zemax學(xué)習(xí)報(bào)告

1、ZEMAX軟件學(xué)習(xí)報(bào)告摘要：目前我對ZAMAX光學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)軟件的實(shí)際運(yùn)用的幾個(gè)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(jì)軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計(jì)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(jì)的軟件。ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)程序是一個(gè)完整的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，是將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念，優(yōu)化，分析

2、，公差以及報(bào)表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件。包括光學(xué)設(shè)計(jì)需要的所有功能，可以在實(shí)踐中對所有光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(gè)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(jì)中實(shí)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(dòng)設(shè)計(jì)。ZEMAX 中有很多功能能夠通過選擇對話框和下拉菜單來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，也提供快捷鍵以便快速使用菜單命令。手冊中對使 ZEMAX 時(shí)的一些慣用方法進(jìn)行了解釋，對設(shè)計(jì)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(jì)的首選軟件。該軟件擁有兩大特點(diǎn)，就是可以實(shí)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(jì)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(jì)應(yīng)用方面。一、ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件運(yùn)用實(shí)例：1、單透鏡（a singlet）：主要運(yùn)用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)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(dòng)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(shí)對鏡片定義一個(gè)評價(jià)函數(shù)（理想的鏡頭評價(jià)函數(shù)應(yīng)為0）。然后對工具（TOOl）中的最佳化進(jìn)行自動(dòng)最佳數(shù)值設(shè)定，得到無缺省評價(jià)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(diǎn)漂移（Chromatic Focal Shift）圖展示出來。此時(shí)一個(gè)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(jì)。這次設(shè)計(jì)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(diǎn)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(gè)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(jì)后，我對雙透鏡設(shè)計(jì)進(jìn)行了學(xué)習(xí)。雙透鏡是單透鏡設(shè)計(jì)的進(jìn)一步延伸。首先在ZEMAX軟件中如設(shè)計(jì)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(jì)，在進(jìn)一步設(shè)計(jì)雙透鏡，所以運(yùn)用上一次設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。我們只需要在光闌面加一個(gè)面錄入基本數(shù)據(jù)以及玻璃類型。由于上次已有評價(jià)函數(shù)，所以直接點(diǎn)擊工具進(jìn)行自動(dòng)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(jì)對光學(xué)相差進(jìn)行了質(zhì)的提高。然后用系統(tǒng)選項(xiàng)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(shí)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(dòng)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(jì)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(gè)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(gè)全新的ZEMAX鏡面設(shè)計(jì)。我需要設(shè)計(jì)一個(gè)1000mm F/5的望遠(yuǎn)鏡，這暗指需要一個(gè)曲率半徑為2000mm的鏡面，和一個(gè)200mm的孔徑。移動(dòng)光標(biāo)到第一面，即光闌面的曲率半徑列，輸入-2000.0，負(fù)號(hào)表示為凹面?，F(xiàn)在在同一個(gè)面上輸入厚度值-1000，這個(gè)負(fù)號(hào)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(gè)200的孔徑值，并單擊“OK”。得到基本的點(diǎn)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(diǎn)列圖的頂部。進(jìn)行此操作，可從點(diǎn)列圖的菜單條選擇“Setting”，在“Show Scale”選項(xiàng)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(diǎn)尺寸是0。改變第一面的厚度著手，將之改為-800mm?，F(xiàn)在移動(dòng)光標(biāo)到像平面，按Insert在主面與像平面之間插入一個(gè)虛構(gòu)的面。新的面很快會(huì)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(gè)-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(dòng)最優(yōu)化，再展示出此設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)“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。看上去更為實(shí)際，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(xiàng)分別

10、改為1和6，或單擊“Reset”，然后按“OK”。在設(shè)計(jì)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(gè)帶多項(xiàng)式非球面矯正器的完全設(shè)計(jì)，相對來說較復(fù)雜，這也是我唯一學(xué)習(xí)的一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的完全設(shè)計(jì)。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(jì)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(gè)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(jià)函數(shù)。然后進(jìn)

11、行自動(dòng)優(yōu)化。展示出光線特性曲線，評價(jià)函數(shù)可以直接關(guān)閉，自動(dòng)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(xiàng)式非球面系數(shù)。單擊OK，在第一面向右移動(dòng)光標(biāo)直到“4th Order Term”列，鍵入Ctrl-Z。這樣就給這個(gè)參數(shù)設(shè)置了一個(gè)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(dòng)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(jì)。從主菜單，選SYSTEM，F(xiàn)IELDS，并將視場角的個(gè)數(shù)設(shè)置為3，輸入y-角0.0，0.3

12、和0.5度。點(diǎn)擊系統(tǒng)選項(xiàng)中的更新得到新的光線特性曲線。再次進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化處理，此時(shí)已經(jīng)很好的平衡了相差。如果進(jìn)一步用這個(gè)設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡來拍攝，就會(huì)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(jì)學(xué)習(xí)了使用多項(xiàng)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(diǎn)（fold mirrors and coordinate breads）：更好地理解坐標(biāo)斷點(diǎn)，為傾斜和偏心系統(tǒng)設(shè)立的符號(hào)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(dòng)完成，并提供了坐標(biāo)斷點(diǎn)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(jì)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?yàn)槭侨⑽陌?，運(yùn)用此軟件應(yīng)先對其操作選項(xiàng)進(jìn)行了解。2、操作中主要用到圖像顯示以及系統(tǒng)選項(xiàng)，設(shè)定數(shù)據(jù)基本在半徑、孔徑以及厚度三個(gè)大項(xiàng)。3、對于操作過程中的評價(jià)函數(shù)應(yīng)特別注

14、意，評價(jià)函數(shù)用來確定鏡片好壞，所以應(yīng)注意先確定評價(jià)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(dòng)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(xiàng)，以及進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化處理，得到最好的設(shè)計(jì)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(jì)軟件的過程中，我學(xué)習(xí)了一下幾個(gè)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(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)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