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zemax培训教程
zemax培训教程
2010/10/21
ZE软件培训教程
国内外光学设计软件情况
※国内情况:
北京理工大学SOD,南京理工大学等自编光学设计软件。
※国外情况:
OpticalResearchAssociates:
CodeVLambda:
OSLO等。
12010/10/21
ZE已经成为当今使用最普遍的光学
设计软件
※市场占有率:
80~85%
※全球已经销售了两万多套
※台湾已经销售600多套
※大陆已经有300多套,知道和需要购买者越来越多市场应用
※应用范围:
传统相机、数码相机、内窥
镜等光学镜头的设计DVD、VCD读写头投影系统,背投电视照明系统干涉仪
LEDLaserdiode光通信器件设计等等…
22010/10/21
Ze使用群
※NASA美国太空总署,Sandia国家实验室,//.y军队,HP,Motorola…
※台湾:
电子所,中科院,大学…以及扫描仪,相机,望远镜,投影机等制造商.
※大陆:
光学、光电研究所,大学,光学公司,光学加工厂,从事光学镜头、条形码、投影仪、背投影电视、光通信器件、VCD及DVD读写头等的设计的公司。
ZE概述
32010/10/21
ZE简介(I)FocusSoftware公司产品?
?
光学镜头设计和光学系统分
析软件
版本有三个等级:
*ZE?
SE标准版
*ZE?
XE完整版
*ZE?
EE专业版
?
每年有数次版本更新,可以到ZE的网站或者讯技光电科技公司的网站上下载更新
//0>..tw
ZE简介(II)
?
界面友好,容易上手;资料丰富,既可以直接选择,又可以自定义;
?
可建立反射、折射、衍射及散射等光学模型;
?
可进行偏振、镀膜和温度、气压等方面的分析具有强大的像质评价和分析功能;丰富的资料库,有现成的镜头和玻璃、样板数据,可供用
户选择;大部分窗口都提供在线帮助,方便随时获取相关功能的在线
解释和帮助;
42010/10/21
系统要求WIN98,NT,2000,XP200Mb以上的硬盘空间最小的分辨率为:
1024*768一个并行口或者USB接口用来接KEY64Mb以上内存;如果进行对象非常复杂、物理光学
或散射和照明分析时,最低要求是256MB,最好是
512Mb
WhatisZEZE是一个光学设计软件,它使用sequential和non-
sequential的方法模拟refractive,reflective和diffractive光线追迹。
ZE用“surface‖为sequentialraytracing建模;用
“component‖或solidobjectmodel为non-sequentialray
tracing建模。
Purelysequential:
?
传统的镜头设计,和大多数成像系统;Hybridsequential/non-sequentialakaNSCwithports
?
同时有sequential组件和non-sequential组件(如prism,pipe)
的系统;
?
用“ports‖为光线进入和离开NSgroup的出入口;Purelynon-sequentialakaNSCwithoutports用于illumination,scattering,stray
lightanalysis;不用“ports‖。
52010/10/21
RayTracing的3种方式(I)
(1)PurelySequential:
用于传统的透镜成像系统设计;?
以光学面(surface)为对象来构建光学系统模型;?
光线从物面开始(常为surface0)?
按光学面的顺序计算(surface0,1,2…),对每个光学面只计算一次;
?
每个面都有物空间和像空间;
?
需要计算的光线少,计算速度快;
?
可进行analysis,Optimization及Tolerancing;Sequentialsystem例子
62010/10/21
RayTracing的3种方式(II)
(2)Hybridsequential/non-sequentialakaNSCwithports
?
所有object都是3Dshellorsolids;?
每个object都在一个空间坐标系中定义了其特性;?
光线从inputport进入non-sequentialgroup;从exitport离开NSgroup;
?
光线在NSC中一直追迹,直到它遇到下列情况才终止:
?
Nothing
?
Exitport
?
能量低于定义的阈值。
?
忽略NSgroup内的光源和探测器;
?
进入NSgroup的光线的特性,由序列性的系统数据,如视场位置和瞳的大小等决定。
NSCwithportssystem例子
72010/10/21
RayTracing的3种方式(III)
(3)PurelyNon-sequentialakaNSCwithoutport
?
所有object都是3Dshellorsolids;?
每个object都在一个空间坐标系中定义了其特性;?
需要定义光源的发光特性和位置,定义detector收集光线;
?
光线一直追迹,直到它遇到下列情况才终止:
?
Nothing,
?
能量低于定义的阈值。
?
计算时光学元件的相对位置由空间坐标确定;对同一元件,可同时进行穿透、反射、吸收及散射的特性计算;?
