光學(xué)設(shè)計軟件與光學(xué)設(shè)計軟件的比較

光學(xué)設(shè)計軟件與光學(xué)設(shè)計軟件的比較

1光學(xué)設(shè)計軟件的選擇現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計與傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計相比發(fā)生了很大變化。在計算機用于光學(xué)設(shè)計之前,要做一個稍微復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)需要大量的手工計算。花費時間精力不說,算出來的結(jié)果也不盡精確。計算機出現(xiàn)后,光學(xué)設(shè)計就變得容易很多,尤其是光學(xué)設(shè)計軟件的發(fā)展更是大大提高了設(shè)計效率?，F(xiàn)在的光學(xué)設(shè)計軟件種類很多,每個軟件的側(cè)重點和功能也不盡相同,如何選擇光學(xué)設(shè)計軟件是初學(xué)者面臨的一個難題。到底哪個軟件的功能更強大?它們的側(cè)重點又有何不同呢?作為一名光學(xué)設(shè)計工作者,說哪個軟件好,哪個軟件不好,都太過武斷,因為任何軟件都有它的強項和弱項。只有深入了解了這個軟件,才能夠充分地利用它,把它的強項發(fā)揮到最大,同時也會盡量去避免它的弱項。下面對Zemax與Code-V的光學(xué)設(shè)計功能做一個較為深入的比較。2光學(xué)設(shè)計分析軟件屬性Zemax是目前國內(nèi)相關(guān)專業(yè)人士使用最多的光學(xué)設(shè)計軟件。它不只是透鏡設(shè)計軟件,更是全功能的光學(xué)設(shè)計分析軟件,具有直觀、功能強大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點。Code-V是具有國際領(lǐng)先水平的大型光學(xué)工程軟件,是世界上分析功能最全、優(yōu)化功能最強的光學(xué)軟件。這兩款軟件的主要功能如表1所示。2.1物理和化學(xué)分析物理光學(xué)分析主要是對干涉、衍射等物理現(xiàn)象的分析。圖1是一個由兩束激光相干疊加后產(chǎn)生的Zemax干涉圖案。2.2不同光源的模擬Zemax可以定義各種光源,如LED,鈉燈以及各種自定義的光源。圖2是一普通LED發(fā)光光源通過接收面后的光強分布圖。2.3等程序語言Zemax可以與Matlab,Excel,C++等程序語言進行鏈接,即可用這些語言編寫程序或生成獨立的應(yīng)用程序,再通過Zemax來調(diào)用或直接用這些程序語言調(diào)用Zemax中的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)更復(fù)雜的分析。2.4d構(gòu)圖功能Zemax和Code-V都具有3D格式的文件轉(zhuǎn)出功能,但不同的是,Zemax還具有轉(zhuǎn)入功能。一些Zemax中所不具有的面型或者通過Zemax不能生成的面型結(jié)構(gòu),用戶都可以用3D繪圖軟件畫圖,保存為以上格式,再導(dǎo)入Zemax中進行光線追擊。有了這個功能,Zemax就可以對任意形狀物體進行光線追跡。圖3是用3D軟件繪制的一個玻璃球?qū)氲絑emax后的光線追跡圖。2.5外界壓力的影響Zemax和Code-V都可以提供環(huán)境分析功能,如周圍的溫度和空氣壓力等都會影響光學(xué)系統(tǒng)的性能。1)玻璃的折射率依賴于環(huán)境的溫度和光線的波長,相對于空氣測量的相對折射率也會隨著外界壓力的變化而變化;2)玻璃隨著溫度的變化膨脹和收縮,鏡頭的半徑和厚度也會隨之改變;3)鏡頭元件之間的間隔會由于使用材料的熱脹冷縮而改變。Zemax和Code-V的熱分析特性考慮了所有這些影響。我們可以利用Zemax和Code-V在某一特殊溫度或溫度范圍內(nèi)分析和優(yōu)化一個設(shè)計,例如對紅外熱像儀的無熱化設(shè)計。2.6ode-v仿真所謂的畸變公差是指畸變的允許值,Code-V可以提供畸變的公差分析功能,明確地說就是鏡頭的尺寸對畸變的影響分析,而Zemax沒有此功能。