[模具]施密特-卡塞格林望远镜的设计.

[模具]施密特-卡塞格林望远镜的设计

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