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ZEMAX软件学习报告摘要：目前我对ZAMAX光学设计软件进行了初步入门学习，简单了解了 ZEMAX 光学设计软件的实际运用的几个例子，以及对其步骤进行了详细理解。对其分析 和运用过程的问题进行阐述。关键词：zemax运用例子使用问题引言：ZEMAX是美国Radiant Zemax公司所发展出的光学设计软件，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 （序列性）及Non-Sequential （非序列性）光学设计的软件。ZEMAX光学设计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能够在光学系统设计中实现建模、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目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就 是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，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。一、ZEMAX光学设计软件运用实例:1、单透镜（a singlet）：主要运用ZEMAX光学设计软件设计了一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱 范围内，用BK7玻璃的单透镜。首先我对波长和镜片数据进行了录入，生成了光线特性曲线图。第二步对光线特性曲线进行了优化，通过动态调整特定镜片数据（选择边缘光高），纠正其离焦。生成新的光线特性曲线。第三步对图像进行了进一步的优化，通过对第1面的半径、第2面半径以及第2面的厚度上设置变化的标志（Ctrl+Z），称为变量，这些变量可以用离焦来补偿球差。同时对镜片 定义一个评价函数（理想的镜头评价函数应为0）。然后对工具(T001)中的最佳化进行自动最佳数值设定，得到无缺省评价函数的光线特性曲线。最后将焦距变化图变化以及多色光焦点漂移(Chromatic Focal Shi)t图展示出来。用ZEMAX完成基本设计。这次设计对ZEMAX输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线(rayfan)，光程差曲线(0PD)，和点列图(Spot diagram)，确定厚度求解方法和变量，进行简 单的优化这几个方面进行了学习。2、双透镜(a doublet)：在我对使用ZEMAX对单透镜进行了简单的设计后，我对双透镜设计进行了学习。双透镜 是单透镜设计的进一步延伸。首先在ZEMAX软件中如设计单透镜的数据进行基本录入，意思首先是对单透镜的设计， 在进一步设计双透镜，所以运用上一次设计数据。我们只需要在光阑面加一个面录入基本数 据以及玻璃类型。由于上次已有评价函数，所以直接点击工具进行自动优化得到双透镜最原 始的光线特性曲线。对于双透镜的设计对光学相差进行了质的提高。然后用系统选项的跟新全部数据窗口。再将其光学像差变化图以及二维图和边缘厚度数据展示出来。由于到这步的时候基本是边缘厚度过小，所以需要修正边缘厚度，首先对镜片孔径放大。 更新图层，再增加中心厚度保持边缘厚度在3mm左右。再次更新表面数据窗口，然后进行自 动最佳化，再次更新系统数据。得到新的一系列光线特性曲线以及二维图、三维图。最后通过分析新的光线特性曲线得出场曲为主要相差，场曲曲线图展示。通过双透镜的设计在单透镜基础上学到了产生图层和视场曲率图，定义边缘厚度解，定义视 场角。3、牛顿望远镜(a Newtonian telescope)：牛顿望远镜是最简单的用来矫正轴上像差的望远镜，牛顿望远镜是由一个简单的抛物线 形镜面组成的抛物线很好地矫正了所有阶的球差。同样的我首先录入了基本数据对镜面第一面进行初步设定，不同于双透镜，牛顿望远镜 是一个全新的ZEMAX镜面设计。我需要设计一个1000mm F/5的望远镜，这暗指需要一个曲率半径为2000mm的镜面，和 一个200mm的孔径。移动光标到第一面，即光阑面的曲率半径列，输入-2000.0，负号表示 为凹面。现在在同一个面上输入厚度值-1000，这个负号表示通过镜面折射后，光线将往“后 方”传递。现在在同一面的“Glass”列输入“MIRROR”，选择“System”，“General”，然后 在“通用数据对话框(General Data Dialog Box)”中输入一个200的孔径值，并单击“OK”。 得到基本的点列图和光线特性曲线。评定像质的一种较为简便的方法是将艾利(Airy)衍射斑加到点列图的顶部。进行此操 作，可从点列图的菜单条选择“Setting”，在“ShowScale”选项中选择“AiryDisk”，然后单击“ OK”。得到如下图所示的可以看到有一小簇的光线在六角环带的中心，RMS点尺寸是0。改变第一面的厚度着手，将之改为-800mm。现在移动光标到像平面，按Insert在主面与像平面之间插入一个虚构的面。新的面很快会被转换为折叠面。虚构面的作用只是简单地用来安放折叠镜面。在新的虚构面上输入一个-200的厚度值，保持镜面到像平面的总距离为-1000.0。现在单击 “Tools”，“Add Fold Mirror”，然后设置“Fold Surface” 为2,单击“OK”。