zemax學(xué)習(xí)報告

1、ZEMAX軟件學(xué)習(xí)報告摘要：目前我對ZAMAX光學(xué)設(shè)計軟件進(jìn)行了初步入門學(xué)習(xí)，簡單了解了ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件的實際運(yùn)用的幾個例子，以及對其步驟進(jìn)行了詳細(xì)理解。對其分析和運(yùn)用過程的問題進(jìn)行闡述。關(guān)鍵詞：zemax 運(yùn)用例子 使用問題引言：ZEMAX是美國 Radiant Zemax 公司所發(fā)展出的光學(xué)設(shè)計軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化，公差等分析功能，是套可以運(yùn)算sequential（序列性）及Non-Sequential（非序列性）光學(xué)設(shè)計的軟件。ZEMAX光學(xué)設(shè)計程序是一個完整的光學(xué)設(shè)計軟件，是將實際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計概念，優(yōu)化，分析

2、，公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計仿真軟件。包括光學(xué)設(shè)計需要的所有功能，可以在實踐中對所有光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，優(yōu)化，分析，并具有容差能力，所有這些強(qiáng)大的功能都直觀的呈現(xiàn)于用戶界面中。ZEMAX功能強(qiáng)大，速度快，靈活方便，是一個很好的綜合性程序。 ZEMAX能夠模擬連續(xù)和非連續(xù)成像系統(tǒng)及非成像系統(tǒng)。ZEMAX 能夠在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)建模、分析和其他的輔助功能。 ZEMAX 的界面簡單易用， 只需稍加練習(xí)， 就能夠?qū)崿F(xiàn)互動設(shè)計。ZEMAX 中有很多功能能夠通過選擇對話框和下拉菜單來實現(xiàn)。同時，也提供快捷鍵以便快速使用菜單命令。手冊中對使 ZEMAX 時的一些慣用方法進(jìn)行了解釋，對設(shè)計過

3、程和各種功能進(jìn)行了描述。ZEMAX目前已經(jīng)是被光電子領(lǐng)域熟知的光學(xué)設(shè)計的首選軟件。該軟件擁有兩大特點，就是可以實現(xiàn)序列和非序列分析。在全球范圍內(nèi)，這款軟件已經(jīng)被廣大的應(yīng)用在設(shè)計顯示系統(tǒng)，照明，成像的使用系統(tǒng)，激光系統(tǒng)以及漫射光的設(shè)計應(yīng)用方面。一、ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件運(yùn)用實例：1、單透鏡（a singlet）：主要運(yùn)用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件設(shè)計了一個F/4的鏡片，焦距為100mm，在軸上可見光譜范圍內(nèi)，用BK7玻璃的單透鏡。首先我對波長和鏡片數(shù)據(jù)進(jìn)行了錄入，生成了光線特性曲線圖。第二步對光線特性曲線進(jìn)行了優(yōu)化，通過動態(tài)調(diào)整特定鏡片數(shù)據(jù)（選擇邊緣光高），糾正其離焦。生成新的光線特性曲線。第三步對

4、圖像進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，通過對第1面的半徑、第2面半徑以及第2面的厚度上設(shè)置變化的標(biāo)志（Ctrl+Z），稱為變量，這些變量可以用離焦來補(bǔ)償球差。同時對鏡片定義一個評價函數(shù)（理想的鏡頭評價函數(shù)應(yīng)為0）。然后對工具（TOOl）中的最佳化進(jìn)行自動最佳數(shù)值設(shè)定，得到無缺省評價函數(shù)的光線特性曲線。最后將焦距變化圖變化以及多色光焦點漂移（Chromatic Focal Shift）圖展示出來。此時一個F/4的鏡片，焦距為100mm，在軸上可見光譜范圍內(nèi)，用BK7玻璃的單透鏡運(yùn)用ZEMAX完成基本設(shè)計。這次設(shè)計對ZEMAX輸入波長和鏡片數(shù)據(jù)，生成光線特性曲線（ray fan），光程差曲線（OPD），和點列圖

5、（Spot diagram），確定厚度求解方法和變量，進(jìn)行簡單的優(yōu)化這幾個方面進(jìn)行了學(xué)習(xí)。2、雙透鏡（a doublet）：在我對使用ZEMAX對單透鏡進(jìn)行了簡單的設(shè)計后，我對雙透鏡設(shè)計進(jìn)行了學(xué)習(xí)。雙透鏡是單透鏡設(shè)計的進(jìn)一步延伸。首先在ZEMAX軟件中如設(shè)計單透鏡的數(shù)據(jù)進(jìn)行基本錄入，意思首先是對單透鏡的設(shè)計，在進(jìn)一步設(shè)計雙透鏡，所以運(yùn)用上一次設(shè)計數(shù)據(jù)。我們只需要在光闌面加一個面錄入基本數(shù)據(jù)以及玻璃類型。由于上次已有評價函數(shù)，所以直接點擊工具進(jìn)行自動優(yōu)化得到雙透鏡最原始的光線特性曲線。對于雙透鏡的設(shè)計對光學(xué)相差進(jìn)行了質(zhì)的提高。然后用系統(tǒng)選項的跟新全部數(shù)據(jù)窗口。再將其光學(xué)像差變化圖以及二維圖和邊緣

