的表现。
ANSYS软件具有强大的多物理场耦合仿真能力，可以模拟光学、电学、热学等多个物理场的相互作用。
通过对光电探测器的多物理场仿真分析，可以评估器件在不同工作状态下的稳定性和可靠性，并优化器件的结构和材料选择，以提高其性能稳定性和可靠性。
综上所述，基于ANSYS软件的光电探测器设计优化研究可以通过光电响应特性优化、灵敏度提高、响应速度提升以及稳定性改善等方面来进行。
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第36卷第4期2010年7月 光学技术OPTICAL TECHN IQU E Vol.36No.4J uly 2010 文章编号:100221582(2010)0420495205ZEMAX 与ANSYS 动态数据交换的实现及其在光学设计中的应用研究3姜自波,杨德华,李新南(中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所,江苏南京210042)摘 要:通过对Zemax 动态数据交换技术DDE (Dynamic Data Exchange )通信接口进行研究,实现了ANSYS 2中继软件2Zemax 的DDE 闭环通信,并应用到了望远镜光学系统受环境温度场影响的光学像质评估中,实现了有限元分析和光学像质评价的动态联合。
用ANSYS 建立有限元模型,分析由温度场引起的光学镜面形变。
通过Zernike 多项式拟合,将拟合系数通过ANSYS 2Zemax 的DDE 通信链路传递给Zemax 进行光学系统的像质分析。
反之,像质分析的结果也可以动态地传递给ANSYS ,以便进一步指导机械结构的优化设计。
此有限元系统2光学系统通信链路的实现可大大提高数据的可靠性和设计效率。
关键词:应用光学;动态数据交换;光学设计;有限元分析;计算机辅助设计中图分类号:O439 文献标识码:AImplementation of dynamic data exchange bet w een ZEMAXand ANSYS and its application to optical designJ I ANG Zi 2bo ,Y ANG De 2hua ,LI X in 2nan(Nanjing Institute of Astronomical Optics &technology ,National Astronomical Observatories ,Chinese Academy of Sciences ,Nanjing 210042,Jiangsu ,China )Abstract :The DDE (Dynamic Data Exchange )technology of Zemax communication interface is researched ,and DDE closed 2loop communication between ANSYS 2relay software 2Zemax is realized ,and it is applied to the optical image quali 2ty assessment of telescope optical system affected by environmental temperature field ,the dynamic combination is realized between the Finite Element Analysis and optical image quality evaluation.An finite element model is established by AN 2SYS ,the deformation of optical mirrors caused by temperature field is analyzed.Through the Zernike polynomial fitting ,the coefficients are transfered to Zemax by ANSYS 2Zemax ’s DDE communication link circuit ,and an analysis is made for the optical system image quality.On the contrary ,the consequences of qualitative analysis can also be delivered to AN 2SYS dynamically ,to guide further optimization of the mechanical structure design.The realization of communication links between finite element systems 2optical system can greatly improve the reliability of data and design efficiency.K ey w ords :applied optics ;dynamic data exchange ;optical design ;finite element analysis ;computer 2aided design5943收稿日期:2010201205 E 2m ail :zbjiang @ ;dhyang @ 基金项目:国家自然科学基金(10503007)资助项目作者简介:姜自波(19772),男,河南濮阳人,助理研究员,硕士,主要从事光学检测、光学加工、光学信息处理等方面的研究。
