光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX簡(jiǎn)介PPT課件

1、2021/3/91 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 趙晨光2021/3/92什么是什么是ZEMAX？o 設(shè)計(jì)工具，助手設(shè)計(jì)工具，助手o ZEMAX是一個(gè)用來(lái)模擬、分析和輔助設(shè)是一個(gè)用來(lái)模擬、分析和輔助設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的程序計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的程序。o 同類型的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件還有同類型的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件還有Code V，Tracepro，Oslo等。等。2021/3/93ZEMAX特點(diǎn)特點(diǎn)o界面友好，容易上手，資料豐富界面友好，容易上手，資料豐富o可建立反射、折射、衍射及散射等模型可建立反射、折射、衍射及散射等模型o可進(jìn)行偏振、鍍膜和溫度、氣壓等分析可進(jìn)行偏振、鍍膜和溫度、氣壓等分析o有強(qiáng)大的像質(zhì)評(píng)價(jià)

2、和分析功能有強(qiáng)大的像質(zhì)評(píng)價(jià)和分析功能o豐富的資料庫(kù)，大量現(xiàn)成的鏡頭和玻璃、樣豐富的資料庫(kù)，大量現(xiàn)成的鏡頭和玻璃、樣板數(shù)據(jù)，可供用戶選擇。板數(shù)據(jù)，可供用戶選擇。2021/3/94ZEMAX界面2021/3/95oZEMAX是焦點(diǎn)公司的產(chǎn)品，在大陸的代理是焦點(diǎn)公司的產(chǎn)品，在大陸的代理商是訊技光電科技商是訊技光電科技(上海上海)有限公司。有限公司。o共有三個(gè)版本共有三個(gè)版本Zemax-se (標(biāo)準(zhǔn)版標(biāo)準(zhǔn)版)Zemax-xe (完整版完整版)Zemax-ee (專業(yè)版專業(yè)版)2021/3/96o ZEMAX能夠輔助你設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，但不能夠輔助你設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，但不能教你如何去進(jìn)行鏡頭或光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能

3、教你如何去進(jìn)行鏡頭或光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，更不能自動(dòng)智能設(shè)計(jì)。更不能自動(dòng)智能設(shè)計(jì)。o 用用ZEMAX進(jìn)行設(shè)計(jì)需要你的光學(xué)設(shè)計(jì)知進(jìn)行設(shè)計(jì)需要你的光學(xué)設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。 2021/3/97參考書(shū)目參考書(shū)目o幾何光學(xué)幾何光學(xué).像差光學(xué)像差光學(xué).設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 李曉彤著李曉彤著 浙江大學(xué)出版社浙江大學(xué)出版社 o工程光學(xué)設(shè)計(jì)工程光學(xué)設(shè)計(jì) 蕭澤新著蕭澤新著 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社o工程光學(xué)基礎(chǔ)工程光學(xué)基礎(chǔ) 徐家驊著徐家驊著 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社o應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用光學(xué) 安連生著安連生著 北京理工大學(xué)出版社北京理工大學(xué)出版社o工程光學(xué)工程光學(xué) 郁道銀、談恒英著郁道銀、談恒英著 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版

4、社2021/3/98ZEMAX界面2021/3/99系統(tǒng)孔徑系統(tǒng)孔徑2021/3/910o決定入瞳大小，決定光學(xué)系統(tǒng)在物空間收集決定入瞳大小，決定光學(xué)系統(tǒng)在物空間收集 多少光線多少光線o孔徑類型孔徑類型 Entrance Pupil Diameter 入瞳大小入瞳大小Image Space F/# 像空間近軸像空間近軸F數(shù)數(shù)(f/D)Object Space Numerical Aperture 物空間邊緣光線數(shù)值孔徑物空間邊緣光線數(shù)值孔徑Float by Size 入瞳大小由光欄半徑?jīng)Q定入瞳大小由光欄半徑?jīng)Q定Paraxial working F/# 像空間近軸工作像空間近軸工作F數(shù)數(shù)(1/2