然后进行一步自动最优化，再展示出此设计镜面的3D效果图，可通过键入上下左右改变效果图展示不同角度。顷：ZEMAX-EE - D:ZEMAXSAMPLESLENS.ZMXFile Editors System Analysis Tools NbaJ Dpeav | Sas | LI口d| Gen| FieAdd fold mirror at a dummy surfaceOptimization.Shift-l-Ctrl-l-OGlobal Search.Shift-l-Ctrl+GHammer Optimization,.Shift+Ctrl+HMerit Function ListingRemove All VariablesGlass Substitution Template.Tolerancing.Ctrl+TTolerance ListingTolerance SummaryTest Plate Fitting.Test Plate ListsGlass Catalogs.F4Lens Catalogs.F5ABg Scatter Data Catalogs.Edit Coating FileReload Coating FileAdd Coatings to All SurfacesCoating ListingConvert Semi-Diameters to Circular AperturesConvert Semi-Diameters to Floating AperturesRemove All AperturesReplace Vignetting With AperturesReverse Elements.Shift+Ctrl-l-BTilt/Decenter Elements.Scale LensMake Focal.Quick Focus£hift+Ctrl+QAdd Fold MirrorShift+Ctrl+FDelete Fold MirrorConvert to NSC Gro叩: ZEr-HAaHr-iPLEsLBJa. zmx CONFTCURA TIDN 1 QP 1Semi-DiameterConicPar 0 (unuae-d)Decenter XDe0-000000o_oooaoo以100.000000-1.000000-0.0000000.000000以31.5145080.000000-0.0000000.0000001.776357E-0140.0000001: 3D Layout在光阑前加入一个虚构的面。现在使得虚构面的厚度为900mm，双击第一面的“Standard”，在对话框中为孔径类型选择圆形遮拦“Circular Obscuration”)，在光束中安放一个“遮拦(Obscuration)”，这样就考虑到了折叠反射镜阻挡了一些光束。为“最大半径(Max Radius)”输入40，然后单击确定。看上去更为实际，如果不是所有的表面都是可见的，选择“Setting”，然后将第一面 和最后一面的选项分别改为1和6,或单击“ Reset”，然后按“ OK”。在设计牛顿望远镜的过程中进一步学学习了使用反射镜，圆锥常量，坐标中断，三维图 形。4、带有非球面矫正器的施密特一卡塞格林系统(Schmidt-Cassegrain):施密特一卡塞格林系统是一个带多项式非球面矫正器的完全设计，相对来说较复杂，这 也是我唯一学习的一个光学系统的完全设计。同样第一步仍是进行了初步录入数据，设定波长等等。然后二维图如下图所示。我将加入辅助镜面，并安放像平面。我们以后将让ZEMAX为辅助面计算恰当的曲率。现 在修改表格，使之如下表所示的以表达一个新的面。得到新的二维图像。然后选择“Editors”，如前面一样确定评价函数。然后进行自动优化。展示出光线特性曲线，评价函数可以直接关闭，自动保存。Edit Tools Helpa<l：OPDFan日| 回 有onstcaints.Surf:TypeCommen'CRadiusThicknessGlassSemi-DiameterConicPar 0 (unuseti)Par 1(unused)ParOBJStandardInfinityInfinity0.0000000.000000STCStandardInfinity1.000000BK75.000000o.oooaoo2StandardInfinity0.0000005.0000000.0000003Standard-60.000000-18.000000MIRROR5.0000000.0000004Standard-41.83000028.000000mianon1.99S4S7o.oooaooIHAStandardInfinity0.0110040.000000Edit Solves Options HelpOper tTypeIIIIII Target 1 Weight 1 Value1 % Cont rib1 (DMFS)DMFS2 <BLMK)BLNKDefault merit function: EU4S wavefront centraid GQ S rings 6 armsUpdate SettingsPrint Window Text ZoomJOBJ： 0.©©©0 DEG LJQPTICRL PATH DIFFERENCE下一步就是单击第一面（光阑面）的'STANDARD”表面类型，从所显示的对话框选择"EVENASPHERE”。