zemax軟件培訓課件

ZEMAX光學軟件培訓課程1精選2021版課件ZEMAX是一個使用光線追跡的方法來模擬折射、反射、衍射、偏振的各種序列和非序列光學系統(tǒng)的光學設計和仿真軟件。ZEMAX的光學設計功能體現(xiàn)在使用序列模式設計傳統(tǒng)的光學成像系統(tǒng)，優(yōu)化成像系統(tǒng)的像差，分析和評價成像的質量，給光學系統(tǒng)分配合適的公差等方面。ZEMAX的仿真功能體現(xiàn)在使用非序列模式、物理光學傳播、熱分析等功能模擬和仿真實際的光學系統(tǒng)方面。ZEMAX有三種版本：ZEMAX-SE（標準版）、ZEMAX-XE（擴展版）、ZEMAX-EE（工程版）。只有ZEMAX-EE的功能最為全面。ZEMAX簡介2精選2021版課件ZEMAX應用ZEMAX可以用于相機鏡頭、望遠鏡、顯微鏡、照明系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、干涉儀、光通訊器件等各種光學系統(tǒng)的設計和仿真3精選2021版課件ZEMAX軟件和使用手冊都不會教您如何設計鏡頭和光學系統(tǒng)。ZEMAX功能是很強大，但是把握光學系統(tǒng)的設計、引導優(yōu)化函數(shù)的優(yōu)化方向，判斷系統(tǒng)性能只能靠你自己。如果你對光學設計感興趣，推薦書單：ZEMAX不能做什么？作者書名袁旭滄/張以謨光學設計/應用光學JosephM.GearyIntroductiontolensdesign:withpracticalZEMAXexampleGregoryHallockPracticalComputer-AidedLensDesignR.E.FischerOpticalsystemdesignSmith，WarrenModernLensDesignLaikinLensDesign*這次的ZEMAX軟件培訓目的是盡我的能力，給大家展示ZEMAX的強大功能，跟大家一起學習如何使用這些功能。4精選2021版課件使用ZEMAX的三種模式Completelysequential：*應用于傳統(tǒng)的鏡頭設計和大多數(shù)的成像系統(tǒng)設計*應用這種模式時不能進行散射和鬼象分析Hybridsequential/non-sequential*應用于有很多序列元件，又有一些非序列元件（比如棱鏡或光管）的系統(tǒng)*必須使用“ports”作為光線進出非序列元件組的依據(jù)Completelynon-sequential

*應用于照明、散射和雜光分析。光線可以在任何物理上有效的路徑傳輸*這種模式下非序列元件不使用“ports”5精選2021版課件Completelysequential?以光學面（surface）為對象來構建光學系統(tǒng)模型；?光線從物面開始（常為surface0）?按光學面的順序進行光線追跡計算（surface0,1,2…），對每個光學面只計算一次；?每個面都有物空間和像空間；?需要計算的光線少，計算速度快；?可進行analysis,Optimization及Tolerancing6精選2021版課件7精選2021版課件Hybridsequential/non-sequential

?所有對象都是3維的；?每個對象都在一個空間坐標系中定義了其特性；?光線從inputport進入non-sequentialgroup；從exitport離開NSgroup；?光線在NSC中一直追跡，直到它遇到下列情況才終止：NothingExitport能量低于定義的閾值。?忽略NS元件內的光源和探測器；?進入NS元件組的光線的特性，由序列的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如視場位置和入瞳的大小等決定。8精選2021版課件9精選2021版課件Completelynon-sequential

?所有對象都是3維的；?每個對象都在一個空間坐標系中定義了其特性；?需要定義光源的發(fā)光特性和位置，定義探測器用來收集光線；?光線一直追跡，直到它遇到下列情況才終止：Nothing，能量低于定義的閾值。?計算時光學元件的相對位置由空間坐標確定；對同一元件，可同時進行透射、反射、吸收及散射的計算；?無法進行優(yōu)化,要進行公差分析必須實用macro；（低版本的軟件不可以優(yōu)化）這種模式下，可以對光線進行分光，散射，衍射，反射，折射的分析。10精選2021版課件11精選2021版課件序列模式和非序列模式的比較序列模式以surface為對象建模指定光線與面相交的順序光線與每個面只相交一次光線不會分光鏡面反射光線不能超過臨界角入射通過孔徑外的光線必須漸暈Surface的位置由前一個面的參數(shù)確定每個面都有物空間和像空間計算的光線少，計算速度快可進行優(yōu)化和公差分析非序列模式以object為對象建模不限制光線與面相交的順序光線與同一個面可相交多次光線可以分裂鏡面反射和漫反射可以全反射在object外的光線也可進行光線追跡object的位置由全局坐標確定所有空間都是等價的計算的光線多，計算速度慢不能使用優(yōu)化和默認的公差分析（可用Macros分析公差）12精選2021版課件ZEMAX的用戶界面ZEMAX的用戶界面有四種允許輸入和分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)的窗口：?

Editors定義、編輯光學表面和其他數(shù)據(jù)?

Graphicwindows顯示圖形數(shù)據(jù)?

Textwindows顯示文本數(shù)據(jù)?

Dialogboxes編輯和回顧其他窗口或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，或者用來報告錯誤信息13精選2021版課件EditorsZEMAX中的editors本質上是為滿足透鏡設計程序而專門設計的電子數(shù)據(jù)表：?

LensDataEditor輸入基本的鏡頭數(shù)據(jù)，包括表面編號、注釋、表面類型、表面曲率半徑、厚度、玻璃、口徑半徑、二次常數(shù)、熱膨脹系數(shù)和膜層數(shù)據(jù)?

MeritFunctionEditor在這里定義和編輯優(yōu)化函數(shù)?

Multi-ConfigurationEditor給變焦距透鏡和其它的多結構系統(tǒng)定義參數(shù)變化表?

ToleranceDataEditor定義和編輯公差?ExtraDataEditor一個擴展的透鏡數(shù)據(jù)編輯器，為那些需要很多參數(shù)才能定義的表面所準備的，比如表面類型Binary2?Non-SequentialComponentsEditor在這里定義光源、光學對象、探測器14精選2021版課件15精選2021版課件GraphicandTextwindowsZEMAX的圖形和文本窗口是分析和評價光學系統(tǒng)性能的有力工具。ZEMAX的有些功能只支持圖形窗口（比如layout，3Dlayout）

