zemax软件培训-光学设计必看的经典课件.ppt

《zemax软件培训-光学设计必看的经典课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《zemax软件培训-光学设计必看的经典课件.ppt（182页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、ZEMAX光学软件培训课程,ZEMAX光学软件培训课程,ZEMAX简介,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、偏振的各种序列和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。 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。,ZEMAX是一

2、个使用光线追迹的方法来模拟折射、反,zemax软件培训-光学设计必看的经典课件,zemax软件培训-光学设计必看的经典课件,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“p

3、orts”,使用ZEMAX的三种方式Completely sequent,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,Completely sequential以光学面（sur,zemax软件培训-光学设计必看的经典课件,Hybrid sequential/non-sequential,所有object

4、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：NothingExit 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。,Hybrid sequential/non-sequenti,zemax软件培训-光学设计必看的经典课件,Completely non-sequential,所有obje

5、ct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。,Completely non-sequential 所有o,zemax软件培训-光学设计必看的经典课件,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

6、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）,序列模式和非序列模式的比较序列模式非序列模式,ZEMAX的用户界面,ZEMAX的用户界面有

7、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。,ZEMAX的用户界面ZEMAX的用户界面有四种允许输入和分析,Editors,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 Funct

8、ion Editor 在这里定义和编辑优化函数 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 2Non-Sequential Components Editor 在这里定义光源、光学对象、探测器,EditorsZEMAX中的editors本质上是为满足透镜,zemax软件培训-光学设计必看的经典课件,Graphic and Text windows,ZEM

9、AX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）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”,Graphic and Text windowsZEMAX的,zemax软件培训-光学设计必看的经典课件,用来编辑其他窗口或系统的数据

10、，比如General，Field Data，Wavelength Data，Glass Catalog，Lens Catalogs,Dialog boxes,用来编辑其他窗口或系统的数据，比如General，Field,序列模式,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：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

11、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。,这种模式下的光学设计和仿真可按照下列步骤进行：,数据编辑器,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,系统数据需要设置三个Dialog boxes：,Gen,Aperture决定了系统的

12、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,GenAperture决定了系统的入光量的多少。,容易混淆的概念：Image Space F/#；Paraxial Working F/#; Working F/#,Paraxial Working F/#：,Working

13、 F/#：,Paraxial Working F/#计算公式中的是近轴边缘光线与光轴的夹角； Working F/#计算公式中的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,容易混淆的概念：Image Space F/#；Paraxi,Working F/#=1/2sin(5.76436)=4.97822391Paraxial Working F/#=1/2tan(arccos(0.9950372)=5.00000496,Working F/#=1/2sin(5.76436)=,切趾分布,General对话框中有一项设置apodization ty

14、pe-切趾分布，它实际是定义了入瞳处的光照分布。,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,切趾分布 General对话框中有一项设置apodi,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,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,建议一个近轴的光学系统，更改切趾的类型，观察FFT,Fie,ZEMAX支持4种不同视场形式：Field angl

15、e: 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）。,VDX,VDY,VCX,VCY,VAN是用来设置渐晕因子的,FieZEMAX支持4种不同视场形式：VDX,VDY,VCX,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

16、。Select-功能可以选择多种默认的波长,WavZEMAX最多允许定义12个波长，必须指定参考波长，可,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,Lens Data Editor一定存在的3个表面：OBJ、,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,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；

17、高度向上为正，向,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,球透镜的例子在ZEMAX中输入一个直径5mm的球透镜，玻璃材,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

18、，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,练习：在ZEMAX中输入一个入瞳直径33.33mm的双高斯镜,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 Defin

19、ed 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。,Surface Type1.提供了近60种的光学曲面面形，主,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,

20、Toroidal surface环形表面是YZ平面的曲面绕平,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,只要参数设置对了，就可以模拟各种柱面镜，也可以模拟棒镜（例子:cylinder-tor.zmx），甚至是非球面的柱面镜。Toroidal面来模拟柱面仅仅是它应用的特例，更广泛的，它用来模拟环形表面,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,双圆锥表面，与环形表面类似，可以直接输入表面的X、Y方向的曲率半径和二次常数。把X或者Y方向的曲率半径和二次常数设为零，也

