zemax培訓教程總教材.ppt

1、ZEMAX軟件培訓教程,steven:,steven:,國內外光學設計軟件情況,國內情況： 北京理工大學(SOD)，南京理工大學等自編光學設計軟件。 國外情況： Optical Research Associates: Code V Lambda: OSLO等。,ZEMAX已經成為當今使用最普遍的光學設計軟件, 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(tǒng)相機、數(shù)碼相機、內窺鏡等光學鏡頭的設計 DVD、VCD讀寫頭 投影系統(tǒng)，背投電視 照明系統(tǒng) 干涉儀 LED Laser diode 光通信

2、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 臺灣:電子所,中科院,大學以及掃描儀,相機,望遠鏡,投影機等制造商. 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(tǒng)分析軟件 版本有三個等級： ZEMAXSE(標準版) ZEMAXXE(完整版) ZEMAXEE(專業(yè)版) 每年有數(shù)次版本更新，可以到ZEMAX的網站或者訊

3、技光電科技公司的網站上下載更新 .tw,ZEMAX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(xiàn)成的鏡頭和玻璃、樣板數(shù)據(jù)，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；,系統(tǒng)要求,WIN98，NT，2000，XP 200Mb 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256M

4、B，最好是512Mb,What 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diffractive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(tǒng)的鏡頭設計，和大多數(shù)成像系統(tǒng); Hybrid sequential/ non-sequential(aka NSC with

5、 ports) 同時有sequential組件和non-sequential組件（如prism,pipe）的系統(tǒng); 用“ports”為光線進入和離開NS group的出入口; Purely non-sequential(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(tǒng)的透鏡成像系統(tǒng)設計； 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surface 0） 按光學面

6、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；,Sequential 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 por

7、t 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： Nothing Exit 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(tǒng)數(shù)據(jù)，如視場位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(fā)光特性和位置，定義de

8、tector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(yōu)化及公差分析； 這種情況下，可以對光線進行分光，散射，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(shù)據(jù)； Graphic windows：顯示圖形數(shù)據(jù)； Text windows：顯示文本數(shù)據(jù)； Dialog boxes：編輯和回顧其他窗

9、口或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，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(yōu)化時，定義和編輯merit function； Multi-Configuration editor：為變焦鏡頭和其它多重結構系統(tǒng)定義多重結構參數(shù)； Tolerance Data editor：定義和編輯公差數(shù)據(jù)； Extra Data editor:需要很多參數(shù)的surface data的擴展； Non-seque

10、ntial component editor:定義和編輯NSC sources, objects, detectors。,ZEMAX Editors,Graphic 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(shù)），有的都支持（如fan plot）； 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。,Gr

11、aphics windows菜單功能,Update：更新窗口中的數(shù)據(jù)； 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(shù)據(jù)； Configuration:選擇要顯示哪個結構的數(shù)據(jù)； Overlay：不同圖形重疊顯示；,Tex

12、t windows菜單功能,Text:產生圖形所對應的文本數(shù)據(jù)； Zoom:對圖形放大和縮小控制 Update:更新窗口中的數(shù)據(jù)； 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； Configuration:選擇要顯示哪個結構的數(shù)據(jù)；,steven:,Dialog boxes,ZEMAX的大部分圖形和文本窗口都包含有設置對話框。,數(shù)據(jù)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

13、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, 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 Data,Lens data的組成,Sequent

14、ial lens data-Surface data: 面的序號; 每個面的相關結構數(shù)據(jù); 光學系統(tǒng)的孔徑; 波長; 視場。 進行優(yōu)化時,還需要： 變量; 優(yōu)化函數(shù)。 For NSC without port system,還需要： 所有object的結構參數(shù)和位置參數(shù); 所有source和detector的特性參數(shù)和位置參數(shù); 波長。,Surface data的組成,The radius of curvature:面的曲率半徑，根據(jù)符號規(guī)則確定符號； The thickness of the surface:到下個面的相對距離，滿足符號規(guī)則（用local坐標系）； The glass typ

15、e 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(shù)（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(shù)。,Surface data的符號規(guī)則,鏡頭數(shù)據(jù)（Lens Data）：曲率半徑、厚度、材質和其他參數(shù)。各量符號規(guī)定： Thickness：從左到右距離為正，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