，有些功能只支持文本窗口（如SystemData，PrescriptionData，RayTrace，SeidelCoefficients），有些功能既有圖形窗口也有文本窗口（如RayFan，OPDFan，SpotDiagram）對于后者，除了圖形窗口，如果你要查看文本窗口的內容，點擊菜單欄中的“Text”16精選2021版課件17精選2021版課件用來編輯其他窗口或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，比如General，F(xiàn)ieldData，WavelengthData，GlassCatalog，LensCatalogs……Dialogboxes18精選2021版課件序列模式19精選2021版課件這種模式下的光學設計和仿真可按照下列步驟進行：1.輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)2.輸入透鏡數(shù)據(jù)/修改透鏡數(shù)據(jù)3.檢查設計圖、分析模型，考慮是否修改透鏡數(shù)據(jù)或者考慮優(yōu)化方向4.優(yōu)化、評價模型性能5.公差分析6.出報告、畫工程圖設計過程中，第3步的結果不好的話，你可能需要返回到第2步重復設計；第4步完成后達不到期望的性能，也需要返回到第2步重復設計，直到設計結果能滿足需求；但是即便如此，你也只得到了一個停留在紙上的設計方案，只有在進行了公差分析，證實這個設計是可以加工和裝配的，設計才算基本完成，否則還是要回到第2步重復整個過程。20精選2021版課件數(shù)據(jù)編輯器21精選2021版課件系統(tǒng)數(shù)據(jù)需要設置三個Dialogboxes：General(Gen)-通常需要設置孔徑類型、孔徑大小、透鏡長度單位、選用的玻璃庫等FieldData(Fie)-選定視場的類型，設置視場的大小WavelengthData(Wav)-定義需要用到的波長，以及權重，設定哪個波長是參考波長22精選2021版課件GenAperture決定了系統(tǒng)的入光量的多少。EPD--入瞳直徑；ImagespaceF/#--無限物距時，象空間的近軸F數(shù)；ObjectspaceNA--有限物距時，物空間數(shù)值孔徑；FloatByStopSize--根據(jù)孔徑光闌的大小變化；ParaxialWorkingF/#--無限遠或有限遠物距時，象空間的近軸工作F數(shù)；ObjectConeAngle—有限物距時，物空間邊緣光線與光軸的夾角23精選2021版課件容易混淆的概念：ImageSpaceF/#；ParaxialWorkingF/#;WorkingF/#ParaxialWorkingF/#：WorkingF/#：ParaxialWorkingF/#計算公式中的θ是近軸邊緣光線與光軸的夾角；WorkingF/#計算公式中的θ是實際邊緣光線與光軸的夾角下面看一個例子：exampleforF-number.zmx24精選2021版課件WorkingF/#=1/[2sin(5.76436)]=4.97822391ParaxialWorkingF/#=1/[2tan(arccos(0.9950372))]=5.0000049625精選2021版課件切趾分布General對話框中有一項設置apodizationtype----切趾分布，它實際是定義了入瞳處的光照分布。Apodizationtype可以選擇none，表示均勻照明；可以選擇gaussion，表示高斯照明；最后一種，用來模擬點光源照明平面時照度向外衰減的特性26精選2021版課件建立一個近軸的光學系統(tǒng)，更改切趾的類型，觀察FFT點傳遞函數(shù)的圖像。例子：apodization.zmx均勻切趾，圓形平頂函數(shù)的傅立葉變換是貝塞爾函數(shù)高斯切趾，切趾因子3。高斯函數(shù)的傅立葉變換還是高斯函數(shù)27精選2021版課件FieZEMAX支持4種不同視場形式：Fieldangle:XZ和YZ平面上主光線與Z軸的夾角。常用于無限共軛系統(tǒng)。Objectheight:物面上X，Y高度。常用于有限共軛系統(tǒng)。ParaxialImageheight:像面上的近軸像高。用于需要固定像的大小的設計中（只用于近軸光學系統(tǒng)中）Realimageheight:像面上實際像高。用于需要固定像幅的設計中（如cameralenses）。VDX,VDY,VCX,VCY,VAN是用來設置漸暈因子的，設置漸暈偏心、縮放、角度28精選2021版課件WavZEMAX最多允許定義12個波長，必須指定參考波長，可以根據(jù)不同波長的重要性，設定不同的權重。波長的單位為微米。Select-〉功能可以選擇多種默認的波長29精選2021版課件LensDataEditor一定存在的3個表面：OBJ、STO和IMA可以隨意插入更多的表面每個表面都包括的數(shù)據(jù)有：表面類型、注釋、曲率半徑、厚度、玻璃牌號、表面的半口徑、二次常數(shù)、保留的參數(shù)0-12、熱膨脹系數(shù)和膜層參數(shù)30精選2021版課件表面數(shù)據(jù)的符號規(guī)則：曲面左凸為正，右凸為負；高度向上為正，向下為負；角度從光線向光軸，順時針銳角為正，逆時針為負；厚度向右為正，向左為負表面數(shù)據(jù)的符號規(guī)則+z+y31精選2021版課件球透鏡的例子在ZEMAX中輸入一個直徑5mm的球透鏡，玻璃材料K9，Layout如下：例子：balllens.zmx需要設定孔徑類型、透鏡長度單位、視場類型、使用的波長需要在LensDataEditor中插入表面，根據(jù)符號規(guī)則輸入適當?shù)膮?shù)使用M-solve找到近軸焦平面32精選2021版課件練習：在ZEMAX中輸入一個入瞳直徑33.33mm的雙高斯鏡頭。視場角設定0度、10度、14度，采用波長0.486，0.587，0.656，參考光為0.587，Layout如下：表面的曲率半徑依次為54.15，152.52，35.95，infinity，22.27，infinity，-25.68，infinity，-36.98，196.42，-67.148；玻璃和空氣間隙的厚度依次為：8.75，0，14，3.78，14.25，12.42，3.78，10.83，0，6.85，57例子：DoubleGauss.zmx33精選2021版課件SurfaceType雙擊透鏡數(shù)據(jù)編輯器的standard欄可以打開表面屬性對話框，可以定義表面類型1.ZEMAX提供了近60種的光學曲面面形，主要類型有：平面、球面、標準二次曲面、非球面、光錐面、輪胎面、折射率漸變面、二元光學面、光柵(固定周期和變周期)、全息衍射元件、Fresnel透鏡、波帶片等。2.還提供了UserDefinedSurface。用戶只需要按照它的語法規(guī)定，用C++語言編寫DLL文件與ZEMAX相連接就可以建立自己需要的面形。34精選2021版課件Toroidalsurface環(huán)形表面是YZ平面的曲面繞平行于Y且過Z的軸線轉動形成的。我們可以利用Toroidal面來模擬柱透鏡。我們來模擬一個YZ平面曲率半徑為5mm，厚度為2mm，K9玻璃的柱面鏡，它在XY面的投影為矩形，長6mm，寬4mm。例子：Toroidal-y.zmx*注意Radius與RadiusofRotat的區(qū)別；注意Surfaceproperties對話框中Aperture的設置35精選2021版課件還是剛才的那個柱面鏡，我們讓它繞z軸轉90度放置，使其在x方向有光焦度，y方向沒有光焦度，這用Toroidal如何模擬？例子：Toroidal-x.zmx只要參數(shù)設置對了，就可以模擬各種柱面鏡，也可以模擬棒鏡（例子:cylinder-tor.zmx），甚至是非球面的柱面鏡。Toroidal面來模擬柱面僅僅是它應用的特例，更廣泛的，它用來模擬環(huán)形表面36精選2021版課件雙圓錐表面，與環(huán)形表面類似，可以直接輸入表面的X、Y方向的曲率半徑和二次常數(shù)。把X或者Y方向的曲率半徑和二次常數(shù)設為零，也是柱面。用Biconicsurface來模擬前面舉例過的棒鏡，例子：cylinder-Bic.zmxBiconicsurface37精選2021版課件ToroidalGratingsurface環(huán)形光柵表面與環(huán)形表面類似，除此之外，有線條平行于x軸的光柵結構，需要定義光柵周期和衍射級數(shù)。例子：Toroidalgrating.zmx38精選2021版課件CoordinateBreaksurface坐標斷點表面用來定義一個新的坐標系統(tǒng)，對于光線追跡的應用來說，它只是一個虛擬的表面。描述這個新的局域坐標需要六個參數(shù)：x偏心、y偏心、繞x軸的傾斜、繞y軸的傾斜、繞z軸的傾斜、傾斜和偏心次序的標記。用坐標斷點可以實現(xiàn)一個或一組表面的傾斜。傾斜和偏心次序的標記為0，表示先x偏心、y偏心、然后繞x軸傾斜，這時候y和z軸的方向會被改變，接下來繞新的y軸傾斜，改變x和z軸的方向，最后繞新的z軸傾斜。傾斜和偏心次序的標記不為0，表示先以z、y、x的順序傾斜，然后再進行偏心。

