1、ZEMAX軟件使用講座 李保生 合肥工業大學光信息科學與技術系libaosheng國內外光學設計軟件情況國內情況： 北京理工大學(SOD) 南京理工大學等國外情況： Zemax （光學設計軟件） TracePro（光學仿真軟件） ASAP（光學仿真軟件） LightTools（光學仿真軟件） CODEV (Optical Research Associates ) OSLO （ Lambda光學設計軟件）軟件比較 ZEMAX 是將實際光學系統的設計概念、優化、分析、公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學設計仿真軟件。OSLO 是處理光學系統的布局和優化的代表性光學設計軟件。CODE V是Op

2、tical Research Associates推出的大型光學設計軟件，功能非常強大，價格相當昂貴。TracePro 是能進行常規光學分析、設計照明系統、分析輻射度和亮度的軟件。ASAP：世界各地的光學工程師都公認ASAP（Advanced Systems Analysis Program，高級系統分析程序）為光學系統定量分析的業界標準。ASAP的分析功能包括照明分析、輻射度測量、偏振、光纖耦合效率、干涉測量、雜光分析（散射和鬼影分析）、成像質量及薄膜鍍膜性能分析。LightTools是一個全新的具有光學精度的交互式三維實體建模軟件體系,在系統初步設計、復雜系統設計規劃、光機一體設計、雜光分

3、析、照明系統設計分析、單位各部門間學術交流和數據交換、課題論證或產品推廣等各環節中均可發揮重要的作用，成為人們理想的工具。ZEMAX已經成為當今使用最普遍的光學設計軟件之一 市場占有率：8085% 全球已經銷售了兩萬多套 臺灣已經銷售600多套 大陸已經有300多套，知道和需要購買者越來越多市場應用 應用范圍：傳統相機、數碼相機、內窺鏡等光學鏡頭的設計DVD、VCD讀寫頭投影系統，背投電視照明系統干涉儀LEDLaser diode光通信器件設計等等Zemax使用群NASA美國太空總署,Sandia 國家實驗室, U.S.Army軍隊, HP, Motorola中國臺灣地區:電子所,中科院,大學

4、以及掃描儀,相機,望遠鏡,投影機等制造商.中國大陸：光學、光電研究所，大學，光學公司，光學加工廠，從事光學鏡頭、條形碼、投影儀、背投影電視、光通信器件、VCD及DVD讀寫頭等的設計的公司。ZEMAX概述ZEMAX簡介（I） Focus Software 公司產品光學鏡頭設計和光學系統分析軟件 版本有三個等級： ZEMAXSE(標準版) ZEMAXXE(完整版) ZEMAXEE(專業版) 每年有數次版本更新，可以到ZEMAX的網站或者訊技光電科技公司的網站上下載更新 .twZEMAX簡介（II） 界面友好，容易上手；資料豐富，既可以直接選擇，又可以自定義； 可建立反射、 折射、衍射及散射等光學模

5、型； 可進行偏振、鍍膜和溫度、氣壓等方面的分析 具有強大的像質評價和分析功能； 豐富的資料庫，有現成的鏡頭和玻璃、樣板數據，可供用戶選擇； 大部分窗口都提供在線幫助,方便隨時獲取相關功能的在線解釋和幫助；ZEMAX的主要特色(1)分析提供多功能的分析圖形，對話窗參數選擇，方便分析，可將分析圖形存成圖文件，如BMP、JPG等，也可存成文字文件txt(2)優化表欄式merit function參數輸入，對話窗預設merit function參數，方便使用者定義，且多種優化方式供使用者使用，諸如Local Optimization可以快速找到佳值，Global/Hammer Optimization

6、可找到最好的參數。(3)公差分析表欄式Tolerance參數輸入和對話窗式預設Tolerance參數，方便使用者定義。 (4)報表輸出多種圖形報表輸出，可將結果存成圖文件及文字文件。系統要求WIN98，NT，2000，XP200Mb 以上的硬盤空間 最小的分辨率為：1024*768 一個并行口或者USB接口用來接KEY 64Mb以上內存；如果進行對象非常復雜、物理光學或散射和照明分析時，最低要求是256MB，最好是512MbWhat is ZEMAX ZEMAX是一個光學設計軟件，它使用sequential和non-sequential的方法模擬refractive,reflective和di

7、ffractive光線追跡。ZEMAX用“surface”為sequential ray tracing建模；用“component”或solid object model為non-sequential ray tracing建模。 Purely sequential ： 傳統的鏡頭設計，和大多數成像系統;Hybrid sequential/ non-sequential(aka NSC with ports) 同時有sequential組件和non-sequential組件（如prism,pipe）的系統; 用“ports”為光線進入和離開NS group的出入口;Purely non-se