16、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(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。,The system aperture,它是很重要的一個參數(shù)，決定入瞳的大小，它決定光學系統(tǒng)在物空間收集多少光線。,System aperture types,Entrance Pupil Diameter(EPD):直接指定入瞳的大??； Image Space F/#:無限共軛像空間近軸F數(shù)（f/D,只用于物距無窮遠）； Object Space Num

17、erical Aperture：物空間邊緣光線的數(shù)值孔徑nsin（物在有限遠處,保持N.A.為常數(shù)）； 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 points,ZEMAX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(tǒng)最多可以定義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

18、Z軸的夾角。大多用在無限共軛系統(tǒng)。 Object height:物面上X，Y高度。大多用在有限共軛系統(tǒng)。（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(tǒng)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,Wavelengths,ZEMAX對每個系統(tǒng)最多允許定義12個波長。并且必須指定主波長，根據(jù)不同波長的重要性，權重可以不同。 波長的單位為微米。,Variable para

19、meters,在進行優(yōu)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(yōu)化函數(shù)是用來定義優(yōu)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(yōu)化過程中，用merit function的值來評價一個系統(tǒng)的優(yōu)劣。 Merit function由optimization opera

20、nds組成，ZEMAX提供了200多個這樣的操作數(shù)，涵蓋了各種目標控制條件。,Tolerancing,ZEMAX可以對光學面的參數(shù)和群組的參數(shù)進行公差分析。它提供了二種公差分析模式： (1)sensitivity：給定結構參數(shù)的公差范圍，計算評價標準的影響， (2)inverse sensitivity：給出評價標準量的允許變化范圍，反算出結構參數(shù)的公差。,結果報告,可以給出各種數(shù)據(jù)的結果報告，可以是圖形、曲線或表格的形式： (1)surface data (2)system data (3)prescription data (4)report graphic 可以輸出零件圖、固體圖 或網格

21、圖。 可以輸出SAT/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。,練習：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,Solves,What are solves?,Solves 是ZEMAX中可以主動調整特定值的功能?？梢詾?curvatures, thicknesse

22、s,glasses, semi-diameters, conics, and parameters等參數(shù)指定solve。 Solves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。 Solves的應用有很多： Maintaining F/#:用MRA或F/# curvature solve； Maintaining paraxial focus:用MRH； Maintaining edge thickness; Linking values together:pickup solve; Holding a distance between surfaces:positi

23、on solve。,Curvature solves,Marginal ray angle or F/#,Marginal ray angle m(r/f)決定F/#： F/#1/2NA=1/2nsin (m) 如果系統(tǒng)為slow（即F/#大，如F/10或更慢）時， F/#=1/2nsin (m)1/(2 n) MRA solve可以調整任何面（一般是最后一個glass-air面）的曲率半徑，在優(yōu)化時，保持F/#固定不變。 m （r/f，-號表示是會聚光，+號表示是發(fā)散光），可以控制透鏡的有效焦距f(EFL)；,Curvature solves,Chief ray angle:控制特定的放大率

24、或使出射光線保持準直（maintaining collimation）； Pick up:指定前面某個面，使當前面的曲率半徑和指定的面保持確定關系； Marginal ray normal：迫使光學面與近軸邊緣光線垂直，也叫image-centered surface。產生沒有球差或彗差的光學面； Chief ray normal: 迫使光學面與近軸主光線垂直，也叫pupil-centered surface。產生沒有彗差、像散或畸變的光學面； Alplanatic(齊明的): 迫使光學面對近軸邊緣光線齊明的（消球差）。產生沒有球差、彗差或像散的等光程光學面。,Curvature solves

25、,Element power:光學系統(tǒng)的光焦度（n/f）。使指定的光學元件的光焦度保持不變，可以控制有效焦距； Concentric with surface:控制面的曲率，使這個面的曲率中心落在前面某個面上； Concentric with radius:控制面的曲率，使此面的中心與指定的面（前面）的中心為同一點。 F/#(F number):控制面的曲率，使從這個面出射的邊緣光線角為 -1/2F（F即為D/f， D為入瞳直徑， f為有效焦距）?？梢钥刂葡到y(tǒng)的有效焦距。,Thickness solves,Thickness solves, Marginal ray height:定位像平面（