39精選2021版課件牢記:ZEMAX中的輸入的每個表面都是由一個本地坐標系定義的*ZEMAX中的每個表面都有一個本地坐標系*每個表面都為后面的表面定義了一個新的本地坐標系例子：foldmirror.zmx40精選2021版課件為加深坐標斷點表面、本地坐標、全局坐標的理解，我們來看一個元件傾斜和偏心的例子例子：tilt-decenter.zmx41精選2021版課件在原來表面4前面插入一個面，表面類型選擇坐標斷點，y偏心參數(shù)設為-5，結果如下：42精選2021版課件在原來表面8前面插入一個面，表面類型選擇坐標斷點，把表面7的厚度設為0，把坐標斷點的厚度設為10，y偏心參數(shù)設為5，結果如下：43精選2021版課件如果我們把兩個坐標斷點表面的偏心參數(shù)恢復為0，把第一個坐標斷點x軸傾斜角度設為20，把第二個坐標斷點x軸傾斜角度設為-20結果如下：（中間元件的傾斜引入了最后一個元件的偏心）44精選2021版課件為了消除中間元件的傾斜給最后一個元件引入的偏心，把變?yōu)椋?5精選2021版課件DiffractionGratingsurface衍射光柵表面用來模擬直線型的光柵，光柵的線條與本地坐標的x軸平行。衍射光柵表面的重要參數(shù)：lines/micron，diffract/order。例子：diffractiongrating.zmx46精選2021版課件衍射光柵表面光柵的線條與本地坐標的x軸平行，那么你要模擬光柵線條朝其他方向的光柵，你需要借助坐標斷點表面。假設我們要使光柵線條的方向與全局坐標的y方向平行，例子：diffractiongrating-y.zmx47精選2021版課件Gradient1surface折射率漸變表面1可以用來模擬采用折射率漸變材料加工的光學元件。折射率漸變表面1的重要參數(shù)：DeltaT，n0，Nr2。例子:gradient.zmx折射率漸變表面1的折射率公式：初始結構的設計圖：初始結構的透鏡數(shù)據(jù)：48精選2021版課件把表面1的厚度作為變量，用默認的RMSspot優(yōu)化函數(shù)，優(yōu)化，結果：49精選2021版課件Binaryoptic2surface二元光學表面2能夠以下面的公式在表面上連續(xù)改變波前的相位。二元光學表面2面形的公式：定義二元光學表面2需要的參數(shù)：50精選2021版課件利用二元光學表面來設計一個折射--衍射光學元件，校正軸向色差。例子：binarydiffraction.zmx51精選2021版課件選擇透鏡單位為mm，入瞳直徑設置為30mm，波長選擇F，d，C，視場角0初始數(shù)據(jù)：表面3的厚度設為變量，采用默認RMS優(yōu)化函數(shù)，優(yōu)化，表面3的厚度變?yōu)?1.608：52精選2021版課件把二元光學表面的Diffractionorder參數(shù)設為1，打開ExtraDataEditor，按下圖輸入：重新優(yōu)化，結果：縱坐標：入瞳高度橫坐標：不同環(huán)帶的光線與光軸的交點到參考波長的近軸焦點的距離，向右為正，向左為負53精選2021版課件JonesMatrixsurface瓊斯矩陣被用來定義任意偏振的元件。我們以模擬一個x方向的四分之一波片為例：jonesmatrix.zmx54精選2021版課件Birefringentinandoutsurface雙折射表面in和out一定是成對兒出現(xiàn)，用來模擬雙折射晶體，這兩個表面之間只能有坐標斷點表面存在或者沒有其他表面類型存在。雙折射表面的重要參數(shù)：Drawaxis---晶軸的長度；Mode—光線追跡針對o光還是e光的標志；X、Y、Zcosine—定義晶軸的方向余弦。例子：birefringence.zmx55精選2021版課件常用的分析診斷工具56精選2021版課件Rayfanplot光線扇面圖是分析幾何像差的有力工具，值得好好學習和分析。光線扇面圖的坐標軸是如何定義的？有什么意義呢？57精選2021版課件歸一化的物、入瞳坐標。通過入瞳某一坐標【PX，PY】的光線在像面上有唯一的位置【EX、EY】，以PX、PY為橫坐標，EX、EY為縱坐標，分別建立坐標系，把通過入瞳的光線都在坐標系里描點就得到了光線扇面圖58精選2021版課件59精選2021版課件離焦、球差、彗差、象散的rayfanplot純離焦的光線扇面圖。例子：defocus.zmx只存在離焦時的光線扇面圖中曲線是兩條方向一致的傾斜直線，直線的斜率可正可負，取決于是正離焦還是負離焦60精選2021版課件純球差的光線扇面圖。例子：spherical.zmx從光線扇面圖看到坐標原點附近的曲線斜率為0，表明像面正好是近軸像面，沒有離焦。曲線整體上來說斜率為負，表示球差欠校正。61精選2021版課件把上面這個例子的表面3的二次常數(shù)設置為-5，表示為雙曲線表面，更新設計圖和光線扇面圖從光線扇面圖看到坐標原點附近的曲線斜率為0，表明像面正好是近軸像面，沒有離焦。曲線整體上來說斜率為正，表示球差過校正。62精選2021版課件球差和離焦的光線扇面圖。例子：spherical-defocus.zmx從光線扇面圖看到坐標原點附近的曲線斜率不為零，表明像面不在近軸像面，存在離焦。經(jīng)過一個拐點向下的一段曲線說明還有欠校正的球差存在。但是跟前面的rayfan相比，縱坐標范圍從+-500um減小到了+-100um。說明離焦平衡了球差。63精選2021版課件三階球差的控制，我們用偶次多項式非球面來控制三階球差。例子：a-spherical.zmx三階球差可以用偶次多項式非球面的4次項控制，注意看原點附近的曲線，沒有離焦，三階球差被控制，剩下校正過的高階球差。此時縱坐標范圍為+-0.5um。

64精選2021版課件偶次多項式非球面的4次項控制可以控制3階的球差，6次項可以控制5階的球差……你可以試試控制更高階的球差，也可以試試同時用離焦來平衡球差，看看Rayfan的曲線如何變化？偶次多項式非球面的公式：例子：a-spherical.zmx繼續(xù)控制5階的球差，rayfan應該是這個樣子65精選2021版課件彗差的光線扇面圖如圖所示。為了顯示出彗差的rayfan曲線，我們設計了一個有偶次非球面的透鏡，消除球差，移動透鏡前光攔的位置，消除象散，使存在的彗差是像差的主要貢獻，例子：coma.zmx三階彗差的曲線是歸一化入瞳坐標的二次函數(shù)。66精選2021版課件象散的光線扇面圖如圖所示。為了顯示出象散的rayfan曲線，我們還用那個有偶次非球面的透鏡，消除球差，光欄的位置在透鏡表面，使用彎曲透鏡，使彗差為零，使象散成為像差的主要貢獻，例子：astigmatism.zmx