21、是柱面。用Biconic surface来模拟前面举例过的棒镜，例子：cylinder-Bic.zmx,Biconic surface,双圆锥表面，与环形表面类似，可以直接输入表面的X、Y方向的曲,Toroidal Grating surface,环形光栅表面与环形表面类似，除此之外，有线条平行于x轴的光栅结构，需要定义光栅周期和衍射级数。例子：Toroidal grating.zmx,Toroidal Grating surface,Coordinate Break surface,坐标断点表面用来定义一个新的坐标系统，对于光线追迹的应用来说，它只是一个虚拟的表面。描述这个新的局域坐标需要六

22、个参数：x偏心、y偏心、绕x轴的倾斜、绕y轴的倾斜、绕z轴的倾斜、倾斜和偏心次序的标记。 用坐标断点可以实现一个或一组表面的倾斜。 倾斜和偏心次序的标记为0，表示先x偏心、y偏心、然后绕x轴倾斜，这时候y和z轴的方向会被改变，接下来绕新的y轴倾斜，改变x和z轴的方向，最后绕新的z轴倾斜。 倾斜和偏心次序的标记不为0，表示先以z、y、x的顺序倾斜，然后再进行偏心。,Coordinate Break surface 坐,牢记:ZEMAX中的输入的每个表面都是由一个本地坐标系定义的 *ZEMAX中的每个表面都有一个本地坐标系 *每个表面都为后面的表面定义了一个新的本地坐标系例子：fold mirro

23、r.zmx,牢记:ZEMAX中的输入的每个表面都是由一个本地坐标系定义的,为加深坐标断点表面、本地坐标、全局坐标的理解，我们来看一个元件倾斜和偏心的例子例子：tilt-decenter.zmx,为加深坐标断点表面、本地坐标、全局坐标的理解，我们来看一个元,在原来表面4前面插入一个面，表面类型选择坐标断点，y偏心参数设为-5，结果如下：,在原来表面4前面插入一个面，表面类型选择坐标断点，y偏心参数,在原来表面8前面插入一个面，表面类型选择坐标断点，把表面7的厚度设为0，把坐标断点的厚度设为10，y偏心参数设为5，结果如下：,在原来表面8前面插入一个面，表面类型选择坐标断点，把表面7的,如果我们把

24、两个坐标断点表面的偏心参数恢复为0，把第一个坐标断点x轴倾斜角度设为20，把第二个坐标断点x轴倾斜角度设为-20结果如下：（中间元件的倾斜引入了最后一个元件的偏心）,如果我们把两个坐标断点表面的偏心参数恢复为0，把第一个坐标断,为了消除中间元件的倾斜给最后一个元件引入的偏心，把,变为：,为了消除中间元件的倾斜给最后一个元件引入的偏心，把变为：,Diffraction Grating surface,衍射光栅表面用来模拟直线型的光栅，光栅的线条与本地坐标的x轴平行。衍射光栅表面的重要参数：lines/micron，diffract/order。 例子：diffraction grating. z

25、mx,Diffraction Grating surface,衍射光栅表面光栅的线条与本地坐标的x轴平行，那么你要模拟光栅线条朝其他方向的光栅，你需要借助坐标断点表面。假设我们要使光栅线条的方向与全局坐标的y方向平行，例子：diffraction grating-y. zmx,衍射光栅表面光栅的线条与本地坐标的x轴平行，那么你,Gradient 1 surface,折射率渐变表面1可以用来模拟采用折射率渐变材料加工的光学元件。折射率渐变表面1的重要参数：Delta T，n0，Nr2。例子: gradient .zmx 折射率渐变表面1的折射率公式：,初始结构的设计图：,初始结构的透镜数据：,G

26、radient 1 surface 折射率渐变表面,把表面1的厚度作为变量，用默认的RMS spot优化函数 ，优化，结果：,把表面1的厚度作为变量，用默认的RMS spot,Binary optic 2 surface,二元光学表面2能够以下面的公式在表面上连续改变波前的相位。,二元光学表面2面形的公式：,定义二元光学表面2需要的参数：,Binary optic 2 surface二元光学表面2能,利用二元光学表面来设计一个衍射光学元件，校正轴向色差。例子：binary diffraction .zmx,利用二元光学表面来设计一个衍射光学元件，校正轴向色差。例子：,选择透镜单位为mm，入瞳直