26、常用控制近軸邊緣光線在后一個面上的高度，使像面處在近軸焦點上）；還可以約束特定的光束； Chief ray height:定位pupil plane（近軸主光線高度）。可以將光學面移到瞳面上；（應用：1、它可以將參考面固定地處在pupil上，2、定位入、出瞳）； Edge thickness:控制二個面之間的距離，使其在半徑為某個值處為規(guī)定的值。可以避免邊緣厚度為負或邊緣太尖銳； Pick up：使這個面的thickness值隨指定的面按一定規(guī)律變化；（主要用于：double pass system, endoscopes,relay lens等包含多個相同元件的系統(tǒng)中），,Thickness

27、 solves,Optical path difference:調整thickness，使指定光瞳坐標處的光程差維持一個指定的值；例如：在焦點上，邊緣光線和主光線的光程差相等，可以在像面前面的一個面的厚度處設置OPD Solve。 Position:使這個面到指定參考面的距離（厚度的總和）保持為定值。在變焦鏡頭設計中，可以控制它的某一部分保持固定的長度。也可以約束整個透鏡的長度。 Compensator:與position非常類似,顯示的是所要控制的厚度與參考面厚度之差。表達式為：T=S-R。S為二個面的厚度之和，R為參考面的厚度。參考面必須在前面。 Center of Curvature:調

28、整thickness的值，使后面一個面處在前面某個面的曲率中心上。,Glass solves,Glass solves,Model: 用于玻璃的優(yōu)化。用三個參數(shù)：d光的折射率、Abbe數(shù)和部分色散項。只能用于可見光，可能得到不存在的玻璃；(不常用) Pick up：隨某個指定的面一起變化； Substitute：用于glass optimization，它更容易且可靠。在優(yōu)化時，用hummer優(yōu)化算法查到合適的玻璃。 Offset：允許在折射率或者Abbe數(shù)上增加一個小的偏移量。用于公差計算。,Semi-Diameter solves,Semi-Diameter solves,Automati

29、c：根據(jù)入瞳自動調整孔徑大小 Fixed：輸入為固定的值 Pick up Maximum：在multiple configuration中，計算所有結構中的半徑值，然后使用最大的一個值。,其它solves,Conic， Parameters也可以設置solve，但一般只有Fixed, Variable和Pick up三種類型。 Coord break的Parameters可以設置chief ray的求解類型。只用于coordinate break面的前4個參數(shù)。,Solve使用建議,Solve的計算是從第1個面到像面順序進行的，對參數(shù)計算的順序是：curvature, thickness, g

30、lass, semi-diameter, conic, parameter； 因為curvature和thickness的求解會影響入瞳的位置，所以不允許將依賴于光線追跡的求解放在光欄的前面（如marginal ray height）； Solve是高效的，在設計過程中盡可能用它來代替優(yōu)化變量控制一些參數(shù)。,練習,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。,Analysis,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(tǒng)的波像差、圓內能量集中度；評價大像差系統(tǒng)的點列圖、彌散圓；MTF、PSF;幾何像差評價方法。 可以

31、給出Seidel和ZERNIKE像差系數(shù) 可以進行擴展光源的分析 像質評價結果表現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)） PSF（點擴展函數(shù)） Wavefront(波像差) 能量分析 Miscellaneous(雜項，幾何像差) 像差系數(shù) 擴展光源分析,Layout, 2D,3D：系統(tǒng)的2維和3維圖。如果系統(tǒng)不是旋轉對稱的，則只能用3D layout； Wireframe：3維網格圖； Shaded Model,Solid Mo

32、del：3維固體圖。solid model plot 對一些自定義的apertures or obscurations不能正確畫出地surface; Zemax Element Drawing：用于車間加工的工程圖。可以是surface, singlet, doublet； ISO Element Drawing：按照ISO 10110標準?？梢允莝urface, singlet, doublet。 NSC Layout,Fan, Ray Aberration：子午和弧矢垂軸像差，它全面反映了細光束和寬光束的成像質量。它是光線在理想像面上的交點和主光線在理想像面上交點間的距離，可以看出理想像面