這里不完全是象散的曲線，應該是像散加上離焦，導致象散的子午曲線和弧矢曲線的斜率不同。軸外視場的光線有離焦。事實上，子午像散和弧矢像散的中間像面的象散曲線是斜率大小相同，方向不同的。而離焦的子午曲線和弧矢曲線的斜率一定相同。67精選2021版課件常見的rayfan曲線68精選2021版課件OPDfan光程差圖看上去跟rayfan很類似，橫坐標也是歸一化的入瞳坐標，只是縱坐標不是由光線在像面上的位置決定，它的縱坐標是出瞳處光線的光程與主光線的光程的差值OPDfan的設置：Plotscale:設置縱坐標最大范圍；numberofray:光線追跡時光線的數(shù)量；Wavelength、field:用來確定正在計算時選用的波長和視場；Tangential、Sagittal:這里只能選擇OPD；usedashes:畫圖時，是采用顏色表示不同波長還是用虛線來表示；checkaperture:檢查光線是否能從表面的孔徑通過，選擇此項，使不能通過表面孔徑的光線不被畫出；vignettedpupil:選擇此項，得到的數(shù)據(jù)將反映出漸暈的存在。69精選2021版課件重新打開前面講rayfan時的各個例子，看看各個基本像差的OPD曲線的特征。你會發(fā)現(xiàn)，OPD曲線與rayfan曲線很不一樣，事實上他們有一定的聯(lián)系，比如rayfan里的離焦曲線是入瞳坐標的一次函數(shù)，而離焦的OPD曲線是入瞳坐標的二次函數(shù)，其他像差也是如此，他們的OPD曲線都比他們的rayfan曲線高一階。像差常有兩種表示方法，一種是像面上的橫向光線像差，rayfan表示；一種是出瞳面上的光程差，用OPDfan表示。初級橫向光線像差一般被稱為三階的像差，而在出瞳面上，他們對應的OPD是四階的像差70精選2021版課件FieldCurv/DistplotFieldCurv/Dist可以用來分析場曲和畸變。左邊的是場曲，右邊的是畸變。場曲圖的縱坐標是視場角，橫坐標是像點偏離近軸像面的距離，T表示子午場曲，S表示弧矢場曲?；儓D的縱坐標是視場角，橫坐標是畸變百分比71精選2021版課件我們來看子午場曲，例子：astigmatism-TC.zmx從設計圖中可以看到像面是彎曲的表面，而場曲圖中的T曲線基本與y軸重合，表示子午場曲與像面重合，說明現(xiàn)在的像面就是子午場曲面，這個面上，軸外光線的像是弧矢方向的直線。72精選2021版課件我們來看弧矢場曲，例子：astigmatism-SC.zmx這次場曲圖中的S曲線基本與y軸重合，表示弧矢場曲與像面重合，說明現(xiàn)在的像面是弧矢場曲面，這個面上，軸外光線的像是子午方向的直線。73精選2021版課件畸變的示意圖：真實主光線在像面上的高度設為H，近軸主光線在像面上的高度設為h，畸變圖中縱坐標計算公式：【(H-h)/h】×100%74精選2021版課件分析畸變的另一個工具：柵格畸變Text文本窗口提供了十分詳細的數(shù)據(jù)信息75精選2021版課件非序列模式76精選2021版課件非序列模式介紹序列模式下光線是一個面一個面按順序追跡的，這樣的模型簡明，計算上快速高效，非常實用和完善的解決需要重要的光學成像問題。然而，非序列的光線追跡也經(jīng)常需要。因為按照實際物理規(guī)律，光線在追跡過程中會遇到很多的對象和表面，沒有順序，甚至是反復在一個對象中來回反射，而完全碰不到其他對象。這種模式下，光線通過對象的順序，取決于入射光線的角度和位置、對象的初始位置和形狀。非序列模式的光線追跡有兩種方式：有端口的非序列和無端口的非序列模式。最明顯的區(qū)別是無端口的非序列模式必須設置光源和探測器，而有端口的非序列不要光源和探測器。ZEMAX中的非序列模式支持的功能：多光源、對象和探測器的定義和放置；定義光源的能量；光線與物體的相交順序自動確定；支持反射、折射和全反射、衍射；支持散射統(tǒng)計

77精選2021版課件環(huán)形多面反射器我們先來看一個環(huán)形多面反射器的例子，toroidalfacetedreflector.zmx。這是一個序列和非序列混合模式的例子，既有非序列的元件又有序列的表面。78精選2021版課件如果在settings里鉤選fletchrays，ZEMAX會用箭頭表示出光線傳播的方向。我們可以看到光線從點光源由左向右傳播，在非序列元件小面反射器上反射，向左傳播，通過標準透鏡。右邊的圖顯示了透鏡左邊的像面上獨特和復雜的光線分布。79精選2021版課件光源分布現(xiàn)在來看一個完全非序列的光線追跡例子。這個例子有三個射燈和三個探測器。放大3D設計圖，可以看到螺旋狀結構的燈絲，光線從螺旋燈絲上的隨機點出射，經(jīng)過燈絲周圍的反射面反射，向右傳播。80精選2021版課件要查看探測器上的光分布，通過Detectorcontrolsurface對話框Trace，然后打開Detectorviewer，在settings里選擇你想查看的哪一個探測器。下圖是探測器1上的光分布，也就是底面的光分布。81精選2021版課件通過NSCshadedmodellayout的settings中的Detectors選項，可以讓shandedlayout顯示出光線追跡后的結果。82精選2021版課件棱鏡常用多邊形對象-Polyobject來模擬，下面一個例子是棱鏡的模擬，我們將使用三個poly對象，兩個是half-penta棱鏡，一個是amici-roof棱鏡。為了觀察它對偏振光的影響，我們使用序列和非序列的混合模式。例子：prims.zmx。3D設計圖如圖所示：棱鏡83精選2021版課件左邊是輸入的線偏振光，右邊是輸出的橢圓偏振光84精選2021版課件分束器我們在非序列模式下用兩個45度的直角棱鏡斜面相接觸，模擬正方體的分束器。例子：beamsplitting.zmx，非序列元件編輯器如下：因為要分光，所以45度直角棱鏡的斜面要鍍上50%透射50%反射的理想分光膜。85精選2021版課件3D設計圖如下：入射光線在棱鏡的第一個表面就產(chǎn)生4%的反射，同時入射到直角棱鏡的斜面，分成兩束光。透射光在第二個直角棱鏡的直角面反射，同時在這個面上折射后出射。反射的光向上，在第一個直角棱鏡的上表面反射后折射出射……86精選2021版課件散射在非序列模式下同時運用散射和鍍膜功能，可以模擬部分反射部分散射的表面。現(xiàn)在我們模擬一個表面，60%反射，反射的光中80%是伯朗分布的散射，20%是鏡面反射。例子：scatter.zmx不采用散射和鍍膜功能時，長方體反射鏡100%反射，探測器上光功率總量還是1W87精選2021版課件在object2properties里給frontface鍍上60%的反射膜，使用偏振光追跡，結果探測器上收集到的光功率是0.6W：接下來我們設置反射表面的散射特性，設置如下：88精選2021版課件3D設計圖的變化：從輻射強度看，鏡面反射的最好89精選2021版課件干涉儀建立一個如圖所示的干涉儀，例子：interferometer.zmx。左上角和右下角的元件是50%反射50%透射的多邊體對象，左下角和右上角的元件是反射鏡。要使多邊體對象50%反射50%透射要給其一個面鍍上理想的分光膜90精選2021版課件兩個探測器上的干涉條紋：91精選2021版課件優(yōu)化92精選2021版課件ZEMAX優(yōu)化功能的介紹ZEMAX提供的優(yōu)化功能，可以改善那些給定了一個初始結構、擁有一些參數(shù)變量的鏡頭的性能，當然，前提是在合理構建的評價函數(shù)指導之下。參數(shù)變量可以是表面曲率、厚度、玻璃、二次常數(shù)等。ZEMAX的評價函數(shù)由一些操作數(shù)組成，這些操作數(shù)都有它的當前值、目標值和權重。ZEMAX采用阻尼最小二乘法算法能優(yōu)化這個評價函數(shù)，使其最小。所以，優(yōu)化需要三個必要條件：1.通過透鏡數(shù)據(jù)編輯器構建一個可進行光線追跡的系統(tǒng)。2.在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中設定合適的變量。3.構建合理的評價函數(shù)，包括指定操作數(shù)、操作數(shù)的目標值、權重以及其他數(shù)據(jù)。ZEMAX提供了一些很有用的默認的評價函數(shù)。它的構建我們后面具體分析。ZEMAX還提供了全局優(yōu)化的工具---全局搜索和錘形優(yōu)化。他們的區(qū)別和用法，后面具體說明。93精選2021版課件優(yōu)化函數(shù)編輯器優(yōu)化函數(shù)編輯器里編輯你選擇的操作數(shù)，一般有八個數(shù)據(jù)域需要定義，Int1，Int2，Hx，Hy，Px，Py，Target，Weight。不同的操作數(shù)Int1，Int2的含義不一樣，Hx，Hy，Px，Py是規(guī)一化的視場和入瞳坐標，不所有的操作數(shù)都需要定義這四個數(shù)據(jù)域。Value是操作數(shù)的當前值，Target是操作數(shù)的目標值，Weight是權重，Contrib是操作數(shù)在評價函數(shù)中的貢獻，如果優(yōu)化后這個值偏大，可以考慮把這個操作數(shù)的權重增加94精選2021版課件優(yōu)化函數(shù)的定義和默認的優(yōu)化函數(shù)優(yōu)化函數(shù)的定義為：MF表示優(yōu)化函數(shù)的值，Wi是操作數(shù)的權重，Vi是操作數(shù)的當前值，Ti是操作數(shù)的目標值。通過優(yōu)化類型，數(shù)據(jù)類型和參考的不同組合可以構建不同的默認優(yōu)化函數(shù)。優(yōu)化類型有RMS和PVT，數(shù)據(jù)類型有wavefront、spotradius等，參考與質心、主光線、mean三種。Mean只能在選擇數(shù)據(jù)類型為Wavefront時才可以使用95精選2021版課件局部最小和全局最小采用阻尼最小二乘法的優(yōu)化算法是一個很有效的方法。但是在多維參數(shù)空間中，一個復雜的透鏡設計幾乎包括了無限多個解決方案。阻尼最小二乘法從你的初始結構出發(fā)，可能很快就陷進一個局部的評價函數(shù)最小的方案，而找不到無限多個解決方案中評價函數(shù)最小的那個方案。如果這種情況發(fā)生，你所要做的就是進行干預，這些干預小到權重的變化，大到重新的定義初始結構。96精選2021版課件為了說明存在無限多個解的情況下，從不同的初始結構出發(fā)，同樣的優(yōu)化函數(shù)進行優(yōu)化的時候會得到不一樣的局部最小，我們回過去看前面的一個例子：gradient.zmx，把第一個面的厚度改為3，其他不變，文件保存為：gradient1o1b.zmx設計圖：97精選2021版課件優(yōu)化后：98精選2021版課件ZEMAX的全局優(yōu)化工具ZEMAX提供兩種獨立的全局優(yōu)化工具，globalsearch和hammeroptimization。它們的用途不同。全局搜索工具的使用是在給出評價函數(shù)和初始結構的情況用它來尋找一個新的可能達到全局最小的初始結構。它不能產(chǎn)生最終的設計方案。而錘型優(yōu)化是在發(fā)現(xiàn)了一個好的、合理的結構后，用來尋找最終的設計方案。