5、ntg)Object Cone Angle 物空間邊緣光線的半角物空間邊緣光線的半角 2021/3/911設(shè)定視場(chǎng)（設(shè)定視場(chǎng)（Field)可以設(shè)置可以設(shè)置12個(gè)視場(chǎng)，可以是下面四種形式：個(gè)視場(chǎng)，可以是下面四種形式：物方視場(chǎng)角（物方視場(chǎng)角（Angle(Degree)）物高（物高（Object Height）近軸像高（近軸像高（Paraxial Image Height）實(shí)際像高（實(shí)際像高（Real Image Height）2021/3/9122021/3/913工作波長(zhǎng)（工作波長(zhǎng)（Wave）o ZEMAX最多可以定義最多可以定義12個(gè)工作波長(zhǎng)。個(gè)工作波長(zhǎng)。o必須設(shè)定一個(gè)主波長(zhǎng)（必須設(shè)定一個(gè)主波

6、長(zhǎng)（Primary,也稱作參也稱作參考波長(zhǎng)），它是用來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的考波長(zhǎng)），它是用來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的effective focal length, system apertures, F/#等數(shù)值。其它波長(zhǎng)可用來(lái)計(jì)算色差。等數(shù)值。其它波長(zhǎng)可用來(lái)計(jì)算色差。o根據(jù)不同波長(zhǎng)的重要性，權(quán)重可以不同。根據(jù)不同波長(zhǎng)的重要性，權(quán)重可以不同。o波長(zhǎng)單位為微米。波長(zhǎng)單位為微米。2021/3/9142021/3/915鏡頭數(shù)據(jù)鏡頭數(shù)據(jù)面形面形 注釋注釋 曲率半徑曲率半徑 厚度厚度 材質(zhì)材質(zhì) 孔徑孔徑 鍍膜鍍膜2021/3/916練習(xí)練習(xí)o目的：練習(xí)如何建立初始結(jié)構(gòu)、設(shè)定視場(chǎng)和目的：練習(xí)如何建立初始結(jié)構(gòu)、設(shè)定視場(chǎng)和工作波長(zhǎng)

7、。工作波長(zhǎng)。o題目：建立一個(gè)單透鏡，入瞳直徑題目：建立一個(gè)單透鏡，入瞳直徑20mm，兩個(gè)面的曲率半徑分別為兩個(gè)面的曲率半徑分別為50mm，-70mm，中心厚度為中心厚度為4mmo視場(chǎng)視場(chǎng)0，7，10度度o波長(zhǎng)：可見(jiàn)光波長(zhǎng)：可見(jiàn)光o玻璃材料：玻璃材料：BK72021/3/917例子例子：雙膠鏡頭設(shè)計(jì)雙膠鏡頭設(shè)計(jì)雙膠鏡頭是個(gè)比較好的練習(xí)：雙膠鏡頭是個(gè)比較好的練習(xí)：o幾乎所有光學(xué)設(shè)計(jì)都有雙膠合透鏡，其中一塊正透鏡常用冕玻璃，負(fù)幾乎所有光學(xué)設(shè)計(jì)都有雙膠合透鏡，其中一塊正透鏡常用冕玻璃，負(fù)透鏡用火石玻璃，透鏡用火石玻璃，o通過(guò)正確選擇玻璃，可以校正通過(guò)正確選擇玻璃，可以校正 球差、彗差和軸向色差，球差、

8、彗差和軸向色差，o有些設(shè)計(jì)，可以通過(guò)將單透鏡分裂為雙膠合透鏡得到改進(jìn)。有些設(shè)計(jì)，可以通過(guò)將單透鏡分裂為雙膠合透鏡得到改進(jìn)。雙膠合透鏡包含的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：雙膠合透鏡包含的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：o3個(gè)曲率半徑，個(gè)曲率半徑，o3個(gè)厚度值，個(gè)厚度值，o2種玻璃的折射率和種玻璃的折射率和V-number，o光欄的位置。光欄的位置。2021/3/918設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求o用用F，d, C光光oEPD=50mmoF/8oFOV=10度度o最小的邊緣最小的邊緣/中心厚度為中心厚度為4mm，最大中心厚度為最大中心厚度為18mmo使用合適的標(biāo)準(zhǔn)使用合適的標(biāo)準(zhǔn)o選擇合適的玻璃選擇合適的玻璃2021/3/919設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)過(guò)程o定