8、quential(aka NSC without ports) 用于illumination,scattering,stray light analysis; 不用“ports”。Ray Tracing的3種方式（I）（1）Purely Sequential：用于傳統的透鏡成像系統設計；以光學面（surface）為對象來構建光學系統模型；光線從物面開始（常為surface 0）按光學面的順序計算（surface 0,1,2），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Tolerancing；Sequenti

9、al system例子Ray Tracing的3種方式（II）（2）Hybrid sequential/non-sequential(aka NSC with ports)所有object都是3D shell or solids； 每個object都在一個空間坐標系中定義了其特性；光線從input port進入non-sequential group；從exit port 離開NS group；光線在NSC中一直追跡，直到它遇到下列情況才終止：NothingExit port能量低于定義的閾值。忽略NS group內的光源和探測器；進入NS group的光線的特性，由序列性的系統數據，如視場位

10、置和瞳的大小等決定。NSC with ports system例子Ray Tracing的3種方式（III）（3） Purely Non-sequential(aka NSC without port)所有object都是3D shell or solids；每個object都在一個空間坐標系中定義了其特性；需要定義光源的發光特性和位置，定義detector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，可同時進行穿透、反射、吸收及散射的特性計算；無法作優化及公差分析；這種情況下，可以對光線進行分光，散射

11、，衍射，反射，折射。NSC without ports system例子ZEMAX用戶界面ZEMAX用戶界面類型ZEMAX有4種主要類型的用戶界面：Editors:定義和編輯光學面和其他數據；Graphic windows：顯示圖形數據；Text windows：顯示文本數據；Dialog boxes：編輯和回顧其他窗口或系統的數據，或者報告錯誤信息等。ZEMAX Editors界面有很多種：Lens data editor: 基本的lens data，包括surface type, radius, thickness, glass,etc.Merit function editor:優化時，

12、定義和編輯merit function；Multi-Configuration editor：為變焦鏡頭和其它多重結構系統定義多重結構參數；Tolerance Data editor：定義和編輯公差數據；Extra Data editor:需要很多參數的surface data的擴展；Non-sequential component editor:定義和編輯NSC sources, objects, detectors。ZEMAX EditorsGraphic and Text 界面有些功能（如layout）只支持圖形，有些只支持文本（如Seidel像差系數），有的都支持（如fan plot）

13、；如果二者都支持，一般先給出圖形輸出，如果需要顯示text的內容，需要點一下菜單欄中的“Text”；Graphic and Text windows例子大部分圖形窗口都提供文本信息。Graphic and Text windows例子點Text菜單欄，可以看到圖形窗口中的文本信息。Graphics windows菜單功能Update：更新窗口中的數據；Setting：設置窗口的屬性；Print：打印窗口的內容；Windows：Annotate：往圖形上加lines,boxes,text；Copy clipboard:將內容拷貝到剪切板中；Export:將內容轉換為WMF，EMF，JPG，BMP

14、文件保存；Lock:鎖定窗口；Clone:Clone窗口；Aspect ratio:設置窗口的長寬比；Active cursor:對圖形窗口顯示鼠標所指位置的數據；Configuration:選擇要顯示哪個結構的數據；Overlay：不同圖形重疊顯示；Text windows菜單功能Text:產生圖形所對應的文本數據；Zoom:對圖形放大和縮小控制Update:更新窗口中的數據；Setting：設置窗口的屬性；Print：打印窗口的內容；Windows:Copy clipboard:將內容拷貝到剪切板中；Save: 保存ASCII TXT文件；Lock:鎖定窗口；Clone:Clone窗口；C

15、onfiguration:選擇要顯示哪個結構的數據；Dialog boxesZEMAX的大部分圖形和文本窗口都包含有設置對話框。數據輸出 輸出到到剪貼板，可以再到其它windows應用程序，如Excel等； 輸出到CAD程序：支持DXF，IGES，STEP，SAT格式。DXF：因為不是標準格式，對其支持比較差一些；只有在wireframe的設定中才支持。IGES，STEP，SAT：真正的標準；可以輸出3D solids；可以輸出為lines;在Tool菜單欄中。Session file的概念Session file ：在保存文件時，如果選擇Session file，則它包括lens file,