全局搜索是用來搜索一個新的、有前途的初始結構的。它會產(chǎn)生10個結構的文件，當搜索到新的結構時，它會和已經(jīng)保留的10個結構比較，更好則保留。最終會保留10個最好的結構。錘形優(yōu)化使用的時候除了保留結構變量時，通常還使用玻璃替換，這樣更容易找到比較好的解決方案。99精選2021版課件

優(yōu)化實例---cooke鏡頭設計技術指標：35mm照相機的標準焦距50~52mm，這里我們取52mm。35mm照相機的底片感光區(qū)是24mm*36mm，對角線43.3mm，所以最大半視場角=arctan(43.3/2/52)=22.6度。視場角選擇0，9，15.8，22.6。鏡頭的最大F/#設定為3.5。為了提高光圈減小時鏡頭的性能，透鏡優(yōu)化的時候保證像面在近軸像面上。因為底片對波長0.4微米到0.7微米之間的光最敏感，所以優(yōu)化的時候采用5種波長，0.45，0.5，0.55，0.6，0.65。自由度分析：有8個有效的獨立變量，6個表面曲率半徑和透鏡之間的兩個空氣間隔。透鏡的厚度在這個例子中是弱變量，選擇的依據(jù)是保證透鏡容易加工。透鏡的玻璃材料也是有效的變量，實際上，玻璃的選擇很大程度上決定了最后的性能。光闌移動這里不作為變量，cooke鏡頭基本是關于中間的負透鏡對稱的，這樣的結構使像差控制容易些?？紤]到鏡頭中實際要加可變光圈，把光闌放在負透鏡后面，這里取2mm。100精選2021版課件玻璃選擇的考慮：鏡頭肯定要消色差，所以正透鏡使用低色散的冕玻璃，負透鏡使用高色散的火石玻璃。下面的設計中，為了方便，兩個正透鏡將使用同一種玻璃材料。為了減少匹茲萬和，得到較平的場曲，冕玻璃應選折射率高的，負透鏡的火石玻璃應該選折射率低的。高折射率的冕玻璃還有一個好處是可以產(chǎn)生比較小的表面曲率，相應的減少高階的像差。因為高折射率的冕玻璃比較少，所以一般先選冕玻璃，再挑選合適的火石玻璃與之匹配。因為不考慮消除二級光譜，所以不打算采用反常色散的玻璃材料。首選的玻璃材料我們暫定為LaFN21和SF15機械漸暈的考慮：這個鏡頭因為結構簡單，F(xiàn)/#比較小，視場角相對來說較大，所以像質不可能非常好，為了改善像質，考慮引入機械漸暈，遮擋一些像差很大很難控制的光線。允許機械漸暈的好處除了提高鏡頭的性能外，還能減小透鏡的尺寸，減少重量和價格。一般來講，最大視場角50%的漸暈，底片和一般像監(jiān)視器都察覺不出來，是可以允許的。101精選2021版課件

初始結構和前期優(yōu)化初始結構的思路：1.猜出系統(tǒng)參數(shù)的初始值，包括曲率半徑、空氣和玻璃厚度。2.采用Pickup約束讓后面三個表面的曲率半徑與前三個表面的曲率半徑大小相等，符號相反，讓光闌到后元件的空氣間隔pickup前半部分的空氣間隔。這使系統(tǒng)更對稱，對稱的結構可以減小橫向色差、彗差和畸變。3.玻璃厚度保證方便制造就可以。4.像面選取近軸像面。5.剛開始不用考慮漸暈。前期優(yōu)化的思路：1.前期優(yōu)化時只設四個獨立的變量，前三個表面的曲率半徑和前空氣間隔。2.使用專門的操作數(shù)控制鏡頭的焦距；控制空氣間隔的大小；校正軸向色差。3.添加默認的優(yōu)化函數(shù)，尋找整個視場多個波長情況下RMS點半徑最小的解決方案。4.視場權重設置為1，0，1，1。波長的權重設置為1，0，1，0，1。參考例子：cooke1o1b.zmx。優(yōu)化后的文件cooke1o1a.zmx102精選2021版課件前期優(yōu)化的優(yōu)化函數(shù)：103精選2021版課件

中期優(yōu)化中期優(yōu)化的思路：1.把所有曲率半徑、空氣厚度都設置為變量，像平面依然選擇近軸平面。2.引入漸暈因子。3.使用5個操作數(shù)，校正焦距；0.8入瞳環(huán)帶的軸像色差；邊緣視場的橫向色差；0.9入瞳環(huán)帶的球差；邊緣視場的畸變。除此外，還要添加默認的優(yōu)化函數(shù)。4.因為主要是消除單色波長的像差和極端波長的色差，波長權重設置為0，0，1，0，0，視場權重設置為0，1，1，1。優(yōu)化過程中，每次優(yōu)化后，系統(tǒng)參數(shù)會變化，會影響漸暈的尺寸和形狀，所以每次優(yōu)化后都要重建默認的優(yōu)化函數(shù)，再優(yōu)化。參考文件cooke2o1b.zmx，優(yōu)化后的文件cooke2o1a.zmx104精選2021版課件中期優(yōu)化的優(yōu)化函數(shù)：把SF15玻璃設成可替換，hammer優(yōu)化，找到最合適匹配LaFN21的火石玻璃。參考文件：cooke2o1a-sf53.zmx105精選2021版課件

