| 不是大人物 |
2007-06-14 12:02 |
ZEMAX光学设计软件概论
ZEMAX概论 E>tlY&0[$
h2 2-v X
ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，包括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用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。 ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。 w`(EW>i
6% @@~"
ZEMAX有三种不同的版本：SE，XE和EE。这里描述的一些功能只有ZEMAX的XE或EE版本才有。 e7f 3dqn0
+1j@n .)ft
连续光路 }JXAG/<
Iz/o|o]#
一个连续界面组可以很好的描述大多数成像系统，每个界面定义了两个介质间的分界。光线以一种特定的连续顺序从一个界面到另一个界面。 #{)= %5=c
j$ h.V#1z
3% ?01$k
J G xuB*}
这个系统能很详细地描述光学系统，例如照相机透镜组，望远镜和显微镜系统。对于这些系统来说，连续光路具有很多优点：光路的快速性，界面形状和性质的普遍性以及直接优化和容差性。 *]Nd
I
U[/ k=}76
ZEMAX的光学界面具有反射、折射和衍射特性。另外，对于表面薄膜所导致的畸变传输等界面性质也能详细的进行描述。 =,q,W$-
-hav/7g
界面间的大体积介质可以是均匀的，例如普通玻璃或空气，也可以是具有任意梯度指数的形式的介质，这里的指数形式是关于位置、波长、温度或是其它性质的复杂函数。对于双折射材料，指数是极化函数，并提供有关光线角度的信息。 \$ Xo5f<
cD&53FPXC
/
AFn8=9'^
P N ,pEk|
ZEMAX准备和预定义了许多界面和介质类型，同时也支持用户自定义界面。所有的介质属性，包括形状、折射率、反射率、指数梯度、指数热胀性、极化性、传输率和衍射性都可以由用户自定义。 sW[8f
Z71
CA7 ZoMB#
非连续光路 @EZ@X/8{&
1$Rua
许多重要的光学系统并不能由连续光路模型来描述，例如复杂棱镜，光管，照明系统，多面反射镜，非成像系统或任意形状物体等。而且散射光和偏离光一般不能用连续性分析来模拟。 D[2I_3[wp
[hs_HYqJ
fD3}s#M*G
5?+ECxPt
这些系统需要一个非连续光路，光线可以以任意次序穿过任意物体。非连续光路可以对光线传播进行详细的分析，包括散射光和部分反射光。ZEMAX将穿透物体的光线分离成多散射光束或多反射光束，然后继续传输所有分离后的光束。 {VBx;A3*I
+H5= zf2
`+_UG^aeW
" ( c#H
在非连续光路系统中，ZEMAX运用三维的光学部件固体模型，能追踪穿过任何固体形状的光线，提供散射，衍射，梯度指数，极化和薄膜的信息。 } 5~|h%
rPVz !(;k
ZEMAX利用光度计和电子辐射计单位来进行非连续分析。 l +BJh1^
iUl5yq
连续和非连续系统 Ca]+*Eb9z{
E 5D5
如果需要，ZEMAX可以在一个系统中同时支持连续和非连续光路系统。连续界面可以和任意形状、方向、方位的非连续物体混合。ZEMAX这种能把两种不同光学系统集成于一个简单而连续界面的能力，使它成为解决任意光学设计问题的理想工具。 ~|e?@3_G
" 'us.t.
光源类型 gs)wQgJ [
%$/t`'&o-
ZEMAX支持不同的光源类型，可用于连续和非连续分析。 & kKopJH
5z8CUDt
0
连续光源 (Zi(6 T\z
QR<z%4
对于连续光路，光源被定义为场点或是材料表面的扩展位图。 ]J;pUH+u
]~g6#@l
ZEMAX支持传统的点光源，场点可以用角度、物高、实像高或近轴像高来定义，可以对每一点光源独立地进行特定的描述。这就允许在作为场点函数的相对强度或F/＃中进行调整。 +}H2 |vP
<[O8 {9j
ZEMAX也支持二极管型的像散和椭圆连续光源。光源可以360度立体角射入任意固体。 Ws"eF0,'Z
HvS KR1wL\
ZEMAX也同样支持扩展光源。用户可以运用和位图成像近似的ASCII格式，或是在标准WindowsBMP或JPG格式来定义这些光源。象素数由用户定义，每个象素的光强度可以改变。因此用户可以创建强度随波长和位置而变化的光源。 R)% Jr.U
fHTqLYd-
非连续光源 07WZ w1(;
h|h-< G?>
非连续光源要比连续光源复杂，它们一般是三维的，而且有一个以瓦和流明为单位的输出通量。用户定义的光线数是由各个光源产生的，以控制光源的取样。对设计和分析窗口上的光线数是进行分离控制的。 40}qf}8n t
! =j\pu}
Z
ZEMAX支持以下几种非连续光源： ,7:_M> -3g
H M yw:?