16、 所有圖形和文本窗口，editors,它們在屏幕上的大小和位置，及每個窗口的設置。此時，除了一個ZMX文件以外，還有一個SES文件。Lens DataLens data的組成Sequential lens data-Surface data:面的序號;每個面的相關結構數據;光學系統的孔徑;波長;視場。進行優化時,還需要：變量;優化函數。For NSC without port system,還需要：所有object的結構參數和位置參數;所有source和detector的特性參數和位置參數;波長。Surface data的組成The radius of curvature:面的曲率半徑，根據符

17、號規則確定符號；The thickness of the surface:到下個面的相對距離，滿足符號規則（用local坐標系）；The glass type of the surface:可以直接輸入玻璃的名稱，也可以輸入折射率和色散系數（如果是空氣，則為空格）；The semi-diameter of the surface(optional)：面的孔徑；Other data（parameter or extra data）:描述面形的參數。Surface data的符號規則鏡頭數據（Lens Data）：曲率半徑、厚度、材質和其他參數。各量符號規定：Thickness：從左到右距離為正，

18、否則為負。+Surface Type（1）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User Defined Surface。用戶只需要按照它的語法規定，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。The system aperture它是很重要的一個參數，決定入瞳的大小，它決定光學系統在物空間收集多少光線。System aperture typesEntrance Pupil Diameter(EPD):直接指

19、定入瞳的大?。籌mage Space F/#:無限共軛像空間近軸F數（f/D,只用于物距無窮遠）；Object Space Numerical Aperture：物空間邊緣光線的數值孔徑nsin（物在有限遠處,保持N.A.為常數）；Float by Size：EPD的大小由光欄的半徑決定；Paraxial working F/#:像空間中定義的共軛近軸1/2ntan，忽略像差；Object Cone Angle:物空間邊緣光線的半角，最大可以達到90度（物在有限遠）。Field pointsZEMAX常常用點光源定義視場或物的大小：定義了點光源以后，可以建立擴展光源的模型；對每個系統最多可以定

20、義12個視場點。ZEMAX支持4種不同視場形式：Field angle:投影到入瞳上XZ和YZ平面上時，主光線與Z軸的夾角。大多用在無限共軛系統。Object height:物面上X，Y高度。大多用在有限共軛系統。（注：如果物面為曲面，則X，Y坐標包含Z坐標）Paraxial Image height: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中）Real image height:像面上實際像高。用于需要固定frame size的設計中（如camera lenses）。Field points示例WavelengthsZEMAX對每個系統最多允許定義12個波長。并且

21、必須指定主波長，根據不同波長的重要性，權重可以不同。波長的單位為微米。Variable parameters在進行優化設計時，需要設置變量，ZEMAX會調整這些變量，以找到最佳設計結果。變量可以是任何量，包括radii, thicknesses, indices, V numbers, partial dispersions, conic constants, tilt angles, 甚至fields and wavelengths。Merit functions優化函數是用來定義優化控制目標項目。它包括設計目標，邊界條件和計算結果的總結。在優化過程中，用merit function的值來評

22、價一個系統的優劣。Merit function由optimization operands組成，ZEMAX提供了200多個這樣的操作數，涵蓋了各種目標控制條件。Tolerancing（公差分析）ZEMAX可以對光學面的參數和群組的參數進行公差分析。它提供了二種公差分析模式：(1)sensitivity（靈敏度）：給定結構參數的公差范圍，計算評價標準的影響，(2)inverse sensitivity （反向靈敏度） ：給出評價標準量的允許變化范圍，反算出結構參數的公差。結果報告可以給出各種數據的結果報告，可以是圖形、曲線或表格的形式：(1)surface data(2)system data(

23、3)prescription data(4)report graphic可以輸出零件圖、固體圖 或網格圖?？梢暂敵鯯AT/STEP/IGES 等文件格式。其他包含有很多公司的玻璃材料庫，可以進行鍍膜分析，可以編輯薄膜，可以進行熱分析，可以進行偏振光計算，可以進行物理光學分析和計算，可以進行樣板比對。SolvesWhat are solves?Solves 是ZEMAX中可以主動調整特定值的功能?？梢詾?curvatures（曲率）, thicknesses（厚度）,glasses（玻璃）, semi-diameters（口徑）, and parameters等參數指定solve。 Solves

24、的設置，只需要在希望放置solve功能的欄中點右鍵或雙擊左鍵就可以了。Analysis像質評價與分析像質評價與分析 ZEMAX提供了豐富的像質評價指標，評價小像差系統的波像差、圓內能量集中度；評價大像差系統的點列圖、彌散圓；MTF、PSF;幾何像差評價方法?？梢越o出Seidel和ZERNIKE像差系數可以進行擴展光源的分析像質評價結果表現形式多種多樣，既有各種直觀的圖形表示方法，也有詳細的數據報表。像質評價報告結果示例像質評價指標Fans(扇形圖，垂軸幾何像差等)Spot Diagram(幾何點列圖，彌散斑)MTF（調制傳遞函數）PSF（點擴展函數）Wavefront(波像差)能量分析Misc

