zemax学习报告

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1、ZEMAX软件学习报告摘要：目前我对ZAMAX光学设计软件进行了初步入门学习，简朴理解了ZEMAX光学设计软件的实际运用的几种例子，以及对其环节进行了具体理解。对其分析和运用过程的问题进行论述。核心词：zemax 运用例子 使用问题引言：ZEMAX是美国 Radiant Zemax 公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算sequential（序列性）及Non-Sequential（非序列性）光学设计的软件。ZEMAX光学设计程序是一种完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析

2、，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。涉及光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于顾客界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活以便，是一种较好的综合性程序。 ZEMAX可以模拟持续和非持续成像系统及非成像系统。ZEMAX 可以在光学系统设计中实现建模、分析和其她的辅助功能。 ZEMAX 的界面简朴易用， 只需稍加练习， 就可以实现互动设计。ZEMAX 中有诸多功能可以通过选择对话框和下拉菜单来实现。同步，也提供快捷键以便迅速使用菜单命令。手册中对使 ZEMAX 时的某些常用措施进行理解释，对设计过

3、程和多种功能进行了描述。ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范畴内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。一、ZEMAX光学设计软件运用实例：1、单透镜（a singlet）：重要运用ZEMAX光学设计软件设计了一种F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范畴内，用BK7玻璃的单透镜。一方面我对波长和镜片数据进行了录入，生成了光线特性曲线图。第二步对光线特性曲线进行了优化，通过动态调节特定镜片数据（选择边沿光高），纠正其离焦。生成新的光线特性曲线。第三步

4、对图像进行了进一步的优化，通过对第1面的半径、第2面半径以及第2面的厚度上设立变化的标志（Ctrl+Z），称为变量，这些变量可以用离焦来补偿球差。同步对镜片定义一种评价函数（抱负的镜头评价函数应为0）。然后对工具（TOOl）中的最佳化进行自动最佳数值设定，得到无缺省评价函数的光线特性曲线。最后将焦距变化图变化以及多色光焦点漂移（Chromatic Focal Shift）图展示出来。此时一种F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范畴内，用BK7玻璃的单透镜运用ZEMAX完毕基本设计。这次设计对ZEMAX输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（ray fan），光程差曲线（OPD），和点列

5、图（Spot diagram），拟定厚度求解措施和变量，进行简朴的优化这几种方面进行了学习。2、双透镜（a doublet）：在我对使用ZEMAX对单透镜进行了简朴的设计后，我对双透镜设计进行了学习。双透镜是单透镜设计的进一步延伸。一方面在ZEMAX软件中如设计单透镜的数据进行基本录入，意思一方面是对单透镜的设计，在进一步设计双透镜，因此运用上一次设计数据。我们只需要在光阑面加一种面录入基本数据以及玻璃类型。由于上次已有评价函数，因此直接点击工具进行自动优化得到双透镜最原始的光线特性曲线。对于双透镜的设计对光学相差进行了质的提高。然后用系统选项的跟新所有数据窗口。再将其光学像差变化图以及二维图

6、和边沿厚度数据展示出来。由于到这步的时候基本是边沿厚度过小，因此需要修正边沿厚度，一方面对镜片孔径放大。更新图层，再增长中心厚度保持边沿厚度在3mm左右。再次更新表面数据窗口，然后进行自动最佳化，再次更新系统数据。得到新的一系列光线特性曲线以及二维图、三维图。最后通过度析新的光线特性曲线得出场曲为重要相差，场曲曲线图展示。通过双透镜的设计在单透镜基本上学到了产生图层和视场曲率图，定义边沿厚度解，定义视场角。3、牛顿望远镜（a Newtonian telescope）：牛顿望远镜是最简朴的用来矫正轴上像差的望远镜，牛顿望远镜是由一种简朴的抛物线形镜面构成的抛物线较好地矫正了所有阶的球差。同样的我

7、一方面录入了基本数据对镜面第一面进行初步设定，不同于双透镜，牛顿望远镜是一种全新的ZEMAX镜面设计。我需要设计一种1000mm F/5的望远镜，这暗指需要一种曲率半径为mm的镜面，和一种200mm的孔径。移动光标到第一面，即光阑面的曲率半径列，输入-.0，负号表达为凹面。目前在同一种面上输入厚度值-1000，这个负号表达通过镜面折射后，光线将往“后方”传递。目前在同一面的“Glass”列输入“MIRROR”，选择“System”，“General”，然后在“通用数据对话框（General Data Dialog Box）”中输入一种200的孔径值，并单击“OK”。得到基本的点列图和光线特性曲

8、线。评估像质的一种较为简便的措施是将艾利（Airy）衍射斑加到点列图的顶部。进行此操作，可从点列图的菜单条选择“Setting”，在“Show Scale”选项中选择“Airy Disk”，然后单击“OK”。得到如下图所示的可以看到有一小簇的光线在六角环带的中心，RMS点尺寸是0。变化第一面的厚度着手，将之改为-800mm。目前移动光标到像平面，按Insert在主面与像平面之间插入一种虚构的面。新的面不久会被转换为折叠面。虚构面的作用只是简朴地用来安放折叠镜面。在新的虚构面上输入一种-200的厚度值，保持镜面到像平面的总距离为-1000.0。目前单击“Tools”，“Add Fold Mirr