33、上像的最大彌散范圍。橫坐標是歸一化入瞳坐標。 Optical Path：實際光線和主光線的OPD之差(波像差)。OPD vs. 歸一化出瞳坐標曲線圖；只能對光欄后的面進行計算。 Pupil Aberration：光欄面上實際光線交點和軸上主波長近軸光線交點坐標之差與近軸光欄半徑之比。光欄面上入瞳畸變 vs. 歸一化入瞳坐標。可以指導是否要用ray aiming。,Spot Diagrams, Standard：顯示不同視場的Spot Diagram，給出GEO 和RMS spot size及Airy Disk； Through focus：離開焦平面不同距離的spot diagram?？梢怨罍y

34、像散，或者分析最佳焦點或者焦深； Full Field：所有視場的點列圖。可以確認二個很近的像點是否能夠被分辨； Matrix, Configuration Matrix：同時列出不同結構的所有視場的點列圖。,FFT MTF, FFT MTF:用FFT算法計算所有視場的衍射MTF(OPD10wave)。假定在出瞳上的光線分布是均勻的。截止頻率為1/(F/#)=1/2nsin；物的類型有：正弦波(real, imaginary, phase)和方波(square)響應。 FFT Through Focus MTF:在指定空間頻率下，F(xiàn)FT MTF vs. focus shift； FFT Sur

35、face MTF：顯示MTF數(shù)據(jù)的3D surface, contour, grey scale 或Color map； FFT MTF vs. Field:以圖的形式顯示FFT MTF vs. Field position； FFT MTF map:在一個矩形視場區(qū)域內，計算不同視場點的FFT MTF。,Huygens MTF, Huygens MTF：計算Huygens PSF的FFT。出瞳存在嚴重的拉伸時，在出瞳上的光線分布不均勻，比FFT MTF更普遍使用。 Huygens Through Focus MTF: vs. focus shift：在不同離焦距離下的Huygens MTF的

36、變化曲線； Huygens Surface MTF:用MTF的surface, grey scale, false color 或者contour plot顯示數(shù)據(jù)。,Geometric MTF, Geometric MFT：是衍射MTF的近似。當OPD比較大時（如10個波長），或者不接近衍射極限時，計算幾何MTF； Geometric Through Focus MFT：在指定的空間頻率下，離焦點不同距離處的MTF分布。 Geometric MFT vs. Field：MTF隨視場的分布曲線。 Geometric MTF Map:MTF vs. X，Y視場。X，Y坐標表示二個方向的視場，用偽

37、彩色表示MTF隨視場的分布情況,PSF, FFT PSF:用FFT的方法計算衍射的PSF。出瞳上波前復振幅的FFT，計算系統(tǒng)中單個點光源通過系統(tǒng)所成衍射像的強度，計算速度快。 FFT PSF Cross Section：FFT PST剖面圖； FFT Line/Edge Spread：FFT線/刀口擴散函數(shù)； Huygens PSF：根據(jù)Huygens原理，用Huygens子波直接積分的方法計算。認為波面上每個點是一個理想的點光源，即子波（wavelet）。唯一不足是計算速度慢。 Huygens PSF Cross Section： Huygens PST剖面圖,Wavefront, Wave

38、front Map:顯示波像差圖。 Interferogram（用于干涉系統(tǒng)分析中）：產生和顯示干涉圖； Foucault Analysis(傅科刀口分析)：產生和顯示Foucault刀口陰影圖。模擬焦點附近任何位置上x或者y方向的刀口，然后計算由刀口漸暈光束回到近場的陰影圖。,Surface, Surface Sag：在XY平面上均勻網格點上計算的，顯示z方向的sag值。 Surface Phase：顯示某個面對通過的光線的位相改變情況，單位為周期。,RMS,RMS vs. Field：RMS radial, x, and y spot radius, RMS wavefront error

39、, or Strehl ratio對視場角的變化曲線； RMS vs. Wavelength：RMS radial, x, and y spot radius, RMS wavefront error, or Strehl ratio對波長的變化曲線； RMS vs. Focus：RMS radial, x, and y spot radius, RMS wavefront error, or Strehl ratio對焦點位置變化的曲線。,Encircled energy, Diffraction:點物的像面上，某個半徑范圍內包含的能量占整個能量的百分比 vs. 到主光線或像的質心的距離；

