zemax培訓(xùn)教程總教材

1、ZEMAX軟件培訓(xùn)教程國(guó)內(nèi)外光學(xué)設(shè)計(jì)軟件情況國(guó)內(nèi)情況： 北京理工大學(xué)(SOD)，南京理工大學(xué)等自編光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。國(guó)外情況： Optical Research Associates: Code V Lambda: OSLO等。ZEMAX已經(jīng)成為當(dāng)今使用最普遍的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 市場(chǎng)占有率：8085% 全球已經(jīng)銷(xiāo)售了兩萬(wàn)多套 臺(tái)灣已經(jīng)銷(xiāo)售600多套 大陸已經(jīng)有300多套，知道和需要購(gòu)買(mǎi)者越來(lái)越多市場(chǎng)應(yīng)用 應(yīng)用范圍：傳統(tǒng)相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、內(nèi)窺鏡等光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)DVD、VCD讀寫(xiě)頭投影系統(tǒng)，背投電視照明系統(tǒng)干涉儀LEDLaser diode光通信器件設(shè)計(jì)等等Zemax使用群NASA美國(guó)太空總署,Sandia

2、 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室, U.S.Army軍隊(duì), HP, Motorola臺(tái)灣:電子所,中科院,大學(xué)以及掃描儀,相機(jī),望遠(yuǎn)鏡,投影機(jī)等制造商.大陸：光學(xué)、光電研究所，大學(xué)，光學(xué)公司，光學(xué)加工廠(chǎng)，從事光學(xué)鏡頭、條形碼、投影儀、背投影電視、光通信器件、VCD及DVD讀寫(xiě)頭等的設(shè)計(jì)的公司。ZEMAX概述大部分圖形窗口都提供文本信息。steven:鏡頭數(shù)據(jù)（Lens Data）：曲率半徑、厚度、材質(zhì)和其他參數(shù)。各量符號(hào)規(guī)定：Thickness：從左到右距離為正，否則為負(fù)。+ +Pick Up練習(xí)Double-pass system目的：學(xué)習(xí)和體會(huì)Pick up solve的功能。題目：光線(xiàn)通過(guò)一個(gè)透鏡，遇到一個(gè)

3、反射鏡以后，反射回來(lái)，再次通過(guò)這個(gè)透鏡。具體要求為：物距100mm，光欄在反射鏡上；透鏡厚度10mm，玻璃為BK7，NA0.1，二個(gè)面的曲率半徑分別為100mm,-100mm，都是變量；透鏡到反射鏡的距離為100mm；物高為10mm，一個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)；光源波長(zhǎng)為0.55m對(duì)spot radius進(jìn)行優(yōu)化；用pick up solve保持radii的一致。Step 1：Lens data New打開(kāi)Lens data editor在OBJ和IMA之間插入5個(gè)面。輸入radius, thickness, glass參數(shù)。注意Thickness符號(hào)的變化。Semi-Diameter的數(shù)據(jù)都為0。Step

4、2:Stop設(shè)置在surface 3的standard面形處點(diǎn)右鍵或左鍵，彈出surface property對(duì)話(huà)框；將Make surface stop復(fù)選框選中，將光欄放在反射鏡上。Step 3:General 設(shè)置SystemGeneral(或Gen工具欄按鈕)，彈出General設(shè)置對(duì)話(huà)框；General 設(shè)置選擇Aperture項(xiàng)，將Aperture type設(shè)置為object space NA, Aperture value為0.1，并確定。這時(shí)，Lens data中的Semi-Diameter中會(huì)自動(dòng)給出合適的數(shù)據(jù)，但OBJ一欄的Semi-Diameter仍然為0。Step 4:

5、Field point設(shè)置SystemFields（或Fie工具欄按鈕),彈出Field data窗口。選擇Object Height為視場(chǎng)，在Y-Field中輸入10。Step 5:Wavelength設(shè)置System Wavelength （或Wav工具欄按鈕),彈出Wavelength data窗口。選擇OK，將光源波長(zhǎng)設(shè)置為0.55m。Step 6: Layout通過(guò)AnalysisLayout(或Lay,L3d工具欄按鈕)查看系統(tǒng)的外觀(guān)圖形。2D Layout 和Shaded ModelStep 7:設(shè)置變量和Pick Up在優(yōu)化過(guò)程中，需要將radius和thickness設(shè)置為變

6、量。為了使surface 4,5與surface2,1的參數(shù)一起變化，需要對(duì)surface 4,5用Pick Up solve。Step 8:Merit Function設(shè)置EditorsMerit function,彈出Merit function editor對(duì)話(huà)框，從ToolsDefault Merit function中調(diào)出Default Merit functionDefault Merit function設(shè)置將優(yōu)化數(shù)設(shè)置為spot radius，玻璃的最大厚度為20mmStep 9:OptimizationToolsOptimization(或工具欄中的Opt按鈕)，調(diào)出優(yōu)化運(yùn)行