均匀点光源、余弦光源或高斯光源 bF:]MB^VK
.v<c_~y
椭圆面光源或椭圆体光源 Kbjt CI7
/fCj;8T3o
矩形面光源或矩形体光源 P@P(&{@
`2 X~ 3im
柱面光源或柱体光源 rYUhGmg`
'EF Sr!+
二极管激光光源或二极管激光矩阵光源 B9IqX
dn0?#=
丝光源 `9QvokD
S-{3'D[Nj
用户自定义光源（任意） yi`Z(j;
gJn|G#!
辐射体的辐射光源 U 2k^X=yl
CAg\-*P|
多种光源可以同时使用。光源也可以是由用户定义了长度的连续光源，是不连续光源，是多色光也可以是单色光。 MQc|j'vEY
#~ J)?JL
玻璃、透镜和检测板目录 KLv `Xg \
q{/> hvl
除了Schott、Hoya、Ohara、Corning和Sumita的光学玻璃目录，ZEMAX还提供了红外材料、塑料和硅等天然材料的目录，双折射材料的数据，以及色散、热效应、污染/酸蚀、成本等其它数据。所有的数据都可以查看和修改，也可以添加新的数据。 $Lpt2:.((
X2b<_j3
ld58R
-QR&] U+
斯托克斯透镜卖主目录：Coherent,CVI,Edmund Industrial Optics,Esco,Geltech,JML,LightPath Technologies，Melles Griot,Newport,NSG America,Optics for Tesearch,OptoSigma,Philips,Quantum,Rolyn,Spindler and Hoyer以及U.S.Precision。 MONfA;64/
W =YFe<Q
siveqz6h
v;.7-9c*
ZEMAX支持自动检测面板的安装。这一功能会自动调节光学系统来安装指定卖主的工具。检测板菜单是为透镜安装人员提供的。 \tf \fa
# Vz9j
,4$ZB(\
4$Oakl*l
用户可以创建新的玻璃和检测板目录，或将新数据加入现有的目录。任何希望获得的目录都可以创建和保留。 WE""be 8
-V@vY42
孔隙和暗效应 p9w<| ZQ]:
W]Z;=-CBr
ZEMAX有几种不同的孔隙类型。首先，是一种定义光具组光轴上光束大小的系统孔隙。这类孔隙可由入射瞳孔直径、有限或无限的F/#配合的数值孔隙和立体角，或由系统的长度确定。 d L%?k@R
^CZ!rOSv
BS<5b*wG
a4HUP*
ZEMAX能够绘出通过近轴孔阑或偏离孔阑发出的光路，这一特性对广角的或稳固的光学系统来说都是绝对需要的。ZEMAX支持环形的、环纹形的、直角的、椭圆的和网状的孔隙。 +92/0
TJS/ O~=
?f!w:z p
+4G] !tV6
任何用户定义的孔隙和相位及振幅传输都可以定义或置于系统中任意位置。传输可以随意的定义为一个任意参数，如位置、角度、波长的函数。 r 7 w1~z
3|4jS"t{f
ZEMAX还考虑了孔隙、暗效应、边缘效应和畸变等因素在所有计算中影响。 $$7Mq*a>
e| x1Dq
连续光界面 ^2-2Jz@
d?dZ=]~ C
ZEMAX所支持的连续光通过的界面包括反射、折射、衍射和线性变化的介质。以下是ZEMAX包括的界面类型： 7J@iJW],,
hwkm'$}
类型 描述 dh r)ra]
B"rV -,n {
标准型 包括平面形、球形和圆锥形透镜 SV%;w>
hM~9p{O
偶非球面型 带偶次幂的多项式非球面透镜 Y r6wY s(%
b77Iw%x7