27、径设置为30mm，波长选择F，d，C，视场角0 初始数据：,表面3的厚度设为变量，采用默认RMS优化函数，优化，表面3的厚度变为51.608：,选择透镜单位为mm，入瞳直径设置为30mm，波长选,把二元光学表面的Diffraction order参数设为1，打开Extra Data Editor，按下图输入：,重新优化，结果：,纵坐标：入瞳高度横坐标：不同环带的光线与光轴的交点到参考波长的近轴焦点的距离，向右为正，向左为负,把二元光学表面的Diffraction orde,Jones Matrix surface,琼斯矩阵被用来定义任意偏振的元件。我们以模拟一个x方向的四分之一波片为例：jon

28、es matrix.zmx,Jones Matrix surface 琼斯矩阵被,Birefringent in and out surface,双折射表面in和out一定是成对儿出现，用来模拟双折射晶体，这两个表面之间只能有坐标断点表面存在或者没有其他表面类型存在。 双折射表面的重要参数：Draw axis-晶轴的长度；Mode光线追迹针对o光还是e光的标志；X、Y、Zcosine定义晶轴的方向余弦。例子：birefringence. zmx,Birefringent in and out surfa,常用的分析诊断工具,常用的分析诊断工具,Ray fan plot,光线扇面图是分析几何像差

29、的有力工具，值得好好学习和分析。,光线扇面图的坐标轴是如何定义的？有什么意义呢？,Ray fan plot光线扇面图是分析几何像差的有力工具，,归一化的物、入瞳坐标。通过入瞳某一坐标【PX，PY】的光线在像面上有唯一的位置【EX、EY】，以PX、PY为横坐标，EX、EY为纵坐标，分别建立坐标系，把通过入瞳的光线都在坐标系里描点就得到了光线扇面图,归一化的物、入瞳坐标。通过入瞳某一坐标【PX，PY,zemax软件培训-光学设计必看的经典课件,离焦、球差、彗差、象散的ray fan plot,纯离焦的光线扇面图。例子：defocus. zmx,只存在离焦时的光线扇面图中曲线是两条方向一致的倾斜直线

30、，直线的斜率可正可负，取决于是正离焦还是负离焦,离焦、球差、彗差、象散的ray fan plot纯离焦的光线,纯球差的光线扇面图。例子：spherical. zmx,从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率为0，表明像面正好是近轴像面，没有离焦。曲线整体上来说斜率为负，表示球差欠校正。,纯球差的光线扇面图。例子：spherical. zmx,球差和离焦的光线扇面图。例子：spherical-defocus. zmx,从光线扇面图看到坐标原点附近的曲线斜率不为零，表明像面不在近轴像面，存在离焦。经过一个拐点向下的一段曲线说明还有欠校正 的球差存在。但是跟前面的ray fan相比，纵坐标范围从+-5

31、00um减小到了+-100um。说明离焦平衡了球差。,球差和离焦的光线扇面图。例子：spherical-defoc,三阶球差的控制，我们用偶次多项式非球面来控制三阶球差。例子：a-spherical. zmx,三阶球差可以用偶次多项式非球面的4次项控制，注意看原点附近的曲线，没有离焦，三阶球差被控制，剩下校正过的高阶球差。此时纵坐标范围为+-0.5um。,三阶球差的控制，我们用偶次多项式非球面来控制三阶球,偶次多项式非球面的4次项控制可以控制3阶的球差，6次项可以控制5阶的球差你可以试试控制更高阶的球差，也可以试试同时用离焦来平衡球差，看看Ray fan的曲线如何变化？,偶次多项式非球面的公式

32、：,例子：a-spherical. zmx继续控制5阶的球差，ray fan应该是这个样子,偶次多项式非球面的4次项控制可以控制3阶的球差，6次项可以控,彗差的光线扇面图如图所示。为了显示出彗差的ray fan曲线，我们设计了一个有偶次非球面的透镜，消除球差，移动透镜前光拦的位置，消除象散，使存在的彗差是像差的主要贡献，例子：coma. zmx,三阶彗差的曲线是归一化入瞳坐标的二次函数。,彗差的光线扇面图如图所示。为了显示出彗差的ray,象散的光线扇面图如图所示。为了显示出象散的ray fan曲线，我们还用那个有偶次非球面的透镜，消除球差，光栏的位置在透镜表面，消除弯曲透镜，使彗差为零，使象散