这种面型允许为非球面校正器指定多项式非球面系数。单击OK,在第一面向右移动光标直到“4th Order Term”列，键入Ctrl-Z。这样就给这个参数设置了一个变量标 记，当前为0。也在“6th Order Term”和“8th Order Term”上设置变量标记。再次进行自动优化处理得到了光线特性曲线。然后打开视场角，调整设计。从主菜单，选SYSTEM, FIELDS,并将视场角的个数设置为3,输入尸-角0.0，0.3和0.5度。点击系统选项中的更新得到新的光线特性曲线。Sux £ : Hyps".u offlma ntHE工 u*U- Od. *ro* 匚 _ mCZni uF*x O i： unu««d'<2 ndX H=zzi4 *t=HCD JU » nd* HdHc£d>cd_uyXn£Xn±tyInfinitya . aoaoaaSTOEven Aaphaic*ieeoe.V1,ooooooBK7e.oooooco.oooooo0.OOOOOO2SvandaxdTnf ln.1 weo.ooooooS-OO3SOO-oooooo3£ t-«o.ooooco-ie.ooooooMIRROR.t . saBes"?o.oooooo4S5 =hTth-onnoe。Ze-OOOOOa1-1X R.RORz - zzsaeio.oaaaS'EM nd* Edxn£mx*c vo-acvazaa.aaaaaa< Ar">gls (g)Object Heinht厂 Real Image HeightUseFieldV-FleldWalahtwev*/ANM 1oU|1 UUUU |U UUUUU lU.UUUUU |U.UUUUU lUOOUOU lU.UUOUO IU Z0.31 UUUU.OOOOu UUUUUW 300 51 oooo0 OOOOO0 00000O OOOOOO OOOOO0 OOOOOr 4o01 .oooo0.000000.000000.000000.000000.00000r sO1 . .o .l 6nCl1 ni：ii：ii：i0.000000.00000o.ni：ii：n：io0.00000n nnrinnL 7uLI1 oooo0.000000.000000.000000.000000.00000l Bi noonn. nnnnnn nnnnnn onnnnn nnnnnn nnnnnL 9°1 . . . . 1 ioQ01.00000.000000.000000.000000.00000n noooriL 11o01 UUUUQ. OOOOOO.OOOQO0.00000O.OOQOO0.00000L 12n1 nnnnn nnnnnn nnnnnn nnnnnn nnnnnn nnnnnrrOKCancelSort_jHelpISet Vio| 5 vyiSaveLoad|再次进行自动优化处理，此时已经很好的平衡了相差。初步的MTF图进行了展示，以及进一步设定孔径类型以及设定菜单内的最大半径进行了设定。得到了新的二维图形如下图所示。化，图层，MTF图。5、上述皆是我详细学习过的常用的典型例子，现在简单说明更深入的使用功能：(1) :多重结构配置的激光束扩大器(a multi-configuration laser beam expander)： 使用多重结构配置的性能(2) ：折叠反射镜面和坐标断点(fold mirrors and coordinate breads)：更好地理解坐标断点，为倾斜和偏心系统设立的符号约定，反射镜面的应用。本教程中描 述的大部分技巧都用“ Add Fold Mirror"工具自动完成，并提供了坐标断点的手册条目的 祥细解释。(3) ：消色差单透镜：附加数据编辑器，用二元光学表面优化。(此设计只能在ZEMAX-EE 软件中进行)二、分析和运用过程的问题阐述：1、因为是全英文版，运用此软件应先对其操作选项进行了解。2、操作中主要用到图像显示以及系统选项，设定数据基本在半径、孔径以及厚度三个大项。3、对于操作过程中的评价函数应特别注意，评价函数用来确定镜片好坏，所以应注意先确 定评价函数，以免后面过程无效。4、操作中设定变量(Ctrl+Z)以及自动优化处理使用非常广泛，操作中改变一定数值就要 更新系统选项，以及进行自动优化处理，得到最好的设计效果。三、学习总汇：在通过此次学习ZEMAX光学设计软件的过程中，我学习了一下几个方面：1、单透镜、双透镜、牛顿望远镜以及施密特一卡塞格林系统的初步学习，对四个光学设计 的实例进行了详细操作。2、了解了 zemax的功能概述：(1) 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ft*.txto(2) 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，诸如Local Optimization可以快速找到佳值，Global/Hammer Optimization可找到最好的参数。(3) 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。(4) 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。3、对ZEMAX应用领域：含括Projector， Camera， Scanner， Telescope，光纤耦合，照明系统、夜视系统。参考文献：