9、or”，然后设立“Fold Surface”为2，单击“OK”。然后进行一步自动最优化，再展示出此设计镜面的3D效果图，可通过键入上下左右变化效果图展示不同角度。在光阑前加入一种虚构的面。目前使得虚构面的厚度为900mm，双击第一面的“Standard”，在对话框中为孔径类型选择圆形遮拦（“Circular Obscuration”），在光束中安放一种“遮拦（Obscuration）”，这样就考虑到了折叠反射镜阻挡了某些光束。为“最大半径（Max Radius）”输入40，然后单击拟定。看上去更为实际，如果不是所有的表面都是可见的，选择“Setting”，然后将第一面和最后一面的选项分别改为1

10、和6，或单击“Reset”，然后按“OK”。在设计牛顿望远镜的过程中进一步学学习了使用反射镜，圆锥常量，坐标中断，三维图形。4、带有非球面矫正器的 施密特卡塞格林系统（Schmidt-Cassegrain）:施密特卡塞格林系统是一种带多项式非球面矫正器的完全设计，相对来说较复杂，这也是我唯一学习的一种光学系统的完全设计。同样第一步仍是进行了初步录入数据，设定波长等等。然后二维图如下图所示。我将加入辅助镜面，并安放像平面。我们后来将让ZEMAX为辅助面计算恰当的曲率。目前修改表格，使之如下表所示的以体现一种新的面。得到新的二维图像。然后选择“Editors”，如前面同样拟定评价函数。然后进行自动

11、优化。展示出光线特性曲线，评价函数可以直接关闭，自动保存。下一步就是单击第一面（光阑面）的“STANDARD”表面类型，从所显示的对话框选择“EVEN ASPHERE”。这种面型容许为非球面校正器指定多项式非球面系数。单击OK，在第一面向右移动光标直到“4th Order Term”列，键入Ctrl-Z。这样就给这个参数设立了一种变量标记，目前为0。也在“6th Order Term”和“8th Order Term”上设立变量标记。再次进行自动优化解决得到了光线特性曲线。然后打开视场角，调节设计。从主菜单，选SYSTEM，FIELDS，并将视场角的个数设立为3，输入y-角0.0，0.3和0.

12、5度。点击系统选项中的更新得到新的光线特性曲线。再次进行自动优化解决，此时已经较好的平衡了相差。如果进一步用这个设计的望远镜来拍摄，就会对调制传递函数（MTF）进行分析。下面我对初步的MTF图进行了展示，以及进一步设定孔径类型以及设定菜单内的最大半径进行了设定。得到了新的二维图形如下图所示。这次进行一次光学系统的完整设计学习了使用多项式的非球面，遮挡，孔径，求解，优化，图层，MTF图。5、上述皆是我具体学习过的常用的典型例子，目前简朴阐明更进一步的使用功能：（1）：多重构造配备的激光束扩大器（a multi-configuration laser beam expander）：使用多重构造配备

13、的性能（2）：折叠反射镜面和坐标断点（fold mirrors and coordinate breads）：更好地理解坐标断点，为倾斜和偏心系统设立的符号商定，反射镜面的应用。本教程中描述的大部分技巧都用“Add Fold Mirror”工具自动完毕，并提供了坐标断点的手册条目的祥细解释。（3）：消色差单透镜：附加数据编辑器，用二元光学表面优化。（此设计只能在ZEMAX-EE软件中进行）二、分析和运用过程的问题论述：1、由于是全英文版，运用此软件应先对其操作选项进行理解。2、操作中重要用到图像显示以及系统选项，设定数据基本在半径、孔径以及厚度三个大项。3、对于操作过程中的评价函数应特别注意，

14、评价函数用来拟定镜片好坏，因此应注意先拟定评价函数，以免背面过程无效。4、操作中设定变量（Ctrl+Z）以及自动优化解决使用非常广泛，操作中变化一定数值就要更新系统选项，以及进行自动优化解决，得到最佳的设计效果。三、学习总汇：在通过本次学习ZEMAX光学设计软件的过程中，我学习了一下几种方面：1、单透镜、双透镜、牛顿望远镜以及施密特卡塞格林系统的初步学习，对四个光学设计的实例进行了具体操作。2、理解了zemax 的功能概述：(1)分析提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，以便分析，且可将分析图形存成图文献，例如：*.BMP， *.JPG等，也可存成文字文献*.txt。(2)优化表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，以便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用，诸如Local Optimization可以迅速找到佳值，Global/Hammer Optimization可找到最佳的参数。(3)公差分析表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，以便使用者定义。(4)报表输出多种图形报表输出，可将成果存成图文献及文字文献。3、对ZEMAX应用领域：含括Projector，Camera，Scanner，Telescope，光纤耦合，照明系统、夜视系统。参照文献：