33、成为像差的主要贡献，例子：astigmatism. zmx,象散的曲线跟离焦有些相似，但是象散的子午曲线和弧矢曲线的斜率不同，不仅是大小不同，有时侯斜率的符号也不同。而离焦的子午曲线和弧矢曲线的斜率一定相同。,象散的光线扇面图如图所示。为了显示出象散的ray,常见的ray fan曲线,常见的ray fan曲线,OPD fan,光程差图看上去跟ray fan很类似，横坐标也是归一化的入瞳坐标，只是纵坐标不由光线在像面上的位置决定，它的纵坐标是出瞳处光线的光程与主光线的光程的差值 OPD fan的设置：,Plot scale:设置纵坐标最大范围；number of ray:光线追迹时光线的数量；W

34、avelength、field:用来确定正在计算时选用的波长和视场；Tangential、Sagittal:这里只能选择OPD；use dashes:画图时，是采用颜色表示不同波长还是用虚线来表示；check aperture:检查光线是否能从表面的孔径通过，选择此项，使不能通过表面孔径的光线不被画出；vignetted pupil:选择此项，得到的数据将反映出渐晕的存在。,OPD fan 光程差图看上去跟ray fan很类似,重新打开前面讲ray fan时的各个例子，看看各个基本像差的OPD曲线的特征。你会发现，OPD曲线与ray fan曲线很不一样，事实上他们有一定的联系，比如ray fa

35、n里的离焦曲线是入瞳坐标的一次函数，而离焦的OPD曲线是入瞳坐标的二次函数，其他像差也是如此，他们的OPD曲线都比他们的ray fan曲线高一阶。,像差常有两种表示方法，一种是像面上的横向光线像差，ray fan表示；一种是出瞳面上的光程差，用OPD fan表示。初级横向光线像差一般被称为三阶的像差，而在出瞳面上，他们对应的OPD是四阶的像差,重新打开前面讲ray fan时的各个例子，看看各个,Field Curv/Dist plot,Field Curv/Dist可以用来分析场曲和畸变。左边的是场曲，右边的是畸变。,场曲图的纵坐标是视场角，横坐标是像点偏离近轴像面的距离，T表示子午场曲，S表

36、示弧矢场曲。,畸变图的纵坐标是视场角，横坐标是畸变百分比,Field Curv/Dist plotField Curv,我们来看子午场曲，例子：astigmatism-TC.zmx,从设计图中可以看到像面是弯曲的表面，而场曲图中的T曲线基本与y轴重合，表示子午场曲与像面重合，说明现在的像面就是子午场曲面，这个面上，轴外光线的像是弧矢方向的直线。,我们来看子午场曲，例子：astigmatism-TC.zmx,我们来看弧矢场曲，例子：astigmatism-SC.zmx,这次场曲图中的S曲线基本与y轴重合，表示弧矢场曲与像面重合，说明现在的像面是弧矢场曲面，这个面上，轴外光线的像是子午方向的直线。

37、,我们来看弧矢场曲，例子：astigmatism-SC.zmx,畸变的示意图：,真实主光线在像面上的高度设为H，近轴主光线在像面上的高度设为h，畸变图中纵坐标计算公式： 【(H-h)/h】100%,畸变的示意图：真实主光线在像面上的高度设为H，近轴主光线在像,非序列模式,非序列模式,非序列模式介绍,序列模式下光线是一个面一个面按顺序追迹的，这样的模型简明，计算上快速高效，非常实用和完善的解决需要重要的光学成像问题。然而，非序列的光线追迹也经常需要。因为按照实际物理规律，光线在追迹过程中会遇到很多的对象和表面，没有顺序，甚至是反复在一个对象中来回反射，而完全碰不到其他对象。这种模式下，光线通过物

38、理的顺序，取决于入射光线的角度和位置、对象的初始位置和形状。 非序列模式的光线追迹有两种方式：有端口的非序列和无端口的非序列模式。最明显的区别是无端口的非序列模式必须设置光源和探测器，而有端口的非序列不要光源和探测器。 ZEMAX中的非序列模式支持的功能：多光源、对象和探测器的定义和放置；定义光源的能量；光线与物体的相交顺序自动确定；支持反射、折射和全反射、衍射；支持散射统计,非序列模式介绍 序列模式下光线是一个面一个面按顺序追,小面反射器,我们先来看一个小面反射器的例子，toroidal faceted reflector.zmx。这是一个序列和非序列混合模式的例子，既有非序列的元件又有序列