2.7光照明分析的方法在相干光照明、部分相干光照明或完全不相干光照明情況下進行成像質(zhì)量分析時,不同相干度的光源成像質(zhì)量會有差異,而部分相干光照明會提高成像質(zhì)量,這主要應(yīng)用在光刻領(lǐng)域。2.8鬼像分析功能鬼像主要是由鏡片表面反射二次成像造成的,它也會影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量,Code-V中有現(xiàn)成的宏語言可以進行鬼像分析,Zemax的工具菜單里也有鬼像分析功能,一目了然。2.9設(shè)計植物的一般應(yīng)環(huán)Code-V具有獨特的“鏡頭魔棒”功能,即用戶只需輸入所要設(shè)計系統(tǒng)的使用波段、相對孔徑、視場、變焦比等參數(shù),軟件即可從自帶的專利庫中找出對應(yīng)的結(jié)構(gòu)以供選擇,而Zemax則沒有此功能。2.10物理光學(xué)傳輸Zemax針對光纖耦合效率有兩種分析功能:分析/計算/光線耦合效率和分析/物理光學(xué)/物理光學(xué)傳輸。前者主要是通過設(shè)定光纖源與接收光纖的數(shù)值孔徑(NA)值來決定系統(tǒng)的耦合效率;后者主要是通過設(shè)定激光光源的光腰和光纖的可接收光腰來決定系統(tǒng)的耦合效率。需要注意的是,Zemax中的耦合效率只能分析光路耦合的前段部分,不能進行光進入光纖后的波導(dǎo)分析。2.11極化光學(xué)系統(tǒng)光可以用光線來模擬,并以位置、方向、相位和振幅來表示。光也與電場有關(guān),電場的方向與光傳播方向互相垂直,且隨著時間的改變,其方向和大小也會有所變化。當(dāng)光線傳播通過一個光學(xué)系統(tǒng)時,其極化狀態(tài)一般無需守恒。當(dāng)極化光線通過一個光學(xué)系統(tǒng)時,極化光線追跡可追蹤光線極化的狀態(tài)。介質(zhì)間的界面,包括空氣、玻璃和金屬都會導(dǎo)致光線衰減及延緩,并會改變極化橢圓的形狀。由于介質(zhì)的折射率與光波長有關(guān);對同樣的介質(zhì),布儒斯特角的大小也與光波長有關(guān),這些關(guān)系都會改變表面的傳輸相位。這些在傳輸相位上的變化稱為極化像差。這些像差會使調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)和施特蘭爾系數(shù)變小,也會降低系統(tǒng)的性能。實際上,這些像差與其他任何成像像差并沒有不同。Zemax和Code-V都可以在任何類型的光學(xué)表面上,完整建構(gòu)出任何薄膜干涉的鍍膜層。對極化光線追跡的計算,包括薄膜鍍膜層、體積吸收和波長與入射角的影響也能更精確地預(yù)測真實系統(tǒng)的性能。3c.r成像鏡頭的設(shè)計和分析從上述分析可以看出,Code-V的主要功能是進行成像鏡頭的設(shè)計和分析,而Zemax的功能要多一些,可以進行成像鏡頭設(shè)計、照明設(shè)計、物理光學(xué)分析、各種發(fā)光光源的模擬、各種復(fù)雜表面的光線追擊等。在成像鏡頭設(shè)計方面,Code-V的優(yōu)化速度要比Zemax快得多,這是它的最大優(yōu)勢,而且它能夠與干涉儀連接進行成像鏡頭的實時裝調(diào)。對于常規(guī)的鏡頭我們大可不必進行實時裝調(diào)這么復(fù)雜的工作,但是對于高端的成像鏡頭,如光刻物鏡等就對加工精度的要求相當(dāng)高,如果不進行實時裝調(diào),很難加工出理想的成像鏡頭。這些優(yōu)勢都使得Code-V成為高端成像鏡頭的主要設(shè)計工具。另外,Zemax的操作界面更舒適,更直觀,使用起來更方便,靈活性強,學(xué)習(xí)起來更容易。Zemax的各分析窗口都配有圖像和文字說明,顯示更精確。例如,Zemax在點列圖的設(shè)置中可以直接顯示像點的大小,而Code-V只能給出了一個參考標記,需要用戶自己去評估,這顯然不是很精確,如圖4所示。另外在Zemax中,相對照度圖曲線一目了然地反映了整個視場的相對照度,而Code-V中的相對照度圖更復(fù)雜,還需要用戶自己配置一些參數(shù),麻煩且難以準確評估。Zemax中的宏語言簡單易學(xué),容易上手,如果用戶需要自己編寫分析程序,則容易得多,而C