奇非球面型 带奇次幂的多项式非球面透镜 o'Q"
V 8`o71p
近轴透镜 一个理想薄透镜 Bw^*6P^l
D:`b61sWi_
近轴圆柱型 一个理想圆柱形薄透镜 OwX w9
ZmSe>}B=
环形型 圆柱形非球面和环形体透镜 *x[ZN\$`Y
'Rbv3U
环形光栅 添加光栅的环形透镜 Pn:L=*
v x qsK
环形全息 添加全息图的环形透镜 N y_d
$yG>=GN
非连续组件 b1An2 e[
R4 2+^'af
非连续光路追踪指的是在一系列物体中，计算光所通过的是其中哪一个物体。非连续光路的应用包括照明系统、偏离光控制、成像系统的ghost分析和非成像光学系统的普通设计。 bgD4;) ?5b
D@9adwQb
物体对界面的非连续性 l /?Jp+ ]
jK`b6:#(,
一般来说，运用相同的界面模型，连续界面的透镜设计程序也可以完成非连续光路的绘制，光束会与序列外的界面简单相交。但是，这种界面不能用来描述真实物体。对真实物体的准确描述需要运用三维固体模型。在运行非连续光路时，ZEMAX用固体模型作为光学组件，而且不只限于穿过界面的光路。 W&E?# =*X
m-V_J` 9"
S ]_iobWK
J~.8.]gXW
和传统的透镜设计程序不同的是，ZEMAX可以在交界面处将光线分成多光路，同时跟踪反射光、折射光、散射光和衍射光，并能准确知道各路光线的能量、极化、BSDF散射分布、薄膜和多级衍射的情况。 Ph@hk0dgr/
9FB k|g"U)
ZEMAX中的一个非连续系统包含了一个或多个光源、物体和探测器。 TmI~P+5w
$tKz|H)
光源 V~nqPh!Jc
H@ab]&
ZEMAX包括很多光源，用户也可自行定义。 PVfky@wl"
SUv(MA&
物体 )"W__U0
zfS0M
在ZEMAX中的每一个非连续光物体可能是三维固体或三维界面。物体在球状的等同空间中可置于任何位置。物体的位置和其旋转可以联系在一起，这样可以使我们更容易地定义复杂复合物体，从而将整个物体作为一个单位组合起来。 WC2sRv4]3
%x(||cq
Rr>nka)U
BO5\rRa0
非连续光学组可以放置在光学系统中的任何位置。光线进入非连续光学组，在光组中不连续地传播，直到通过一个出口离开光组，然后这束光线将会连续地通过剩余界面。 7$"{& T
>@Va p
l X g. `
-8Z; s8ACo
这种混合技术可以融合两种体系的优点：连续光路模化速度最快，而非连续光路的模化最完全。这两种模型的组合可以积累推广到任何实际的部件或系统中。 6uNWL `v
V)|]w[(Y
宏语言能力 "{TVd>9_
)DR/Xu;b
ZEMAX有三百种功能，可以满足大多数用户光学设计和分析的需要。但是，总还是有些分析或计算要求特殊的需要。为应付这种情况，ZEMAX支持一种称为ZEMAX程序语言（ZPL）的宏语言。 V{qpha4'P
[g<rzhC~=
{,:yZ&(
z89!\Q
ZPL的结构于BASIC相似，较为简单。ZPL有简单的BASIC命令如PRINT和GOTO，另外还有为代表ZEMAX的数据增加了一些新的关键词，如RAYTRACE和GETMTF。 m bSG
+!"GYPUXy
5~,usA *
&YiUhK
ZPL支持函数调用，用户定义排列、数字和曲线变量、文字和图象输出，以及对光路绘制算法的一个简单界面。ZPL宏语言可以读写ASCII码文件格式的数据报告。当宏语言不能满足更复杂的分析时，ZEMAX支持一个如下所述的程序界面。 ,)u1r3@I^