40、Geometric:用光線-像面交點數(shù)目的方法計算園內能量； Line/Edge Response:計算線物或者邊緣物（半無限大平面）的像的光強分布圖的截面圖； Extended Source:用擴展光源分析。,Illumination, Relative Illumination：在均勻的Lambertian照明下，出瞳上相對照度 vs. radial y field 曲線； Vignetting Plot：漸暈光線比例 vs.視場角曲線; Illumination XY scan：擴展光源，沿像面截面照度的分布曲線; Illumination 2D surface：在一個二維面上計算擴展光

41、源的照度分布的像。,Image Analysis,Image Analysis實際上就是擴展光源成像分析。主要目的是顯示物通過光學系統(tǒng)后的直觀像。這個物可以是自定義，也可以是標準的24bit彩色BMP或JPEG文件，可以是任何形狀。 有三類image analysis: （1）Geometric using IMA file:適合看大視場的效果和大像差系統(tǒng)，如畸變； （2）Geometric using BMP file:同（1） （3）Diffraction using IMA file:適合看小視場和中等像差的系統(tǒng)效果，如外形邊緣的衍射模糊。,Image Analysis,Geometri

42、c Image Analysis:可以對擴展光源建模、分析分辨率、表示所成像的物的外貌及直觀地看到像的旋轉情況；用特殊的IMA or BIM文件。 Geometric bitmap Image Analysis:用RGB bitmap文件作光源，產生RGB彩色像。用幾何光線追跡； Diffraction Image Analysis：基于Fourier光學，用OTF計算擴展光源的像的外觀。OTF不變；這種方法考慮有限通帶和其它在像面上與衍射有關效應。 Extended Diffraction Image Analysis：用OTF計算擴展光源的像的外觀。 像面上不同視場上的OTF不同。,Mis

43、cellaneous, Field Curvature：不同視場的場曲曲線；當前焦平面到近軸焦面的距離，縱軸為歸一化視場，(S,T曲線之間的橫向距離就是象散) Distortion：不同視場的畸變曲線； Grid Distortion:網格畸變圖； Footprint Diagram：足跡圖分析。光線在不同面上的分布情況圖； Longitudinal Aberration：縱向像差，即球差?？v軸是歸一化入瞳坐標，橫軸是像面到光線與光軸交點之間的距離。僅用于旋轉對稱系統(tǒng)。 Lateral Color：橫向色差，即垂軸色差(或放大率色差) Vs. 視場。僅用于旋轉對稱系統(tǒng)。,Miscellaneo

44、us,Y-Ybar圖：每個面上邊緣光線高度 Vs.近軸斜入射主光線高度； Chromatic Focal Shift:彩色焦移曲線。后節(jié)距隨波長的變化曲線； Dispersion Diagram：玻璃色散曲線。折射率 vs.波長； Glass Map:根據(jù)折射率和Abbe數(shù)畫出的玻璃分布圖； Int. Transmission vs. Wavelength：不同厚度的玻璃透過率情況。,Aberration coefficients,Seidel Coefficients：顯示每個面的Seidel系數(shù)，包括總的,橫向的，縱向的和波像差的系數(shù)；只能適用于所有面都是standard surface的

45、系統(tǒng)； Zernike Fringe Coefficients：用條紋多項式表示的Zernike系數(shù)，共37項； Zernike Standard Coefficients：正交的Zernike coefficients，共28項； Zernike Annular Coefficients：正交的Zernike coefficients，共22項；,Calculations,Ray Trace:單根近軸和真實光線追跡時，光線在各個面上的交點坐標（光線的方向余弦、角的正切、近軸邊緣光線和主光線的夾角）； Fiber Coupling Efficiency:計算單模光纖耦合系統(tǒng)的耦合效率。 YNI

46、 Contributions:列出每個面的近軸YNI（Y：近軸像高；N：折射率，I：入射角）貢獻值；拉赫不變量。 Sag Table：列出所選面上，距頂點不同距離處的surface sag(z坐標)。給出最佳擬合球面的數(shù)據(jù)及偏差，在鏡頭制造時有用。只考慮y坐標，所以對非旋轉對稱系統(tǒng)會無意義。 Cardinal Points：基點。給出所選擇的面范圍內的子系統(tǒng)對所選波長的焦面、主（反主）平面、節(jié)（反節(jié)）平面。,Polarization,Polarization Ray Trace：顯示單根光線的偏振數(shù)據(jù)； Polarization pupil map：顯示瞳上偏振狀態(tài)的變化情況；不同面上偏振橢圓