39、的表面。,小面反射器 我们先来看一个小面反射器的例子，toro,如果在settings里钩选fletch rays，ZEMAX会用箭头表示出光线传播的方向。我们可以看到光线从点光源由左向右传播，在非序列元件小面反射器上反射，向左传播，通过标准透镜。右边的图显示了透镜左边的像面上独特和复杂的光线分布。,如果在settings里钩选fletch rays,光源分布,现在来看一个完全非序列的光线追迹例子，lamps with reflectors.zmx。这个例子有三个射灯和三个探测器。放大3D设计图，可以看到螺旋状结构的灯丝，光线从螺旋灯丝上的随机点出射，经过灯丝周围的反射面反射，向右传播。,光源

40、分布 现在来看一个完全非序列的光线追迹例子，la,要查看探测器上的光分布，通过Detector control surface对话框Trace，然后打开Detector viewer，在settings里选择你想查看的哪一个探测器。下图是探测器1上的光分布，也就是底面的光分布。,要查看探测器上的光分布，通过Detector co,通过NSC shaded model layout的settings中的Detectors选项，可以让shanded layout显示出光线追迹后的结果。,通过NSC shaded model layout,棱镜常用多边形对象-Poly object来模拟，下面一个例

41、子是棱镜的模拟，我们将使用三个poly对象，两个是half-penta棱镜，一个是amici-roof棱镜。为了观察它对偏振光的影响，我们使用序列和非序列的混合模式。例子：prims.zmx。3D设计图如图所示：,棱镜,棱镜常用多边形对象-Poly object来模拟,左边是输入的线偏振光，右边是输出的椭圆偏振光,左边是输入的线偏振光，右边是输出的椭圆偏振光,分束器,我们在非序列模式下用两个45度的直角棱镜斜面相接触，模拟正方体的分束器。例子：beamsplitting.zmx，非序列元件编辑器如下：,因为要分光，所以45度直角棱镜的斜面要镀上50%透射50%反射的理想分光膜。,分束器 我们在

42、非序列模式下用两个45度的直角棱镜斜面,3D设计图如下：,入射光线在棱镜的第一个表面就产生4%的反射，同时入射到直角棱镜的斜面，分成两束光。透射光在第二个直角棱镜的直角面反射，同时在这个面上折射后出射。反射的光向上，在第一个直角棱镜的上表面反射后折射出射,3D设计图如下： 入射光线在棱镜的第一个表面就产生4,散射,在非序列模式下同时运用散射和镀膜功能，可以模拟部分反射部分散射的表面。现在我们模拟一个表面，60%反射，反射的光中80%是伯朗分布的散射，20%是镜面反射。例子：scatter.zmx,不采用散射和镀膜功能时，长方体反射镜100%反射，探测器上光功率总量还是1W,散射 在非序列模式下

43、同时运用散射和镀膜功能，可以模拟,在object 2 properties里给front face镀上60%的反射膜，使用偏振光追迹，结果探测器上收集到的光功率是0.6W：,接下来我们设置反射表面的散射特性，设置如下：,在object 2 properties里给fro,3D设计图的变化：,从辐射强度看，镜面反射的最好,3D设计图的变化： 从辐射强度看，镜面反射的最好,干涉仪,建立一个如图所示的干涉仪，例子：interferometer.zmx。,左上角和右下角的元件是50%反射50%透射的多边体对象，左下角和右上角的元件是反射镜。要使多边体对象50%反射50%透射要给其一个面镀上理想的分光膜

44、,干涉仪 建立一个如图所示的干涉仪，例子：interf,两个探测器上的干涉条纹：,两个探测器上的干涉条纹：,优化,优化,ZEMAX优化功能的介绍,ZEMAX提供的优化功能，可以改善那些给定了一个初始结构、拥有一些参数变量的镜头的性能，当然，前提是在合理构建的评价函数指导之下。参数变量可以是表面曲率、厚度、玻璃、二次常数等。ZEMAX的评价函数由一些操作数组成，这些操作数都有它的当前值、目标值和权重。ZEMAX采用阻尼最小二乘法算法能优化这个评价函数，使其最小。 所以，优化需要三个必要条件：1.通过透镜数据编辑器构建一个可进行光线追迹的系统。2.在透镜数据编辑器中设定合适的变量。3.构建合理的评