25、ellaneous(雜項，幾何像差)像差系數擴展光源分析Optimization （最優化）Optimization概述 optimization是ZEMAX最重要的功能之一。 optimization是通過改變光學系統中的結構參數（變量）的值，提高系統的成像質量。 這些變量可以是 surface curvatures, element and air-space thicknesses, tilt angles, etc. 用Operands（操作數）定義Merit function，通過比較給定光學系統和滿足所有設計要求的系統的MF值，來評價系統的好壞。一般用迭代（iterative）的方

26、法, 為變量選定一個起始點和一種優化算法，迭代地改變變量的值，以找出最小的MF值。Damped Least Squares(DLS最小阻尼算法)DLS算法是所有光學設計軟件中的基本優化算法。假定Merit function定義為如下形式：式中W為操作數的權重的絕對值， V為當前值， T 是目標值，下標i是操作數的號碼 (row number in the spreadsheet).目標：找出x使MF的值最小。Constraints(約束)要約束某個量，可以有三種方法：Solves：可以精確地對一些近軸特性進行控制。如在鏡頭的最后一個面設置axial ray angle solve為0.1，則可

27、以使 fnumber保持常數 5；在 Merit function用操作數控制變量的范圍:在Merit function中增加operand，控制某個量的最大值或最小值。如厚度10;Constraint operands：控制Operand，使控制的量為定義的精確數值。Common constraintsLens 要有一定的size,cost,weightEdge和center thickness必須為正Minimum number of elements desired加工制造盡可能簡單盡可能用便宜的材料Default Merit functionsDefault Merit functio

28、ns支持20多個不同的Default Merit functions：Optimization type：RMS or Peak-To-ValleyData type: Wavefront, spot radius, spot x, spot y, or spot x plus spot yReference point：Reference to Centroid ，Chief Ray or MeanPupil integration method：Use Gaussian Quadrature or Rectangular Array上面的優化函數可以自由組合。Gaussian Quadra

29、ture：幾乎所有的情況下都用GQ，因為它比其它方法精確得多，而且用的光線的數目也很少；不能有漸暈系數。Rectangular Array：GQ的唯一缺點是不能用在帶孔的光學系統中，這時候只有用RA。RA算法的優點是能夠精確計算優化函數中的漸暈效應。Operands(操作數)ZEMAX提供了200多種操作數(用4個大寫字母縮寫組成)，如EFFL，可以控制包括系統參數、像差、MTF、圓內能量集中度、光線約束、邊界約束條件、玻璃材料的范圍等。TolerancingTolerancing概述一個好的設計是要求能夠實際制造出來的。設計好的光學系統需要進行公差分析才算真正完成。需要在制造誤差的范圍之內能

30、夠滿足要求；一個好的設計沒必要完全和設計要求一致，應該是能夠制造出來，并盡量滿足設計要求。公差分析是將各種擾動或像差引入到光學系統中去，看系統在實際制造各種誤差范圍內的效果。也就是在能滿足設計要求的情況下，系統中各個量允許的最大偏差是多少。誤差來源有很多方面需要考慮：Errors in fabrication(制造)Errors in materials（材料）Errors in assembly（裝配）Errors due to environment（外界環境）Residual design errors（殘余設計誤差）Fabrication Errors制造方面的誤差包括：曲率半徑有誤差

31、(radius of curvature)厚度有誤差(element thickness)面形誤差(surface shape)曲率中心與機械中心有偏差(center offset)二次項或其它非球面項系數誤差Material Errors材料誤差包括：折射率的精度誤差折射率均勻性誤差（homogeneity）折射率分布誤差(distribution)Abbe 數（dispersion）Assembly Errors裝配誤差包括（Element error）：元件對機械軸（X，Y）的偏差元件在Z軸上的位置有偏差元件的排列的偏差元件對光軸傾斜的偏差Environment Errors環境方面的包

32、括溫度，濕度，氣壓：光學和機械材料的熱脹冷縮濕度對折射率的影響壓強和濕度對折射率的影響系統受振動的影響機械方面的應力Design Error一般來說，光學系統都有剩余誤差（即MF0）。設計誤差一般因系統的視場而不同設計結果必須超過設計要求，這樣才能在公差的影響范圍內，制造出來的系統能夠滿足使用要求。Error Budget公差預算主要是考慮所有可能誤差因素對系統性能的影響?？梢宰屧O計者在一定的限制范圍內預估裝配后的鏡頭的性能。要建立公差預算，設計者必須：選擇合適的性能指標（MF）確定可接受的最小公差水平計算所有可能的公差影響，包括單個組件、多個組件和裝配等指定所有公差項的容限。即在設計、制造、