9、義系統(tǒng)的孔徑定義系統(tǒng)的孔徑o定義視場(chǎng)和波長(zhǎng)定義視場(chǎng)和波長(zhǎng)(各各3個(gè)個(gè))o定義正確的面數(shù)定義正確的面數(shù)o增加增加F/# solveo假定初始玻璃為常用的冕玻璃和火石玻璃：假定初始玻璃為常用的冕玻璃和火石玻璃：BK7和和F2o建立優(yōu)化函數(shù)，用建立優(yōu)化函數(shù)，用RMS spot radius優(yōu)化優(yōu)化o增加邊界約束條件增加邊界約束條件o優(yōu)化玻璃優(yōu)化玻璃2021/3/920第一步：系統(tǒng)第一步：系統(tǒng)General data設(shè)置設(shè)置o選擇選擇“Gen”按鈕，在按鈕，在aperture type中選擇中選擇Entrance pupil diameter，Aperture value為為50。2021/3/921

10、第二步：視場(chǎng)和波長(zhǎng)的設(shè)置第二步：視場(chǎng)和波長(zhǎng)的設(shè)置o點(diǎn)點(diǎn)“Fie” 和和“Wav”按鈕，按鈕，o視場(chǎng)角為視場(chǎng)角為0，7，10三個(gè)，三個(gè)，o波長(zhǎng)直接選擇可見(jiàn)光。波長(zhǎng)直接選擇可見(jiàn)光。2021/3/922第三步：建立第三步：建立surface datao建立建立6個(gè)面，包括個(gè)面，包括Obj, Stop,3 lens和和image surface。o輸入玻璃牌號(hào)，前面為輸入玻璃牌號(hào)，前面為BK7,后面為火石后面為火石F2。2021/3/923第四步：為第四步：為F/#添加添加Solve在光學(xué)面在光學(xué)面4的的curvature上，增加上，增加solve：o將將surface 4的的radius欄上點(diǎn)右鍵，

11、欄上點(diǎn)右鍵，o選擇選擇F/#的的solve type，輸入其值為輸入其值為8 ，oZEMAX會(huì)自動(dòng)調(diào)整這個(gè)面的曲率半徑的值。會(huì)自動(dòng)調(diào)整這個(gè)面的曲率半徑的值。2021/3/924第五步：建立優(yōu)化函數(shù)第五步：建立優(yōu)化函數(shù)o打開(kāi)打開(kāi)EditorMerit function，o打開(kāi)打開(kāi)Default merit function對(duì)話框，選擇對(duì)話框，選擇RMS spot radius作為優(yōu)作為優(yōu)化數(shù)據(jù)，加入邊界約束條件?；瘮?shù)據(jù)，加入邊界約束條件。2021/3/925第六步：設(shè)置變量并優(yōu)化第六步：設(shè)置變量并優(yōu)化o將將2個(gè)曲率半徑和個(gè)曲率半徑和4個(gè)厚度都設(shè)置為變量，個(gè)厚度都設(shè)置為變量，o優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化計(jì)算。

12、o結(jié)果的結(jié)果的2D layout和和ray fan如下：如下：2021/3/926第七步：分析第七步：分析o哪些像差已經(jīng)校正了？哪些沒(méi)有校正？哪個(gè)是主要的像差？光哪些像差已經(jīng)校正了？哪些沒(méi)有校正？哪個(gè)是主要的像差？光欄的位置如何？欄的位置如何？o本設(shè)計(jì)中：本設(shè)計(jì)中：o(1)不需要專門指定色差的目標(biāo)值不需要專門指定色差的目標(biāo)值o(2)缺省優(yōu)化函數(shù)對(duì)軸上色差有比較好的校正缺省優(yōu)化函數(shù)對(duì)軸上色差有比較好的校正o(3)將光欄向離開(kāi)透鏡的方向移動(dòng)，會(huì)引入橫向色差將光欄向離開(kāi)透鏡的方向移動(dòng)，會(huì)引入橫向色差o(4)邊界條件基本滿足邊界條件基本滿足o(5)可以將可以將stop向透鏡的方向移動(dòng)，以減小橫向色差。