0 引 言随着计算机技术向着高速、集成化、网络化的发展,许多不同领域的分析技术需要交叉或并行运用,并实时地共享或交换数据与信息。
在天文光学领域,望远镜系统设计前期阶段的一个重要工作就是利用ANS YS 等结构设计软件建立望远镜系统的仿真模型,实现望远镜系统模型的静力学、瞬态动力学及热结构等各种有限元分析,然后将分析结果导入光学设计软件(Zemax )。
通过对产生结构变化的望远镜系统进行光学分析及优化,可方便地得到结构形变后的光学系统的成像分析结果及各种像差曲线。
同时这些光学分析结果也需要实时地反馈到ANS YS 等结构设计软件中以指导进一步的机械结构设计。
这便形成了有限元分析2光学像质评价2结构设计间的闭环反馈系统。
光机设计的集成化将大大缩短光学系统的前期设计周期。
数据链路的自动传输也减少了人为操作误差,增加了数据的准确性,达到了提高工作效率和缩减研制成本的目的。
本文主要介绍进程间的DD E 通信机理及实现技术,然后给出ANS YS 软件与Zemax 软件DD E 通信的实现例子,通过一个具体的望远镜光学系统给出从结构设计到光学分析的通信和由望远镜光学系统热形变产生的光学像质的变化。
1 DDE 技术简介及实现Micro soft Win32应用编程接口A PI (Applica 2tion Programming Interface )提供了大量支持应用程序间数据共享和交换的机制,称为进程间通信IPC (Inter Process Communication )。
动态数据交换技术DDE (Dynamic Data Exchange )是使用共享内存在应用程序之间进行数据交换的一种常用的进程间通信形式[1,2]。
下面简单介绍动态数据交换(DDE )冷连接模式的实现方法(图1)。
1.1 通信链路的建立首先需要客户端DD ELinker 调用SendMes 2sage (HWND _BROADCAST ,WM _DD E _IN ITI 2A TE ,(WPARAM )t his 2>m _hWnd ,MA KELON G (aApp ,a Top ))。
其中第一个参数为目标窗口句柄,HWND_BROADCAST 表示把此消息发送给所有的顶级窗口。
第二个参数为消息标识,WM_DD E_IN ITIA TE 表示请求建立对话。
后两个参数为附加消息信息,前一个需要设定为客户端进程的窗口句柄。
最后一个需将应用名Applica 2tion Name (此处为Zemax )和主题名Topic Name (生效的任意主题名)两个原子封装并放在l Param 参数中。
需要注意的是Win32系统使用了三级标识,即应用名、主题名、数据项名。
应用名是标识产生对话的应用程序窗口。
主题名是多对话间的对话标识。
最后需要服务器传送的数据类别用数据项名标识。
图1 冷链接通信模式图694光 学 技 术 第36卷 Zemax 接收到WM_DD E_IN ITIA TE 消息后,也调用SendMessage 函数发回WM_DDE_AC K 消息作为应答。
其中消息的WPARAM 参数将把服务器(Zemax )的窗口句柄传递给客户进程。
这样服务器端(Zemax )与客户端(DD ELinker )之间的连接已经建立。
以后的通讯过程将使用由双方进程创建的隐含窗口句柄作为标识参量。
1.2 服务和数据的交换对话开始后,客户端向服务器端发送WM _DDE_REQU EST 消息请求数据或服务。
服务器收到此消息后,如果能够提供数据项就向客户端传回WM_DD E_DA TA 消息。
其中消息的L PARAM 部分包含DDEDA TA 结构的全局内存块句柄。
假如服务器不能提供所需的数据项,则向客户端传回否定的WM_DD E_AC K 消息作为应答。
此消息最后一个参数会将DD EAC K 结构中的fAck 标识位设为0。
1.3 通信链路的终止当客户端或服务器端一方发出消息WM_DD E _TERM INA TE 时,通讯结束。
同时,收到消息的进程端必须也发送WM_DDE_TERM INA TE 消息作为应答。
此后才可以进行清除相关内存空间的操作。
1.4 MFC 模式下DDE 的实现M FC 是微软提供的基于Windows A PI 的面向对象的封装。
它隐藏了程序开发人员在传统C ++编程下的大量技术细节,同时能提供编程的灵活性和高效性[3]。
但由于M FC 的封装特性,它的消息循环处理过程是隐含调用的。
对DDE 通讯来说,它不能像传统WIN32程序那样对窗口函数中的消息循环进行处理。
本课题中采用的是M FC 自定义消息处理技术来进行DD E 通信的显式消息获取与处理的[4—6]。
因自定义消息处理技术比较成熟,在此不再赘述。
2 ANSYS 与ZEMAX 通信协议笔者在工程实践中定义了ANS YS 2DDELink 2er 2ZEMAX 间的通信协议。
它由ANS YS 2DDELinker 文件传递子协议和DD ELinker 2ZEM 2A X 的DD E 通信子协议构成。
ANS YS 2DD ELinker文件传递子协议包括传递的数据文件名称、文件位置、文件的各数据项。
本例中使用的文件各数据项内容及所代表的意义见表1。
需要强调的是Mirr 2Num 代表该光路中实际镜面个数,与Zemax 中镜面编辑器的镜面序号不同。
后者为光线经过的镜面序数,它可能包含重复镜面与转折镜的虚拟面等。