wk+| }s
外部程序界面 Pk2=*{:W
T?lp:~d
宏语言在做快速的程序工作时很有用，但对更复杂的分析工作，ZEMAX支持一个通用的程序界面。ZEMAX被设计用于顾客－服务器结构下操作：ZEMAX作为服务器，其它视窗程序作为委托者。ZEMAX可用于载入现存的或创建的新透镜文件，并将其光学化，这些都可以通过一个外部程序的简明控制而实现。如果用户编写程序，提供一个用户定义的功能，ZEMAX功能就得到扩展，这些新功能同ZEMAX的使用界面牢固地结合在一起，在物品菜单中出现，并且如标准的ZEMAX功能一样地运行。另外，这种顾客－服务器结构还可为仅需ZEMAX界面或图解的第三方程序所用。在这些情况下，C或C++的程序和所有强大而灵活的程序发展工具也都可以调用。 ;RR\ Hwix
OSu/ !Iv\
用户报告和测绘 TzSEQ S{
CdZS"I
ZEMAX支持大量功能的用户化。例如，对一个二维的格式测绘。其绘图选项可以轻易地将最少3条光线改为7条光线。修改后的功能可以各自独立地存入每个透镜文件和分析功能中。 gUa-6@
Z'!Ii+'6
$?Dcp^
l&JV.}qGB8
ZEMAX生成总括光学系统性能成绩的用户报告。这些报告一页可以显示4或6幅ZEMAX生成的图解。任何演示图解的特定选项都可以作为一个用户报告贮存，变成一个在菜单条中的选项，从而快速地生成所期望的任何一个透镜文件的报告。通用绘制功能可以展示任何透镜参数函数的计算数值图。例如，一旦被定义，这种测绘会作为一个功能存入ZEMAX，出现在菜单条上。使用这种技术不需要进行编程，新功能就可添入ZEMAX的界面。 #(Xv\OE
Z;'5A2
分析能力 ]a=n(`l?
O su 75@3
ZEMAX支持广泛多样的具有扩展选项的分析工具，这些选项可设置成将计算和演示的方法用户化。 jjJvyZi~J
c^F@9{I
光学化能力 w ]%EJ|'
BV"l;&F[
光学化是用于在初期设计的基础上提高一个光学系统的成效。ZEMAX使用用户定义或原有的专门函数，任何变量的数字可同时光学化。利用已定义的上百种控制，用户可以创建无限多不同的专门函数。 f %[0}.wp
\28 1X
专门函数 Z [Q jl*
FE=vUQXE2
20个基本的专门函数包括峰谷或RMS的最小化，点辐射，x、y、x+y或相对于主光线或质心的波前错误最小化。其它具有物理意义的功能函数如最佳MTF响应或环绕能也可获得。经常使用的专门函数可以作为一项独立于透镜的文件贮存起来。已定义好的目标有光线和结构数据，以及详细的透镜和系统的边界控制数据。其它光学化目标，如畸变率、宏计算等的专门函数可以容易地编写和用户化。 5K# <VU*:
r"4&.&6
在多重构型基础上的光学化简单明了。相等性、不等性和拉格朗日多重制约都可被定义并支持。 NG+%H1!$_
"wi}/,)
光学化参量 zE8qU;
;;>G}pG
ZEMAX光学化系统参数有：辐射、厚度、玻璃材料、圆锥、非球面系数、栅格间距、孔隙、波长、场强等。 /ka "YU
j=kz^o~mH
使用方便 p3Z[-2I
`Lj'2LoER
光学化工作十分简单：首先定义ZEMAX光学化要使用的参数，然后使用基本功能函数对话盒定义一个功能函数。随后点击“Automatic”由ZEMAX完成剩余部分。每次重复ZEMAX都会自动选取偏离增量和阻尼因素。ZEMAX在光学化的过程中可以由选择地显示和更新其它视窗，这为光学系统地革新提供了有价值地反馈信息。对更高级地能力，ZEMAX能光学化任何由宏语言程序或由ZEMAX界面上的外部编写程序计算而得到的数据。 WupONrH1e