47、 vs.瞳位置圖； Transmission:考慮偏振時，主光線在各個面上的透射率； Phase Aberration：計算偏振引起的光學系統(tǒng)的像差，主要是電介質折射和導體及電介質的反射引起的。指定視場和波長，像面上X和Y方向的偏振位相像差。 Transmission Fan：每個視場和波長上，透過率vs.瞳上弧矢或子午光瞳像差。可以確定瞳上透過率對視場和波長的變化情況。,Coatings, Reflection:反射光線，計算電場的S，P分量及其平均偏振強度系數(shù)對入射角及波長的關系曲線； Transmission:透射光線，計算電場的S，P分量及其平均偏振強度系數(shù)對入射角及波長的關系曲線；

48、Absorption:吸收光線，計算電場的S，P分量及其平均偏振強度系數(shù)對入射角及波長的關系曲線； Diattenuation: 反射R和透射T的二次衰減對入射角和波長的關系曲線； Phase: 反射或者透射光線的S和P偏振的位相對入射角和波長的關系曲線； Retardance:計算指定面的位相延遲。,Optimization,內容提要,Optimization概述 Damped least squares Constraints Default Merit functions Operands,Optimization概述,optimization是ZEMAX最重要的功能之一。 optimi

49、zation是通過改變光學系統(tǒng)中的結構參數(shù)（變量）的值，提高系統(tǒng)的成像質量。 這些變量可以是 surface curvatures, element and air-space thicknesses, tilt angles, etc. 用Operands定義Merit function，通過比較給定光學系統(tǒng)和滿足所有設計要求的系統(tǒng)的MF值，來評價系統(tǒng)的好壞。 一般用迭代（iterative）的方法, 為變量選定一個起始點和一種優(yōu)化算法，迭代地改變變量的值，以找出最小的MF值。,Local Optimization,這種近似與初始點的選擇有關 ：如果起始點選在Region A or Regi

50、on C, 則可以在x = a or x = c到達 local 最小值,而不是在x = b處的 global 最小值。,Local VS. Global Optimization,Local optimization：從給定的起始點，找到能夠達到的最佳設計；上圖中的a,b,c都是Local最佳設計值； Global optimization：在一個范圍內找到最佳設計。上圖中只有b是Global 最佳設計值。,Optimization過程,Damped Least Squares(DLS),DLS算法是所有光學設計軟件中的基本優(yōu)化算法。 假定Merit function定義為如下形式： 式中W

51、為操作數(shù)的權重的絕對值， V為當前值， T 是目標值，下標i是操作數(shù)的號碼 (row number in the spreadsheet). 目標：找出x使MF的值最小。,Constraints,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，則可以使 fnumber保持常數(shù) 5； 在 Merit function用操作數(shù)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

52、，使控制的量為定義的精確數(shù)值。,Common constraints,Lens 要有一定的size,cost,weight Edge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 functions,Default Merit functions,支持20多個不同的Default Merit functions： Optimization type：RMS or Peak-To-Valley Data type: Wavefront, spot radius,

53、spot x, spot y, or spot x plus spot y Reference point：Reference to Centroid ，Chief Ray or Mean Pupil integration method：Use Gaussian Quadrature or Rectangular Array 上面的優(yōu)化函數(shù)可以自由組合。 Gaussian Quadrature：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(shù)目也很少；不能有漸暈系數(shù)。 Rectangular Array：GQ的唯一缺點是不能用在帶孔的光學系統(tǒng)中，這時候只有用RA。RA算法

54、的優(yōu)點是能夠精確計算優(yōu)化函數(shù)中的漸暈效應。,Default Merit functions,Optimization type:系統(tǒng)缺省的優(yōu)化類型： 1）RMS（common use）； 2）PTV（rare use）：如，如果所有的光線需要落在Fiber或detector的一個園形區(qū)域內，這時 Peak-To-Valley (PTV)會更好。它使誤差的PTV的范圍最小。 Data type:系統(tǒng)給出的構建評價函數(shù)的數(shù)據(jù)類型： 1) Wavefront：波像差（像差小于2個波長的系統(tǒng)） 2) Spot Radius(彌散圓半徑)（像差大于2個波長的系統(tǒng)） 3）Spot X（x方向彌散圓的大?。?/p>