33、裝配和操作中，每一步引入的公差的最大值。對鏡頭進行公差分析的基本步驟1) 定義適當的公差。一般最好從default tolerance開始，可以在Tolerance Data Editor中定義和修改。2)修改default tolerances or add new ones，以適合系統要求3) 增加compensators，設置compensators允許的范圍。 缺省的為后節距，其它的還有image plane tilt。對compensators的數量沒有限制。4) 選擇合適的標準，有RMS spot radius, wavefront error, MTF, or boresight

34、 error等。用自定義merit function還可以定義更復雜的標準或全面的標準。5) 選擇希望的模式， sensitivity or inverse sensitivity。6) 進行公差分析。7) 查看公差分析數據，考慮公差預算，如需要，還可再次進行分析。Summary公差分析程序非常靈活，功能強大。在計算公差時，ZEMAX不用任何的近似、外推或估算。因此對常規系統和復雜系統都可以給出很好的結果。因為公差分析是個復雜的過程，所以ZEMAX也不敢保證完全正確，所以設計者有必要 對結果進行校驗。Multi-ConfigurationIntroduction什么是Multi-configu

35、rations系統？是用1重以上的結構建模的系統，通過多重結構給同一個參數不同的值。用途：（1）設計zoom lenses：元件的位置不同；（2）Athermalized lenses：溫度和壓強不同；（3）多光路系統：透鏡陣列、干涉儀、分光鏡等；（4）掃描系統：polygon scanner；（5）switchable component系統：非連續變焦系統。Multi-configurations的建立先用常規的方法建立一個光學系統 basic configuration 。最好先建立最復雜的結構。 選擇EditorsMulti-Configuration，出現MCE，再用MC操作數建立多

36、重結構。Multi-Configuration Editor在Edit中可以對config和operand的數目進行增減。要改變operand的類型，在type欄上雙擊，就會在Multi-config operands對話框中改變操作數的類型。Multi-configurations的優化（1）multi-configuration data的優化和普通的優化是一樣的。先用“Default Merit Function”建立優化函數，ZEMAX會自動在各個結構下面加入優化函數；在MCE中定義優化操作數為變量。（2）用CONF操作數定義；可以給不同的結構定義不同的優化函數，但不同結構的優化函數必

37、須分開放在CONF規定的結構號碼下面；放置的方式有二種,它們的功能是一樣的。練習一：Singlet目的：練習如何建立初始結構、設定視場和工作波長。題目：建立一個單透鏡，入瞳直徑為40mm，二個面的曲率半徑分別為50mm,-60mm，中心厚度為4mm視場0,7，10度波長：可見光玻璃材料：BK7練習二用Solve求解的方法，將前面設計的單透鏡的焦距控制為100mm，用Solve將像面移到焦點上。練習3. Double-pass system目的：學習和體會Pick up solve的功能。題目：光線通過一個透鏡，遇到一個反射鏡以后，反射回來，再次通過這個透鏡。具體要求為：物距100mm，光欄在反

38、射鏡上；透鏡厚度10mm，玻璃為BK7，NA0.1，二個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，一個視場點；光源波長為0.55m對spot radius進行優化；用pick up solve保持radii的一致。練習三. Double-pass systemStep 1：Lens data New打開Lens data editor在OBJ和IMA之間插入5個面。輸入radius, thickness, glass參數。注意Thickness符號的變化。Semi-Diameter的數據都為0。Step 2:Stop設置在surfac

39、e 3的standard面形處點右鍵或左鍵，彈出surface property對話框；將Make surface stop復選框選中，將光欄放在反射鏡上。Step 3:General 設置SystemGeneral(或Gen工具欄按鈕)，彈出General設置對話框；General 設置選擇Aperture項，將Aperture type設置為object space NA, Aperture value為0.1，并確定。這時，Lens data中的Semi-Diameter中會自動給出合適的數據，但OBJ一欄的Semi-Diameter仍然為0。Step 4:Field point設置SystemFields（或Fie工具欄按鈕),彈出Field data窗口。選擇Object Height為視場，在Y-Field中輸入10。Step 5:Wavelength設置System Wavelength （或Wav工具欄按鈕),彈出Wavelength data窗口。選擇OK，將光源波長設置為0.55m。Step