最后的優(yōu)化最后的優(yōu)化的思路：分兩個階段，第一個階段優(yōu)化像面上的多色光最小RMS點半徑，第二個階段優(yōu)化出瞳處多色光的最小OPD。最后比較這兩個階段的結果，選取好的一個。第一階段1.先修改透鏡的厚度。2.去掉漸暈因子，使用硬光闌漸暈。3.使用4個操作數(shù)，校正焦距；0.8入瞳環(huán)帶的軸像色差；0.9入瞳環(huán)帶的球差；邊緣視場的畸變。除此外，還要添加默認的優(yōu)化函數(shù)。4.因為主要是消除單色波長的像差和極端波長的色差，波長權重設置為1，1，1，1，1，視場權重設置為0，5，5，1。5.加入光線瞄準6.構建默認優(yōu)化函數(shù)時，采用Rectangularrayarrays算法。參考文件cooke3o1b-sf53.zmx，優(yōu)化后的文件cooke3o1a-sf53.zmx106精選2021版課件最后優(yōu)化第一階段的優(yōu)化函數(shù)：107精選2021版課件第二階段1.先修改透鏡的厚度。2.去掉漸暈因子，使用硬光闌漸暈。3.使用1個操作數(shù)，控制邊緣視場的畸變。除此外，還要添加默認的優(yōu)化函數(shù)。4.因為主要是消除單色波長的像差和極端波長的色差，波長權重設置為1，1，1，1，1，視場權重設置為4，3，2，1。5.構建默認優(yōu)化函數(shù)時，采用Rectangularrayarrays算法。參考文件cooke4o1b-sf53.zmx，優(yōu)化后的文件cooke4o1a-sf53.zmxF/#3.5時的MTFF/#8時的MTF108精選2021版課件最后優(yōu)化第二階段的優(yōu)化函數(shù)：109精選2021版課件公差分析110精選2021版課件簡單介紹

公差分析是完成光學系統(tǒng)設計之后非常重要的一個步驟。因為沒有一個光學零件是完美加工或者一個系統(tǒng)是能完美裝配的，公差分析的意義在于保證設計的性能在可接受的前提下，給零件和組裝分配可加工可裝配的公差，使得紙上的設計可以真實的實現(xiàn)。ZEMAX提供了使用簡單，但靈活強大的公差分配和分析能力。ZEMAX提供單個零件的結構參數(shù)的公差，包括曲率、厚度、位置、傾斜、偏心、折射率、阿貝數(shù)、其他參數(shù)的公差；也支持表面或鏡頭組的偏心、傾斜等的分析ZEMAX分配公差時，有很多可選擇的評價標準，包括RMS點半徑、RMS波前差、MTF曲線、標準誤差、用戶自定義評價函數(shù)等等ZEMAX提供三種分析方式來分析公差，包括靈敏度分析、反靈敏度分析和montecarlo分析。

111精選2021版課件基本流程

1.先給鏡頭定義一批適當?shù)墓?。默認的公差工具是好的起始點。然后在公差編輯器中定義你需要的其他公差操作數(shù)或是修改已有的公差操作數(shù)。2.添加補償操作數(shù)，默認的補償是后焦距，控制像面的位置。也可以定義其他的補償操作數(shù)3.選擇合適的評價標準，比如RMS點大小、MTF等4.選擇分析模式，靈敏度分析或反靈敏度分析，執(zhí)行公差分析5.根據(jù)分析結果放松或收緊公差6.返回執(zhí)行第4步，直到公差合適，而且評價標準的變化在你接受的范圍內。112精選2021版課件默認的公差分配工具

左邊部分是單個表面的公差分配，右邊是元件的公差113精選2021版課件表面傾斜公差的分析表面的偏心和傾斜都會讓透鏡變得有楔角，使得元件的光軸與機械軸不同心。所以一般不用同時給表面設定偏心和傾斜。而且一個元件是不是需要給兩個表面同時指定傾斜公差這個跟元件的基準軸選擇有關。而裝配時，應該保證元件的基準軸與鏡筒的基軸軸重合，它們的不重合度就是單個元件組裝時的偏心和傾斜。114精選2021版課件靈敏度分析

靈敏度分析常用來查看哪些公差需要被放松，哪些公差需要收緊。進行靈敏度分析時，會把每個公差的最大值或最小值單獨的帶入系統(tǒng)，其他的參數(shù)保持不變，這時計算出這個參量變化后你所選定的評價標準的變化。然后把每個參數(shù)變化時，評價標準的變化給出來。讓你看到哪些參數(shù)的公差對評價標準的影響更嚴重，指導你有意的收緊那些參數(shù)的公差。完成所有參數(shù)單獨的公差計算后，ZEMAX還會給出計算的統(tǒng)計變化，給出評價標準可估計的變化和相應的可估計結果。這個可估計的變化的計算，采用的是RSS算法。先把某個參數(shù)使用正公差時的評價標準的變化量平方，然后加上這個參數(shù)使用負公差時評價標準的變化量的平方，然后求平均值。然后把所有設定了公差的參數(shù)的這個平均值加起來求和，開方。115精選2021版課件反靈敏度分析

反靈敏度分析有兩種：limit和increment。第一種是根據(jù)你限定的評價標準所允許的最大值來計算每個參數(shù)的公差范圍，比如你的評價標準是優(yōu)化函數(shù)，它現(xiàn)在的值是0.5，考慮公差時，你希望它的最差結果是0.7，那么反靈敏分析會計算每個參數(shù)的公差范圍，保證優(yōu)化函數(shù)不會大于0.7第二種是根據(jù)你限定的評價標準所允許的最大增量來計算每個參數(shù)的公差范圍，比如你的評價標準還是優(yōu)化函數(shù)，它現(xiàn)在的值是0.5，考慮公差時，你允許它的最大增量為0.2，那么反靈敏分析同樣會計算每個參數(shù)的公差范圍，保證優(yōu)化函數(shù)不會大于0.7116精選2021版課件Montecarlo分析

蒙特卡羅分析是考慮所有公差同時存在時，評估系統(tǒng)性能的一種方法。每一次計算時，所有參數(shù)的公差同時隨機的擾動，在這種狀態(tài)下計算出性能的變化。這種計算會重復很多次（每次都是獨立的），也就是說每次計算時，參數(shù)都有不同的一系列隨機誤差，這樣就能模擬大批量生產(chǎn)時，你的設計的性能變化。蒙特卡羅分析的計算次數(shù)肯定是越多越準確，但是越多就越慢。蒙特卡羅分析時，有四種統(tǒng)計方式來統(tǒng)計評價標準的變化。這四種統(tǒng)計方式是：正態(tài)分布、均勻分布、拋物線分布和用戶自定義分布。手冊里有這幾種統(tǒng)計方式的詳細說明。117精選2021版課件公差分析實例

我們以tessar鏡頭的公差分析為例，例子：tessar.zmx。使用默認的公差分配工具：118精選2021版課件刪掉紅框標出的六個公差操作數(shù)，另外刪掉表面1和表面9的厚度公差操作數(shù)119精選2021版課件靈敏度分析：120精選2021版課件結果：121精選2021版課件反靈敏度分析：122精選2021版課件結果：123精選2021版課件蒙特卡洛分析：124精選2021版課件結果：125精選2021版課件物理光學傳播126精選2021版課件物理光學傳播介紹幾何光線追跡并不是光傳播的完整描述，嚴格的說，光的傳播是一個相干的過程。ZEMAX的物理光學傳播就是模擬波前相干傳播的工具。物理光學傳播可應用于光纖耦合、通過任意類型光空間的衍射傳播、根據(jù)像差計算最佳束腰位置的偏移，以及一個光學面上的光通量和輻射度、分析激光光束通過光學系統(tǒng)后的傳播等方面。

127精選2021版課件物理光學傳播的第一個例子：AnamorphicBeams.zmx，這個文件演示的是光束通過失真棱鏡的情況。設計圖和物理光學傳播圖：

128精選2021版課件物理光學傳播圖的設置：初始的高斯光是對稱的，束腰直徑4微米，束腰位置在第一個面上129精選2021版課件可以使用剖面圖對這個失真光束進行更詳細的分析。Settings-〉display-〉show-〉crossx可以使用Text來生成一個文本格式的摘要來顯示更詳細的數(shù)據(jù)。130精選2021版課件物理光學傳播的第二個例子：fibercoupling.zmx，這個文件演示的是光纖耦合的計算。耦合效率達到99.995%