45、价函数，包括指定操作数、操作数的目标值、权重以及其他数据。 ZEMAX提供了一些很有用的默认的评价函数。它的构建我们后面具体分析。 ZEMAX还提供了全局优化的工具-全局搜索和锤形优化。他们的区别和用法，后面具体说明。,ZEMAX优化功能的介绍 ZEMAX提供的优化功能,优化函数编辑器,优化函数编辑器里编辑你选择的操作数，一般有八个数据域需要定义，Int1，Int2，Hx，Hy，Px，Py，Target，Weight。不同的操作数Int1，Int2的含义不一样，Hx，Hy，Px，Py是规一化的视场和入瞳坐标，不所有的操作数都需要定义这四个数据域。Value是操作数的当前值，Target是操作数

46、的目标值，Weight是权重，Contrib是操作数在评价函数中的贡献，如果这个值偏大，可以考虑把这个操作数的权重增加,优化函数编辑器优化函数编辑器里编辑你选择的操作数，一般有八个,优化函数的定义和默认的优化函数,优化函数的定义为：,MF表示优化函数，Wi是操作数的权重，Vi是操作数的当前值，Ti是操作数的目标值。,通过优化类型，数据类型和参考的不同组合可以构建不同的默认优化函数。优化类型有RMS和PVT，数据类型有wavefront、spot radius等，参考与质心、主光线、mean三种。,优化函数的定义和默认的优化函数优化函数的定义为：MF表示优化,局部最小和全局最小,采用阻尼最小二乘

47、法的优化算法是一个很有效的方法。但是在多维参数空间中，一个复杂的透镜设计几乎包括了无限多个解决方案。阻尼最小二乘法从你的初始结构出发，可能很快就陷进一个局部的评价函数最小的方案，而找不到无限多个解决方案中评价函数最小的那个方案。如果这种情况发生，你所要做的就是进行干预，这些干预小到权重的变化，大到重新的定义初始结构。,局部最小和全局最小 采用阻尼最小二乘法的优化算法是一,为了说明存在无限多个解的情况下，从不同的初始结构出发，同样的优化函数进行优化的时候会得到不一样的局部最小，我们回过去看前面的一个例子：gradient .zmx，把第一个面的厚度改为3，其他不变，文件保存为：gradient1

48、o1b .zmx,设计图：,为了说明存在无限多个解的情况下，从不同的初始结构出,优化后：,优化后：,ZEMAX的全局优化工具,ZEMAX提供两种独立的全局优化工具，global search和hammer optimization。它们的用途不同。全局搜索工具的使用是在给出评价函数和初始结构的情况用它来寻找一个新的可能达到全局最小的初始结构。它不能产生最终的设计方案。而锤型优化是在发现了一个好的、合理的结构后，用来寻找最终的设计方案。 全局搜索是用来搜索一个新的、有前途的初始结构的。它会产生10个结构的文件，当搜索到新的结构时，它会和已经保留的10个结构比较，更好则保留。最终会保留10个最好的

49、结构。 锤形优化使用的时候除了保留结构变量时，通常还使用玻璃替换，这样更容易找到比较好的解决方案。,ZEMAX的全局优化工具 ZEMAX提供两种独立的全,优化实例-cooke镜头设计,技术指标：35mm照相机的标准焦距5052mm，这里我们取52mm。35mm照相机的底片感光区是24mm*36mm，对角线43.3mm，所以最大半视场角=arctan(43.3/2/52)=22.6度。视场角选择0，9，15.8，22.6。镜头的最大F/#设定为3.5。为了提高光圈减小时镜头的性能，透镜优化的时候保证像面在近轴像面上。因为底片对波长0.4微米到0.7微米之间的光最敏感，所以优化的时候采用5种波长，

50、0.45，0.5，0.55，0.6，0.65。,自由度分析：有8个有效的独立变量，6个表面曲率半径和透镜之间的两个空气间隔。透镜的厚度在这个例子中是弱变量，选择的依据是保证透镜容易加工。透镜的玻璃材料也是有效的变量，实际上，玻璃的选择很大程度上决定了最后的性能。光阑移动这里不作为变量，cooke镜头基本是关于中间的负透镜对称的，这样的结构使像差控制容易些。考虑到镜头中实际要加可变光圈，把光阑放在负透镜后面，这里取2mm。,优化实例-cooke镜头设计 技术指标,玻璃选择的考虑：镜头肯定要消色差，所以正透镜使用低色散的冕玻璃，负透镜使用高色散的火石玻璃。下面的设计中，为了方便，两个正透镜将使用同