55、 4）Spot Y（y方向彌散圓的大?。?5）Spot X and Y（x和y方向彌散圓的大?。?Default Merit functions,Reference point：缺省優(yōu)化時RMS和PTV的參考點。 1）Centroid (質心)：常用。特別是數(shù)據(jù)類型為波像差時；當出現(xiàn)彗差時，用質心作參考點更有意義，因為彗差使像的質心偏移主光線。 2）Chief Ray(主波長的主光線)； 3）Mean(平均值)：只能用于數(shù)據(jù)類型是波像差的情況；,Rings and Arms,對光學設計，積分是在入瞳上的。 GQ 算法需要指定 “Rings”和“Arms”的數(shù)目。 “Rings”指定每個視場和波

56、長追跡多少光線；對旋轉對稱系統(tǒng)和非旋轉對稱系統(tǒng)，光線的數(shù)量不同。 “Arms”指定多少radial arms。指定在pupil中追跡的光線的radial arms 數(shù)目。 對大多數(shù)光學設計，3rings足夠了；對非球面用4個rings。 缺省值，追跡6個等間隔的(in angle) arms (對旋轉對稱系統(tǒng)追跡3個)。可以改為8,10,12。但對大多數(shù)的光學系統(tǒng)，6個足夠了。（因為pupil aberration對角度變化很慢）。,Rings and Arms,這里是缺省的3 rings ,6arms的pupil sampling。對LR對稱系統(tǒng)，只追跡一半的pupil，對園形對稱系統(tǒng)，只追

57、跡一個arm。,Grids,“Grid“只能用于RA 算法。其值決定所用的光線的數(shù)目?？梢允?4x4 (16 rays per field per wavelength), 6x6 (36 rays per field per wavelength)等； 如果光線跑到入瞳外面去了，則這個grid中的光線自動略去，所以用的光線的實際數(shù)目要比grid size中的少 ； 應用時，選擇大的grid density,然后選擇“Delete Vignetted”（merit function中的所有光線都會通過系統(tǒng)追跡）比較好。因為這樣光線可以充滿pupil,會刪除漸暈操作數(shù)。光線的數(shù)目可以精確反映系統(tǒng)

58、的孔徑。,Boundary value,Thickness Boundary value： 1）正透鏡邊緣厚度；2）負透鏡中心厚度；3）空氣間隔 Assume Axial Symmetry:可以減少追跡的光線數(shù)目，加速優(yōu)化過程，但不降低精度； Relative X Weight：另外增加一個像差的X分量權重，象光譜儀中，要用到狹縫像時，可以用這個進行控制； Overall Weight:一般設置為1。 Ignore Lateral Color：對不同的波長按不同的參考點計算。用于按波長來分光分色系統(tǒng)設計中，如棱鏡或者光譜儀等。,Weight,操作數(shù)的權重：絕大部分為正。 1）0，使MF最小。,

59、Default Merit functions的不足,如果field 、 wavelength values 、 weights改變了，則必須重新構建 default merit function. 如果用RA 算法，如果在優(yōu)化過程中漸暈有一點變化，也需要重新構建 default merit function.,Operands,ZEMAX提供了200多種操作數(shù)(用4個大寫字母縮寫組成)，如EFFL，可以控制包括系統(tǒng)參數(shù)、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。,Defining complex operands,ZEMAX缺省的MF不能滿足用戶需要時，用戶可以自己構建評價函數(shù)，有兩種方法： 對缺省的merit function進行重新定義； 用operands手動編輯merit function，,用 MTF操作數(shù)優(yōu)化MTF,MTF操作數(shù)能夠直接優(yōu)化MTF的值 ，這個功能很強。但使用時需要注意： 對不接近diffraction limit的系統(tǒng)（波像差大于25個波長）,用 geometric等效的 MTF operands： GMTT, GMTS和 GMTA. 如果sampling太低，則MTF的返回值為0。 初始系統(tǒng)為平行平板時，不能得到精確的MTF。 用MTF操作數(shù)時，int 1為采樣密度；int 2表示波