ET\>cxSp
球面光学化 |-Q="7b%
v;.w*x8Jw
球面光学化指的是不仅提高而且找出在给定目的和制约条件下的最佳设计能力。ZEMAX支持两种球面光学计算化。第一种算法叫球面搜索法，是新的设计结构然后将其中最好的十种结构光学化。搜索将一直持续到用户中止。第二种算法叫精炼光学化，是用于设计的最后阶段确定所选择的最佳设计。两种算法都使用同样的用户定义或基本函数作用光学化的标准功能，并且可以在完成较任意的光学化的背景任务下同时进行。ZEMAX支持最多串联4片CPU计算机，任何分析窗口都可自动更新，并监视分析过程的完成情况。 p!/ *(TT
eW\C@>K e
容限 J;5G]$s
]|8 *l]oc
ZEMAX支持易理解、灵活且强大的综合容限分析能力。基本的容限设置为用户选择项的综合。基本容限包括曲率半径的接收范围、功率条件、透镜厚度、透镜位置、界面和x及y因子的倾斜率、界面和x及y因子的偏心率等。另外还可以定义许多容限，包括非球面常数、群偏心率/斜率、解和参数容限以及其它容限。也可以定义补偿，包括焦距、斜率或是任何光学元件的位置、界面或元件群。用户可定义任意数量的容限。 1$n!Lj=5
*r/o
\pyH
选择容限的标准：ZEMAX支持RMS点径，RMS波前错误，MTF，瞄准误差，或全部由用户定义的标准。ZEMAX可以管理使用三个独立相关工具的容限分析。 -~NjZ=vPh
:G4)edwe
灵敏度分析 ?
4v"y@v
|'QgL0?
灵敏度分析要考虑每一个独立的容限。将参数调整到容限范围内，然后决定每个补偿的最佳值。有一个简括表列出了每种容限对系数损失的影响。此表可以按顺序由坏到好地显示以确立主要地影响因素。 1 ~s$ <
y.aeXlc[
反灵敏度分析 z{ (c-7*
WqRaD=R->;
当系数地最大退化确定时，反灵敏度分析会反复计算每种参数地容限限制。 L"It0C
$_+.D`vx`
Monte Carlo分析 }>yQ!3/i
v$~ZT_"(9
Monte Carlo分析功能非常强大且有效，因为它同时考虑了所有容限。利用定义好地容限可以产生随机地系统。使用相近地统计模型可以获得各参数地随机紊乱数据，调整各种补偿，从而得以将所有不足考虑在内，对整个系统作出评估。ZEMAX能快速地模拟在人工模拟场中大量透镜的装配。 4c,{J s
)YPu t.
空间和多重位形/结构 >>.4@
./_4D}
ZEMAX可以将空间透镜分析和设计作为普通多重位形概念的一个特例来支持。实际上在ZEMAX中的任何参数，如波长、孔隙值、场位、直径、厚度、玻璃类型或其它数据，都可采取多重值。每中位形都可以取不同参数的不同值。这一功能可以用于设计简便空间透镜、扫描系统、不透辐射热透镜或多路系统。多路系统包括干涉仪、透镜阵列和分光束系统。 5e
>qBw8t
Gj- *D7X5
ZEMAX能够在一张绘图上绘出系统的一个或所有的位形，不论是光学系统中哪一点被移动或覆盖。球面干涉协调使得将系统中各因素的定位与另一穿过位形的联系变得容易。 r odr @
:pNu$%q
多重位形的同时光学化也同样受支持。每个位形都可有等同或单值的基本函数。变量和制约条件可针对所有位形或只单一地对几个有效。这一强大的功能可用于一定温度范围内的不透辐射热系统的光学化。 mNQ*YCq.