7、對(duì)話(huà)框，選擇automatic的方式進(jìn)行優(yōu)化。在執(zhí)行優(yōu)化運(yùn)算的過(guò)程中，MF的值在減小，直到其減小的比例小于設(shè)定值。優(yōu)化后的Lens data在優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)置為變量的參數(shù)會(huì)改變。通過(guò)使用Pick Up solve，確保使surface 4,5的radius和thickness隨surface 1,2一起變。優(yōu)化后的Layout通過(guò)優(yōu)化，將像成在像面上，并且得到最小的spot size。在Edit中可以對(duì)config和operand的數(shù)目進(jìn)行增減。要改變operand的類(lèi)型，在type欄上雙擊，就會(huì)在Multi-config operands對(duì)話(huà)框中改變操作數(shù)的類(lèi)型。用cut glass把myg

8、lass玻璃庫(kù)里面的玻璃刪除，但必須保留一個(gè)；Defining the initial beamAnalysis Physical Optics Physical Optics Propagation ：Sampling and WidthX-和Y-Sampling：定義表示光束的采樣點(diǎn)數(shù)；數(shù)據(jù)越大，越精確，X-和Y-Width：?jiǎn)挝粸閘ens units。寬度越大，在光束部分的周?chē)橇愎鈴?qiáng)的空間越大，稱(chēng)為guard band,。光束有像差時(shí)，這個(gè)空間允許光束擴(kuò)展。如果光束部分與陣列的邊緣太近，則會(huì)出現(xiàn)偽光譜(alias)并反射到光束中去，降低計(jì)算的精度。一般用auto比較好。Beam Pro

9、file 初始光束由以下幾種類(lèi)型定義：Gaussian WaistGaussian AngleGaussian Size+AngleTop HatUser defined table in a fileUser defined DLL program光束可以定義在任何視場(chǎng)內(nèi)，方向沿著主光線(xiàn)，從starting surface傳播到 ending surface。Gaussian WaistGaussian Angle和Gaussian Waist光束類(lèi)似，不同的是Gaussian Angle beam是由遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的半角定義。ZEMAX用發(fā)散角計(jì)算光腰。如果X，Y方向發(fā)散角不同，則產(chǎn)生橢園形光

10、束。Gaussian Size+AngleGaussian Size+Angle beam由開(kāi)始面上的beam size (not waist) 和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角定義(空氣中)。 ZEMAX用這2個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算束腰，位置和位相。束腰：相對(duì)光腰的Z位置為：Zr是Rayleigh范圍。Top Hattop hat beam的定義為：E0是peak irradiance。X，Y陣列的寬度至少是光腰的6-10倍。Surface specific settings 在surface property中，對(duì)每一個(gè)面都可以進(jìn)行與POP相關(guān)的設(shè)置：例子：Spatial filter用空間濾波器對(duì)有像差的光束濾波：(

11、1)一個(gè)Spatial filter將光束聚焦到針孔上，然后由另一個(gè)透鏡恢復(fù)到整個(gè)尺寸；(2)在焦平面上，產(chǎn)生入射光強(qiáng)分布的付氏變換；(3)小的針孔只允許基模通過(guò)；(4)輸出是Gaussian光強(qiáng)，旁邊有一些低光強(qiáng)的環(huán)。這個(gè)例子不能用光線(xiàn)追跡實(shí)現(xiàn)。Start Point從lens catalog中選擇Linos Photonics中的033481號(hào)鏡頭。點(diǎn)Load將鏡頭數(shù)據(jù)調(diào)入ZEMAX。這是一個(gè)二片的鏡頭。Start Point它的工作波長(zhǎng)為He-Ne激光，EPD=4mm，校正像差。Recollimate將另一個(gè)對(duì)稱(chēng)鏡頭放在系統(tǒng)中，讓出射光線(xiàn)重新變?yōu)闇?zhǔn)直光。方法如下：(1)在IMA面前面插入

12、一個(gè)dummy面，厚度為pickup(from surface 4),(2)在surface 6插入另一個(gè)033481號(hào)鏡頭，(3)higlight第二個(gè)鏡頭的所有面，(4)ToolReverse Elements使第二個(gè)鏡頭顛倒過(guò)來(lái)。2D Layout到像面的距離設(shè)為5mmLens Data EditorLens Data Editor需要在中間的焦平面上放一個(gè)針孔。方法是：在焦平面上放一個(gè)dummy面，將其口徑設(shè)置為1mm，以便能在layout中看到它。Pinhole將surface 6設(shè)置為針孔，大小為0.006mmLayout這時(shí)的2D圖為：Gaussian Beam假定Gaussia

13、n Beam為：束腰=1.15mm，surf 1 到束腰距離為 -2797mm。中間的焦平面是在近軸焦點(diǎn)上。(1)束腰和光束大小不一樣；(2)厚度為17.131；(3)重新對(duì)GBPS優(yōu)化，使surface 6上的Gaussian waist最?。?4)變量是surface 4的thickness (5)中間平面surface4的thickness變?yōu)?7.152；(6)Gaussian光束的寬度近似為3.2 micron。Gaussian Beam AnalysisRe-optimize重新對(duì)GBPS優(yōu)化，使針孔surface 6上的Gaussian waist最??；優(yōu)化后，surf 6上束腰近似為3.2微米。 surface4的thickness變?yōu)?7.152。Physical Optics Setting定義實(shí)際的Gaussian波前。Beam File Viewer通過(guò)Beam File Viewer可以比較輸出光束(surface 11)的形狀和輸入光束(surface 1)是類(lèi)似的。With and Without Pinholesurf 6的aperture type為None和0.005時(shí)，輸出的光束。針孔對(duì)光束有濾波作用，但還不是太理想。S