131精選2021版課件從高斯光的定義我們可以看到初始的高斯光束腰是2mm，通過透鏡后的新束腰是0.0079578mm。

132精選2021版課件通過POP窗口的Fiberdata對話框我們可以看到接收光纖是如何定義的，這里接收光纖的模式是高斯型的，束腰大小是8微米。十分接近新束腰的大小。

133精選2021版課件當光束的模式和光纖的模式在振幅和相位上都匹配時，可以獲得最大的接收效率T=1.0。模式、相位的任何偏差都會降低接收效率。光學像差通常會引入相位變化，減小接收效率。另外，漸暈、邊界反射和體吸收會減小系統(tǒng)效率。耦合效率=系統(tǒng)效率*接收效率當我們改變接收光纖，把束腰大小改成0.004mm時，重新計算耦合效率，結果效率降低了。

134精選2021版課件物理光學傳播的第三個例子：cibbsphenomenon.zmx，這個文件演示了均勻光束通過光欄時產(chǎn)生的近場衍射現(xiàn)象。透鏡數(shù)據(jù)編輯器數(shù)據(jù)如下：透鏡數(shù)據(jù)編輯器里只有三個面，物面無窮遠，系統(tǒng)光闌面的半徑0.1mm，是個固定的硬邊孔徑，表示一個半徑0.1mm的圓孔，光只能從孔通過。像面在系統(tǒng)光闌面后面0.2mm處，近場范圍內。物理光學傳播的設置里，我們定義一個束腰0.1mm的tophat類型的光源，看看它通過系統(tǒng)后的衍射情況。

135精選2021版課件我們定義的tophat光源：

顯示通過光闌前的tophat光束，需要設置：

136精選2021版課件通過光闌后的衍射表現(xiàn)：

顯示通過光闌后的tophat光束，需要設置：

137精選2021版課件物理光學傳播的第四個例子：pinholeaperture.zmx，這個文件演示了高斯光束通過空間濾波器的情況。透鏡數(shù)據(jù)編輯器數(shù)據(jù)如下：第五個面上設置了一個針孔，打開它的surfaceproperties，可以看到它設置了一個硬光欄，直徑6微米。我們來看高斯光束的變化138精選2021版課件初始高斯光通過針孔前的高斯光通過針孔后基波通過針孔后光束的總能量顯著減少，原來1瓦，減小到現(xiàn)在的0.18139精選2021版課件

物理光學傳播的第五個例子：lensletarray.zmx。物理光學傳播并不僅限于光束在簡單的鏡頭上的傳播，也可以用于諸如鏡頭陣列這樣的復雜光學元件上。

透鏡陣列

物理光學傳播140精選2021版課件

近軸高斯光傳輸

用一個例子演示近軸高斯光的傳輸，paraxialgaussian.zmx。近軸高斯光的設置：

定義波長，定義M平方因子，定義M2=1.0時的束腰半徑，定義束腰到第一個面的距離，束腰在第一個面左邊為負6.7mrad，M2=1.2，w=0.532*1.2/3.1415926/3.35=0.0606594w0=w/sqrt[M2]=0.055374215141精選2021版課件142精選2021版課件

使用ZBF文件定義高斯光

Zemax的Physicalopticspropagation中可以用二進制的Userdefinedtable文件來定義高斯光束，這種二進制文件的擴展名為ZBF。Zemax中ZBF文件的格式如下：（整型變量占4個字節(jié)，雙精度型變量占8個字節(jié)）1integer：格式版本標志，通常為0。1integer：x方向采樣點數(shù)（nx）1integer：y方向采樣點數(shù)（ny）1integer：是否偏振的標志，0表示非偏振，1表示偏振1integer：單位，0表示mm，1表示cm，2表示inch，3表示meters4個整數(shù)：通常沒有什么用，保留變量，可以是任意值1double：x方向的采樣點間隔1double：y方向的采樣點間隔1double：高斯光束束腰的z方向位置1double：高斯光束的瑞利距離1double：光束的波長，與透鏡數(shù)據(jù)的單位相同1double：高斯光束的束腰大小1double：接收器的效率。如果不需要計算光纖耦合的話，這個變量的值為01double：系統(tǒng)的效率。如果不需要計算光纖耦合的話，這個變量的值為03個double：通常沒什么用，保留變量，可以是任意值2*nx*nydouble：Ex的值，從-x，-y開始，走過每一個x行。每個數(shù)列項都存儲了實部和虛部的數(shù)據(jù)。如果光束是偏振的，還有一個2*nx*nydouble定義Ey注意：Ex和Ey的定義使得Ex*Ex+Ey*Ey的單位是watts（瓦特）。如果標志單位的變量表明光束的單位與當前透鏡數(shù)據(jù)的單位不一樣，Zemax在讀入ZBF文件的時候會自動把光束縮放到透鏡數(shù)據(jù)的單位。143精選2021版課件如何生成ZBF文件

在VisualC++6.0里新建一個控制臺程序，選擇空的工程項目，finish

：

144精選2021版課件在VisualC++6.0環(huán)境下編譯sample_zbf_program.cpp的時候要刪除第一個頭文件#include“stdafx.h”,這是C++的一個頭文件。

點擊SourceFiles右鍵菜單AddFilestoFolder添加zemax\POP\BEAMFILES\sample_zbf_program.cpp145精選2021版課件編譯，生成.ZBF文件，把它拷貝到/ZEMAX/POP/BEAMFILES下面，就可以在POP對話框里選擇.zbf文件作為你對高斯光的定義。146精選2021版課件ZEMAX的熱分析147精選2021版課件*光學系統(tǒng)需要熱分析，有三個因素：1.玻璃的折射率依賴于溫度和波長，相對折射率也隨壓力的變化而變化。2.玻璃會隨溫度的變化而膨脹或收縮。3.透鏡和透鏡之間的間隔會因為材料的熱脹冷縮而改變。*用戶可以在general-〉environment里設定溫度和壓力。默認是20攝氏度，1個標準大氣壓。采用默認設置可以加快折射率的計算速度*ZEMAX中默認進行熱分析的時，是把同一溫度和壓力應用于系統(tǒng)的每個表面，每一部分。然而，ZEMAX也支持在同一個系統(tǒng)中設置多個溫度，進行熱分析熱分析的基本介紹148精選2021版課件折射率的熱變化玻璃的絕對折射率由于溫度變化引起的變化量用下面的公式表示：注意，n是標準溫度和壓力條件下的相對折射率，T是相對20攝氏度的溫度變化，溫度大于20攝氏度時，T

