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zemax学习报告解读

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RadiantZemax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（asinglet）：

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（TOOl）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（ChromaticFocalShift）图展示出来。

此时一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃的单透镜运用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（OPD），和点列图（Spotdiagram），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（adoublet）：

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（aNewtoniantelescope）：

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1000mmF/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（GeneralDataDialogBox）”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”，“AddFoldMirror”，然后设置“FoldSurface”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。

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（“CircularObscuration”），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（MaxRadius）”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—卡塞格林系统（Schmidt-Cassegrain）:

施密特—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。

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“4thOrderTerm”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“6thOrderTerm”和“8thOrderTerm”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y-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。

再次进行自动优化处理，此时已经很好的平衡了相差。

如果进一步用这个设计的望远镜来拍摄，就会对调制传递函数（MTF）进行分析。

下面我对初步的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。

这次进行一次光学系统的完整设计学习了使用多项式的非球面，遮挡，孔径，求解，优化，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（amulti-configurationlaserbeamexpander）：

使用多重结构配置的性能

（2）：

折叠反射镜面和坐标断点（foldmirrorsandcoordinatebreads）：

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“AddFoldMirror”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—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，也可存成文字文件*.txt。

（2）优化

表栏式meritfunction参数输入，对话窗式预设meritfunction参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用，诸如LocalOptimization可以快速找到佳值，Global/HammerOptimization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：