13、向透鏡的方向移動(dòng)，以減小橫向色差。2021/3/927優(yōu)化（Optimization）oOptimization是Zemax最重要的功能之一oOptimization是通過(guò)改變光學(xué)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)的值來(lái)提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量的。2021/3/928Zemax提供了默認(rèn)的評(píng)價(jià)函數(shù)提供了默認(rèn)的評(píng)價(jià)函數(shù)2021/3/929oZemax提供了提供了200多種操作數(shù)（用多種操作數(shù)（用4個(gè)大個(gè)大寫(xiě)字母縮寫(xiě)組成），如寫(xiě)字母縮寫(xiě)組成），如EFFL，可以控制包，可以控制包括系統(tǒng)參數(shù)、像差、括系統(tǒng)參數(shù)、像差、MTF、圓內(nèi)能量集中、圓內(nèi)能量集中度、光線約束、邊界條件約束、玻璃材料的度、光線約束、邊界條件約束、玻璃材料的

14、范圍等。范圍等。2021/3/930Optimization使用建議使用建議o在設(shè)計(jì)初期優(yōu)化時(shí)不需要追跡所有視場(chǎng)和波在設(shè)計(jì)初期優(yōu)化時(shí)不需要追跡所有視場(chǎng)和波長(zhǎng)的光線，這樣可以節(jié)省時(shí)間。長(zhǎng)的光線，這樣可以節(jié)省時(shí)間。o使用視場(chǎng)點(diǎn)平衡使用視場(chǎng)點(diǎn)平衡o使用使用solveo盡可能用默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)盡可能用默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)o要搞清楚哪些量在變要搞清楚哪些量在變o用比較好的初始結(jié)構(gòu)用比較好的初始結(jié)構(gòu)2021/3/931使用視場(chǎng)點(diǎn)平衡使用視場(chǎng)點(diǎn)平衡o選擇適當(dāng)?shù)囊晥?chǎng)點(diǎn)數(shù)目，使視場(chǎng)劃分為等面選擇適當(dāng)?shù)囊晥?chǎng)點(diǎn)數(shù)目，使視場(chǎng)劃分為等面積的圓環(huán)。積的圓環(huán)。o對(duì)比較小的視場(chǎng)，就用對(duì)比較小的視場(chǎng)，就用0，1兩個(gè)視場(chǎng)兩個(gè)視場(chǎng)o對(duì)中等視場(chǎng)

15、（小于對(duì)中等視場(chǎng)（小于20度），就用度），就用0，0.7和和1三個(gè)視場(chǎng)三個(gè)視場(chǎng)o對(duì)大的視場(chǎng)，就用對(duì)大的視場(chǎng)，就用0，0.577，0.816和和1四個(gè)視場(chǎng)四個(gè)視場(chǎng)2021/3/932使用使用solveo盡量用盡量用solve的功能的功能o如：如：o在曲率半徑上用在曲率半徑上用MRA或或F/#控制控制F/#或或EFLo在厚度上用在厚度上用MRH控制焦點(diǎn)的位置控制焦點(diǎn)的位置o用用Pick up 使不同面的對(duì)應(yīng)量之間保持聯(lián)系使不同面的對(duì)應(yīng)量之間保持聯(lián)系2021/3/933標(biāo)題欄及快捷鍵標(biāo)題欄及快捷鍵o文件：用于鏡頭文件的打開(kāi)、關(guān)閉等。文件：用于鏡頭文件的打開(kāi)、關(guān)閉等。o編輯：用于調(diào)用其它的編輯窗口。編

16、輯：用于調(diào)用其它的編輯窗口。o系統(tǒng)：用于確定整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)：用于確定整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的屬性。2021/3/934o分析：此功能不是用于改變鏡頭數(shù)據(jù)，而是根分析：此功能不是用于改變鏡頭數(shù)據(jù)，而是根 據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字計(jì)算和圖像顯示分析。據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字計(jì)算和圖像顯示分析。o工具：用來(lái)改變鏡頭數(shù)據(jù)，可以從總體上對(duì)系工具：用來(lái)改變鏡頭數(shù)據(jù)，可以從總體上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。包括優(yōu)化、公差、樣板匹配等。統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。包括優(yōu)化、公差、樣板匹配等。o報(bào)告：提供鏡頭設(shè)計(jì)的相關(guān)文檔。報(bào)告：提供鏡頭設(shè)計(jì)的相關(guān)文檔。o宏：用于編輯運(yùn)行宏：用于編輯運(yùn)行ZPL宏。宏。o擴(kuò)展功能：提供擴(kuò)展功能：提供Zemax提供的擴(kuò)展功能提供