js[H $
热分析 K*aGz8N
!glGW[r/7
对于温度范围大或不处于20 o C的标准温度的光学系统需要考虑热效应对折射率和材料延展性的影响。ZEMAX使用一种精确的非线性热模型，并不是简单dn/dt的近似。 8z`Ne(h;
l~#%j( Yo
ZEMAX支持对透镜元件或组群间层的热效应延展系数（TCE）的说明（和光学化）。TCE数据用于创建用户定义温度所对应反射性能的多重位形。ZEMAX支持的玻璃材料目录包括了考虑影响各元件及整个系统的温度和压强数据变化的热效应延展和系数。由于ZEMAX可以同时光学化多重位形，这一功能可用于设计不透辐射热透镜，也可以估计性能随温度的变化情况。所有ZEMAX界面，包括非球面界面的热延展属性都有精确的模型。 uuf+M-P
` 7jdV
扩展光源分析 F QBAt0
AkX8v66:
点光源在成像系统的设计中十分有用，这是因为对一个点光源的成像属性的观察可以精确描述成像质量的许多方面。然而，扩展光源对于研究视觉畸变（特别是非辐射畸变），检验成像方向或极化、色分离和对整个系统的性能示范都是极有用的。ZEMAX支持两种扩展光源。一种是简单的ASCII码格式对于制作条形目标、凸面镜、方形和其它形状都有用。对于复杂的24位色成像，ZEMAX支持标准的视窗BMP格式。任一种格式的成像都可以用作光源，所监测的成像可通过任何使用用户定义探测器性质的光学系统观察。一旦扩展光源建立完成，就可被缩放、旋转、转换和放置在场中的任何位置。ZEMAX中的扩展光源成像功能说明了像的畸变、偏离和传送，这是普通光场、光瞳和波长的基础。 x}7` Q:k=
EVi DMp"
解 tW \q;_DSr
gPY Cw?zQ
解是用于灵活地调节界面数据以保持一个特定地状态。例如，一个特解可以在一定选定因子条件下使一个参数与另一个参数地值相等。在下面的表中列了一些解：曲率，厚度，多结构，其它。 mApl}I
F2C v,&'
极化光线绘制 sSsRn*LN-:
HyJ&;4rf
ZEMAX结合完全的极化光线的绘制和分析能力。可定义任意的输入极化状态，而且在任何光线系统中绘出极化光线的光路。ZEMAX说明光的传输、反射、吸收、极化状态以及延迟性。极化光线的绘制需要计算界面和容积材料的影响。界面的影响决定于界面表明覆盖的光学薄膜的属性。 4^{~MgQWK+
e) kVS }e?
薄膜模拟 o F=UjA
c n^z=?
ZEMAX有广阔的薄膜模拟能力以支持极化分析。利用已有的或用户定义的材料数据库，可定义多层介质和金属性的薄膜覆盖。覆盖层可运用于介质或金属的基质上。覆盖层可以任意材料任意层数组成，每种材料都可定义为复杂的折射指数，在覆盖层材料可以充分模拟色散。基质可以使玻璃、金属质或由用户定义。ZEMAX可以随光线由空气至玻璃，然后由玻璃至空气的顺序改变而后掉转到覆盖层，因此不需要“镜像”覆盖层，就可运用同样的覆盖层于许多界面。利用适合的覆盖层数据，ZEMAX可将任何覆盖层的波长或角度函数表示的双衰减、相位、延迟性、反射性、传输率或吸收率。 "a]Ff& T-
mAuN* (
材料模拟 P7y.:%DGD0
B+n(K+
ZEMAX中有详尽的体吸收模拟，包括以任何波长在任何厚度的玻璃内传输。吸收通常会使光线产生衰减，其衰减量决定于光程长度、材料属性以及波长。所有材料都可由用户定义吸收或传输属性。 >OW>^%\!1
$&to(
极化数据 >-4kO7.V
;0Mg\~T~'
ZEMAX允许定义非极化光束或极化光束。光线在绘制的同时ZEMAX保持在三维空间中对介质场矢量的跟踪，包括S和P因子在每一个界面定义中的跟踪，对传送和极化矢量属性进行了详尽的模拟。极化光线绘制的成效可由表格表示，也可由图象演示来描述。 &BkdC,o
L<O" 36R
双折射材料 (db4.G+ 0
:'K %&e?7s
ZEMAX模拟了例如Calcite的双折射单轴晶体。由于一般来说，光线在材料中的折射角决定于材料的折射指数，但同时介质的指数又是光线角度的衰变函数，光线角度又受界面的正常矢量和晶体光轴矢量的影响，材料中的光路绘制较复杂。ZEMAX充分支持三维运用，在任何极化状态都可以正确说明极化传输强度。 )jm u*D5N
"V:E BR
正常光和非正常光光路都可以计算，ZEMAX可以彻底地模拟正常光和非正常光折射率指数的色散。双折射材料库在软件中又收集，用户可定义任意色散的新材料。所有ZEMAX功率都可以在光学系统的任何位置支持双折射材料。
|
|