6、厚度數(shù)據(jù)展示出來。由于到這步的時候基本是邊緣厚度過小，所以需要修正邊緣厚度，首先對鏡片孔徑放大。更新圖層，再增加中心厚度保持邊緣厚度在3mm左右。再次更新表面數(shù)據(jù)窗口，然后進(jìn)行自動最佳化，再次更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)。得到新的一系列光線特性曲線以及二維圖、三維圖。最后通過分析新的光線特性曲線得出場曲為主要相差，場曲曲線圖展示。通過雙透鏡的設(shè)計在單透鏡基礎(chǔ)上學(xué)到了產(chǎn)生圖層和視場曲率圖，定義邊緣厚度解，定義視場角。3、牛頓望遠(yuǎn)鏡（a Newtonian telescope）：牛頓望遠(yuǎn)鏡是最簡單的用來矯正軸上像差的望遠(yuǎn)鏡，牛頓望遠(yuǎn)鏡是由一個簡單的拋物線形鏡面組成的拋物線很好地矯正了所有階的球差。同樣的我首先錄入

7、了基本數(shù)據(jù)對鏡面第一面進(jìn)行初步設(shè)定，不同于雙透鏡，牛頓望遠(yuǎn)鏡是一個全新的ZEMAX鏡面設(shè)計。我需要設(shè)計一個1000mm F/5的望遠(yuǎn)鏡，這暗指需要一個曲率半徑為2000mm的鏡面，和一個200mm的孔徑。移動光標(biāo)到第一面，即光闌面的曲率半徑列，輸入-2000.0，負(fù)號表示為凹面?，F(xiàn)在在同一個面上輸入厚度值-1000，這個負(fù)號表示通過鏡面折射后，光線將往“后方”傳遞?，F(xiàn)在在同一面的“Glass”列輸入“MIRROR”，選擇“System”，“General”，然后在“通用數(shù)據(jù)對話框（General Data Dialog Box）”中輸入一個200的孔徑值，并單擊“OK”。得到基本的點列圖和光線

8、特性曲線。評定像質(zhì)的一種較為簡便的方法是將艾利（Airy）衍射斑加到點列圖的頂部。進(jìn)行此操作，可從點列圖的菜單條選擇“Setting”，在“Show Scale”選項中選擇“Airy Disk”，然后單擊“OK”。得到如下圖所示的可以看到有一小簇的光線在六角環(huán)帶的中心，RMS點尺寸是0。改變第一面的厚度著手，將之改為-800mm。現(xiàn)在移動光標(biāo)到像平面，按Insert在主面與像平面之間插入一個虛構(gòu)的面。新的面很快會被轉(zhuǎn)換為折疊面。虛構(gòu)面的作用只是簡單地用來安放折疊鏡面。在新的虛構(gòu)面上輸入一個-200的厚度值，保持鏡面到像平面的總距離為-1000.0?，F(xiàn)在單擊“Tools”，“Add Fold M

9、irror”，然后設(shè)置“Fold Surface”為2，單擊“OK”。然后進(jìn)行一步自動最優(yōu)化，再展示出此設(shè)計鏡面的3D效果圖，可通過鍵入上下左右改變效果圖展示不同角度。在光闌前加入一個虛構(gòu)的面?，F(xiàn)在使得虛構(gòu)面的厚度為900mm，雙擊第一面的“Standard”，在對話框中為孔徑類型選擇圓形遮攔（“Circular Obscuration”），在光束中安放一個“遮攔（Obscuration）”，這樣就考慮到了折疊反射鏡阻擋了一些光束。為“最大半徑（Max Radius）”輸入40，然后單擊確定?？瓷先ジ鼮閷嶋H，如果不是所有的表面都是可見的，選擇“Setting”，然后將第一面和最后一面的選項分別

10、改為1和6，或單擊“Reset”，然后按“OK”。在設(shè)計牛頓望遠(yuǎn)鏡的過程中進(jìn)一步學(xué)學(xué)習(xí)了使用反射鏡，圓錐常量，坐標(biāo)中斷，三維圖形。4、帶有非球面矯正器的 施密特卡塞格林系統(tǒng)（Schmidt-Cassegrain）:施密特卡塞格林系統(tǒng)是一個帶多項式非球面矯正器的完全設(shè)計，相對來說較復(fù)雜，這也是我唯一學(xué)習(xí)的一個光學(xué)系統(tǒng)的完全設(shè)計。同樣第一步仍是進(jìn)行了初步錄入數(shù)據(jù)，設(shè)定波長等等。然后二維圖如下圖所示。我將加入輔助鏡面，并安放像平面。我們以后將讓ZEMAX為輔助面計算恰當(dāng)?shù)那省，F(xiàn)在修改表格，使之如下表所示的以表達(dá)一個新的面。得到新的二維圖像。然后選擇“Editors”，如前面一樣確定評價函數(shù)。然后進(jìn)