17、的擴(kuò)展功能。2021/3/935 文件菜單文件菜單2021/3/936使用使用session文件文件o選中此項(xiàng)，則存儲(chǔ)每個(gè)窗口的設(shè)置和它們?cè)谶x中此項(xiàng)，則存儲(chǔ)每個(gè)窗口的設(shè)置和它們?cè)谄聊簧系拇笮∥恢玫人行畔?。屏幕上的大小位置等所有信息。o除了除了.ZMX文件外，還產(chǎn)生一個(gè)文件外，還產(chǎn)生一個(gè).SES文件文件。2021/3/937兩種光線追跡模式兩種光線追跡模式oSequential or Mixed Sequential/Non-Sequential Modeo序列和混合序列與非序列模式序列和混合序列與非序列模式（共軸模式）（共軸模式）oNon-Sequential Modeo非序列模式非序列模式

18、（非共軸模式）（非共軸模式）2021/3/938共軸模式（常用）共軸模式（常用）o以光學(xué)面來(lái)建構(gòu)模型。以光學(xué)面來(lái)建構(gòu)模型。o計(jì)算時(shí)考慮光學(xué)面之順序。計(jì)算時(shí)考慮光學(xué)面之順序。o各光學(xué)面只計(jì)算一次。各光學(xué)面只計(jì)算一次。o計(jì)算速度快計(jì)算速度快, ,時(shí)間短。時(shí)間短。o可作可作優(yōu)優(yōu)化計(jì)算化計(jì)算(Optimization) (Optimization) 及及公差分析公差分析(Tolerance)(Tolerance)2021/3/939非共軸模式非共軸模式o以物件之觀念建構(gòu)模型。以物件之觀念建構(gòu)模型。o無(wú)順序之考慮。無(wú)順序之考慮。o對(duì)同一物件可同時(shí)計(jì)算穿透對(duì)同一物件可同時(shí)計(jì)算穿透, ,反射反射, ,吸收及

19、散吸收及散射。射。o需模擬大量光線需模擬大量光線( (需較長(zhǎng)時(shí)間需較長(zhǎng)時(shí)間) )。o最接近真實(shí)光線之行為。最接近真實(shí)光線之行為。o無(wú)法作優(yōu)化及公差分析。無(wú)法作優(yōu)化及公差分析。2021/3/940編輯菜單編輯菜單o鏡頭數(shù)據(jù)鏡頭數(shù)據(jù)o評(píng)介函數(shù)評(píng)介函數(shù)o多重結(jié)構(gòu)多重結(jié)構(gòu)o公差數(shù)據(jù)公差數(shù)據(jù)o附加數(shù)據(jù)附加數(shù)據(jù)2021/3/941系統(tǒng)菜單系統(tǒng)菜單o通用數(shù)據(jù)通用數(shù)據(jù)o視場(chǎng)視場(chǎng)o波長(zhǎng)波長(zhǎng)o下一重結(jié)構(gòu)下一重結(jié)構(gòu)o最后結(jié)構(gòu)最后結(jié)構(gòu)2021/3/942分析菜單分析菜單2021/3/943o系統(tǒng)外形圖系統(tǒng)外形圖o扇形曲線圖扇形曲線圖o點(diǎn)列圖點(diǎn)列圖o調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)o點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)o波前波前o表面表面o均方根均方根o包圍圓能量包圍圓能量2021/3/944o照度照度o像分析像分析o雙目分析雙目分析o其它其它o畸變系數(shù)畸變系數(shù)o計(jì)算計(jì)算o漸變折射率漸變折射率o偏振偏振o膜層膜層o物理光學(xué)物理光學(xué)2021/3/945工具菜單工具菜單2021/3/946o優(yōu)化優(yōu)化o公差公差o套樣板套樣板o玻璃庫(kù)玻璃庫(kù)o鏡頭庫(kù)鏡頭庫(kù)2021/3/947報(bào)表菜單報(bào)表菜單o表面數(shù)據(jù)表面數(shù)據(jù)o系統(tǒng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)o規(guī)格數(shù)據(jù)規(guī)格數(shù)據(jù)o圖形圖形4/6報(bào)告報(bào)告20