是正數(shù)，而D0，D1，D2，E0，E1是玻璃生產(chǎn)廠家提供的有關玻璃熱性能的參數(shù)。149精選2021版課件多個溫度和壓力的定義在多個環(huán)境下分析和優(yōu)化鏡頭時，比如在一個寬溫范圍或不同壓力時，熱分析的真正能力才能得到發(fā)揮。這時要考慮三個問題：1.確定正常溫度和壓力下光學系統(tǒng)的結構參數(shù)2.確定環(huán)境變化而引起的折射率，曲率半徑和厚度的變化量3.確定使用材料的熱影響ZEMAX中建立一個處于多個環(huán)境情況下的系統(tǒng)的基本方法：1.在標準溫度和壓力下，定義鏡頭，確定所有的曲率半徑、厚度、玻璃材料2.然后使用多結構編輯器定義附加結構3.在附加結構中用TEMP和PRES操作數(shù)定義溫度和壓力，指定曲率半徑和厚度的多結構操作數(shù)，并用thermalpickup來求解指定溫度和壓力下的曲率半徑和厚度150精選2021版課件我們使用三個例子來說明如何模擬熱效應，第一個例子:therm-plate.zmx先按下面的lensdataeditor建立光學系統(tǒng)設計圖如下：151精選2021版課件我們假設玻璃平板之間的有個金屬隔圈，這種材料的熱膨脹系數(shù)設置為23ppm建立如下的多結構編輯器，使用thermalpickup求解新的操作數(shù)值152精選2021版課件更新3Dlayout，輸出結果，上部分是高溫下的系統(tǒng)：為同時顯示兩種環(huán)境下的系，3Dlayout需要的設置153精選2021版課件現(xiàn)在我們想讓第二塊玻璃置于1000攝氏度的環(huán)境中，那么需要在多結構編輯器中添加新的TEMP操作數(shù)，觀察第一個玻璃板和第二個玻璃板的厚度變化，例子：therm-plate1.zmx154精選2021版課件第二個例子:therm-Cooke.zmx，打開ZEMAX自帶的例子Cooke40degreefield.zmx，使用Tools-〉removeallvariables去掉所有的變量，打開多結構編輯器，使用Tools-〉autothermalsetup工具建立不同溫度下的多重結構得到的多結構編輯器：155精選2021版課件現(xiàn)在我們可以通過CTRL+A快捷鍵切換不同的結構，觀察MTF的變化：20攝氏度-20攝氏度60攝氏度156精選2021版課件熱分析能力也可以讓我們進行無熱化設計，第三個例子:no-therm-design.zmx。我們打開ZEMAX自帶的例子doublet.zmx，打開多結構編輯器，使用Tools-〉autothermalsetup工具建立不同溫度下的多重結構，你可以看到兩種溫度下的OPD圖有明顯的不同。20度100度157精選2021版課件現(xiàn)在用玻璃替代和錘優(yōu)化對此系統(tǒng)進行無熱化設計。如果能找到TCE差距小于0.5ppm的兩種玻璃，就可以保證在20度和100度兩種溫度下，鏡頭的性能不至于下降太多。優(yōu)化函數(shù)：在多結構編輯器中把玻璃設置為可替代，表面的曲率半徑都作為變量，然后hammer。158精選2021版課件結果：20度100度此時的兩種玻璃材料分別為UBK7，TCE為6.5；FN11，TCE為7.5159精選2021版課件ZEMAX的膜層定義和應用160精選2021版課件ZEMAX的序列模式下可以在surfaceproperties里定義表面的鍍膜情況，用于光線追跡，考慮能量和偏振同過系統(tǒng)后的狀態(tài)161精選2021版課件ZEMAX的非序列模式下也可以在objectproperties里定義對象的鍍膜情況我們看到序列和非序列模式的膜層選擇的是同一膜層文件，通過Tools->coatings->editcoatingfile可以打開這個膜層文件，這個文件名為Coating.dat，放在zemax安裝目錄下的文件夾coatings里面162精選2021版課件Coating.dat的定義ZEMAX2003中的Coating.dat定義的膜層數(shù)據(jù)分三類，關鍵詞MATE表示它定義的是材料；COAT表示定義的是膜層；COATI表示定義的是理想膜層163精選2021版課件三類膜層數(shù)據(jù)的具體定義MATE材料數(shù)據(jù)的定義：*波長，單位微米，多個波長時，按波長的升序方式排列*折射率的實部，是材料在相應波長下的實際折射率*折射率的虛部，是材料的消光系數(shù)如果材料只提供了一種波長，那么無論對哪種波長進行光線追跡，都使用該折射率的實部和虛部。因此膜層的色散被忽略。如果材料提供了多波長的折射率，當波長小于定義的最短波長時，使用最短波長的折射率數(shù)據(jù)，當波長大于定義的最長波長時，使用最長波長的折射率數(shù)據(jù)，

中間波長，使用線性插值。164精選2021版課件COAT膜層的定義：MGF2.2504BK7500010MGF2.2504等同于：MGF2.2500BK7500010MGF2.2500MGF2.2500BK7500010MGF2.2500MGF2.2500BK7500010MGF2.2500MGF2.2500BK7500010MGF2.2500165精選2021版課件COATI膜層的定義的是理想的膜層，理想的膜層分兩類：一類不考慮吸收系數(shù)，只定義透射強度，那么反射強度=1-透射強度。另一類，列出透射和反射系數(shù)T,R。吸收系數(shù)A=1-T-R。例子：COATI.95第一類理想膜層，表示透射率95%，反射率5%IDEALSPLIT0.500.50第二類理想膜層，表示透射率50%，反射率50%，吸收率0166精選2021版課件通過Tools-〉Coatinglisting可以打開一個文檔，里面是文件Coating.dat定義的材料，膜層

。這里面的定義更詳細。167精選2021版課件自定義膜層熟悉了ZEMAX中對膜層的定義，可以通過Tools-〉EditCoatingFile打開文件Coating.dat定義你自己熟悉的膜層

。把這個修改過的文件命名為COATING1.dat，保存到ZEMAX安裝目錄下的Coatings文件夾下。

168精選2021版課件使用自定義膜層通過general-〉coatingfile輸入你定義的膜層文件名COATING1.DAT

。然后你可以通過Tools->

addcoatingstoallsurface給每個空氣-玻璃表面添加上膜層FP1或者通過surfaceproperties或object

properties給某個你想要的表面或對象添加你自己定義的膜層。169精選2021版課件膜層和傳輸率我們給cooke鏡頭的所有空氣-玻璃表面使用addcoatingstoallsurfaces工具添加上AR膜----單層氟化鎂膜，例子：cooke-coatings.zmx。添加AR膜前添加AR膜后170精選2021版課件ZEMAX程序設計語言171精選2021版課件ZPL介紹ZEMAXprogramminglanguage（ZPL）是特別設計的一種很容易使用的宏語言，它是擴展zemax功能的有力工具。當你需要做特殊的計算或者圖例顯示，而這些功能又不是ZEMAX內建的時候，你只能寫你自己的ZPL程序，來完成你希望完成的工作。ZPL類似于BASIC語言，但是它只支持大部分的BASIC語言的結構和關鍵字，而且它還添加了與光線追跡相關的獨一無二的新功能。你可以用任何ASCII文本編輯器(比如notepad)來編輯ZPL文件。編輯好的文件任意命名，但是擴展名必須是.ZPL，也必須放在ZEMAX安裝目錄下的Macros文件夾里。運行和編輯ZPL宏，很簡單。使用Macros->edit/runZPLmacros。學習ZPL最好最快的方法，分析別人的ZPL程序172精選2021版課件現(xiàn)在，一起來分析三個ZPL程序。第一個例子：求指定光線在每個表面上的入射角和出射角，程序代碼如下：!tableofanglesofincidenceandexitanceforeachsurfaceforaspecificray!GeorgNadorff4-apr-2002input"Hx:",hx提示你設置視場坐標Hx，你設定的值賦給變量hxinput"Hy:",hy提示你設置視場坐標Hy，你設定的值賦給變量hyinput"Px:",px提示你設置入瞳坐標Px，你設定的值賦給變量pxinput"Py:",py提示你設置入瞳坐標Py，你設定的值賦給變量pyPrint打印空，作用相當于換行format5.2為后面的Print語句規(guī)定打印的數(shù)值精度和格式，定義了在后面打印變量hx，hy,px,py的值時，保留兩位小數(shù)print"RayHxHyPxPy:",hx,hy,px,pyprint"surfaoiaor"print"==============================="format10.4為后面的Print語句規(guī)定打印的數(shù)值精度和格式，定義了在后面打印時，保留4位小數(shù)173精選2021版課件!tracechiefrayforentiresystem:raytracehx,hy,px,py調用zemax光線追跡程序去追跡通過當前系統(tǒng)的一條指定光線，這條光線由參數(shù)hx,hy,px,py指定。fors=1,nsur(),1fornext標志循環(huán)，當s>nsur()時循環(huán)結束，nsur()是ZPL內建函數(shù)，返回系統(tǒng)定義的表面數(shù)量normal=57.29577951*a