11、行自動優(yōu)化。展示出光線特性曲線，評價函數(shù)可以直接關(guān)閉，自動保存。下一步就是單擊第一面（光闌面）的“STANDARD”表面類型，從所顯示的對話框選擇“EVEN ASPHERE”。這種面型允許為非球面校正器指定多項式非球面系數(shù)。單擊OK，在第一面向右移動光標(biāo)直到“4th Order Term”列，鍵入Ctrl-Z。這樣就給這個參數(shù)設(shè)置了一個變量標(biāo)記，當(dāng)前為0。也在“6th Order Term”和“8th Order Term”上設(shè)置變量標(biāo)記。再次進(jìn)行自動優(yōu)化處理得到了光線特性曲線。然后打開視場角，調(diào)整設(shè)計。從主菜單，選SYSTEM，F(xiàn)IELDS，并將視場角的個數(shù)設(shè)置為3，輸入y-角0.0，0.3

12、和0.5度。點擊系統(tǒng)選項中的更新得到新的光線特性曲線。再次進(jìn)行自動優(yōu)化處理，此時已經(jīng)很好的平衡了相差。如果進(jìn)一步用這個設(shè)計的望遠(yuǎn)鏡來拍攝，就會對調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）進(jìn)行分析。下面我對初步的MTF圖進(jìn)行了展示，以及進(jìn)一步設(shè)定孔徑類型以及設(shè)定菜單內(nèi)的最大半徑進(jìn)行了設(shè)定。得到了新的二維圖形如下圖所示。這次進(jìn)行一次光學(xué)系統(tǒng)的完整設(shè)計學(xué)習(xí)了使用多項式的非球面，遮擋，孔徑，求解，優(yōu)化，圖層，MTF圖。5、上述皆是我詳細(xì)學(xué)習(xí)過的常用的典型例子，現(xiàn)在簡單說明更深入的使用功能：（1）：多重結(jié)構(gòu)配置的激光束擴(kuò)大器（a multi-configuration laser beam expander）：使用多重結(jié)構(gòu)

13、配置的性能（2）：折疊反射鏡面和坐標(biāo)斷點（fold mirrors and coordinate breads）：更好地理解坐標(biāo)斷點，為傾斜和偏心系統(tǒng)設(shè)立的符號約定，反射鏡面的應(yīng)用。本教程中描述的大部分技巧都用“Add Fold Mirror”工具自動完成，并提供了坐標(biāo)斷點的手冊條目的祥細(xì)解釋。（3）：消色差單透鏡：附加數(shù)據(jù)編輯器，用二元光學(xué)表面優(yōu)化。（此設(shè)計只能在ZEMAX-EE軟件中進(jìn)行）二、分析和運(yùn)用過程的問題闡述：1、因為是全英文版，運(yùn)用此軟件應(yīng)先對其操作選項進(jìn)行了解。2、操作中主要用到圖像顯示以及系統(tǒng)選項，設(shè)定數(shù)據(jù)基本在半徑、孔徑以及厚度三個大項。3、對于操作過程中的評價函數(shù)應(yīng)特別注

14、意，評價函數(shù)用來確定鏡片好壞，所以應(yīng)注意先確定評價函數(shù)，以免后面過程無效。4、操作中設(shè)定變量（Ctrl+Z）以及自動優(yōu)化處理使用非常廣泛，操作中改變一定數(shù)值就要更新系統(tǒng)選項，以及進(jìn)行自動優(yōu)化處理，得到最好的設(shè)計效果。三、學(xué)習(xí)總匯：在通過此次學(xué)習(xí)ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件的過程中，我學(xué)習(xí)了一下幾個方面：1、單透鏡、雙透鏡、牛頓望遠(yuǎn)鏡以及施密特卡塞格林系統(tǒng)的初步學(xué)習(xí)，對四個光學(xué)設(shè)計的實例進(jìn)行了詳細(xì)操作。2、了解了zemax 的功能概述：(1)分析提供多功能的分析圖形，對話窗式的參數(shù)選擇，方便分析，且可將分析圖形存成圖文件，例如：*.BMP， *.JPG等，也可存成文字文件*.txt。(2)優(yōu)化表欄式merit function參數(shù)輸入，對話窗式預(yù)設(shè)merit function參數(shù)，方便使用者定義，且多種優(yōu)化方