无法作优化及公差分析;
这种情况下,可以对光线进行分光,散射,衍射,反射,折射。
NSCwithoutportssystem例子
82010/10/21
ZE用户界面
ZE用户界面类型
ZE有4种主要类型的用户界面:
Editors:
定义和编辑光学面和其他数据;Graphicwindows:
显示图形数据;Textwindows:
显示文本数据;Dialogboxes:
编辑和回顾其他窗口或系统的数据,或者
报告错误信息等。
92010/10/21
ZEEditors界面
有很多种:
Lensdataeditor:
基本的lensdata,包括surfacetype,
radius,thickness,glass,etcMeritfunctioneditor:
优化时,定义和编辑meritfunction;Multi-Configurationeditor:
为变焦镜头和其它多重结构系
统定义多重结构参数;ToleranceDataeditor:
定义和编辑公差数据;ExtraDataeditor:
需要很多参数的surfacedata的扩展;Non-sequentialcomponent
editor:
定义和编辑NSC
sources,objects,detectors。
ZEEditors
102010/10/21
GraphicandText界面有些功能(如layout)只支持图形,有些只支持文本
(如Seidel像差系数),有的都支持(如fanplot);如果二者都支持,一般先给出图形输出,如果需要显
示text的内容,需要点一下菜单栏中的“Text‖;
GraphicandTextwindows例子
大部分图形窗口都提供文本信息。
112010/10/21
GraphicandTextwindows例子
点Text菜单栏,可以看到图形窗口中的文本信息。
Graphicswindows菜单功能
Update:
更新窗口中的数据;
Setting:
设置窗口的属性;
Print:
打印窗口的内容;
Windows:
Annotate:
往图形上加lines,boxes,text;Copyclipboard:
将内容拷贝到剪切板中;Export:
将内容转换为WMF,EMF,JPG,BMP文件保
存;Lock:
锁定窗口;Clone:
Clone窗口;Aspectratio:
设置窗口的长宽比;Activecursor:
对图形窗口显示鼠标所指位置的数据;Configuration:
选择要显示哪个结构的数据;Overlay:
不同图形重叠显示;
122010/10/21
Textwindows菜单功能
Text:
产生图形所对应的文本数据;
Zoom:
对图形放大和缩小控制
Update:
更新窗口中的数据;
Setting:
设置窗口的属性;
Print:
打印窗口的内容;
Windows:
Copyclipboard:
将内容拷贝到剪切板中;Save:
保存ASCIITXT文件;Lock:
锁定窗口;Clone:
Clone窗口;Configuration:
选择要显示哪个结构
的数据;
Dialogboxes
ZE的大部分图形和文本窗口都包含有设置对话框。
132010/10/21
数据输出
输出到到剪贴板,可以再到其它windows应用程序,如
Excel等;
输出到CAD程序:
支持DXF,IGES,STEP,SAT格式。
DXF:
因为不是标准格式,对其支持比较差一些;只有在wireframe的设定中才支持。
IGES,STEP,SAT:
真正的标准;可以输出3Dsolids;可以输出为lines;在Tool菜单栏中。
Sessionfile的概念Sessionfile:
在保存文件时,如果选择Sessionfile,
则它包括lensfile,所有图形和文本窗口,editors,它们
在屏幕上的大小和位置,及每个窗口的设置。
此时,除
了一个ZMX文件以外,还有一个SES文件。
142010/10/21
LensData
Lensdata的组成
Sequentiallensdata-Surfacedata:
面的序号;每个面的相关结构数据;光学系统的孔径;波长;视场。
进行优化时,还需要:
变量;优化函数。
ForNSCwithoutportsystem,还需要:
所有object的结构参数和位置参数;
所有source和detector的特性参数和位置参数;波长。
152010/10/21
Surfacedata的组成Theradiusofcurvature:
面的曲率半径,根据符号规则确定符号;Thethicknessofthesurface:
到下个面的相对距离,满足符号规则(用local坐标系);Theglasstypeofthesurface:
可以直
接输入玻璃的
名称,也可以输入折射率和色散系数(如果是空气,
则为空格);Thesemi-diameterofthesurfaceoptional:
面的孔径;Otherdata(parameterorextradata):
描述面形的参数。
Surfacedata的符号规则镜头数据(LensData):
曲率半径、厚度、材质和其他参数。
各量符号规定:
+?
+
+
?
?
Thickness:
从左到右距离为正,否则为负。
162010/10/21
SurfaceType
(1)提供了近60种的光学曲面面形。
主要类型有:
平面、
球面、标准二次曲面、非球面、光锥面、轮胎面、折射率
渐变面、二元光学面、光栅固定周期和变周期、全息衍射元件、Fresnel透镜、波带片等。
(2)还提供了UserDefinedSurface。
用户只需要按照它的语法规定,用C++语言编写DLL文件与ZE相连接就可以建立自己需要的面形。
Thesystemaperture它是很重要的一个参数,决定入瞳的大小,它决定光
学系统在物空间收集多少光线。
172010/10/21
Systemaperturetypes?
EntrancePupilDiameterEPD:
直接指定入瞳的大小;?
ImageSpaceF/#:
无限共轭像空间近轴F数(f/D,只用于物距无穷远);
?
ObjectSpaceNumericalAperture:
物空间边缘光线的数值孔径nsinθ(物在有限远处,保持N.A.为常数);?
FloatbySize:
EPD的大小由光栏的半径决定;?
ParaxialworkingF/#:
像空间中定义的共轭近轴1/2ntan?
忽略像差;
?
ObjectConeAngle:
物空间边缘光线的半角,最大可以达到90度(物在有限远)。
Fieldpoints
ZE常常用点光源定义视场或物的大小:
定义了点光源以后,可以建立扩展光
源的模型;对每个系统最多可以定义12个视场点。
ZE支持4种不同视场形式:
Fieldangle:
投影到入瞳上XZ和YZ平面上时,主光线与Z
轴的夹角。
大多用在无限共轭系统。
Objectheight:
物面上X,Y高度。
大多用在有限共轭系统。
(注:
如果物面为曲面,则X,Y坐标包含Z坐标)ParaxialImageheight:
像面上的近轴像高。
用于需要固
定像的大小的设计中。
(只用于近轴光学系统中)Realimageheight:
像面上实际像高。
用于需要固定
framesize的设计中(如cameralenses)。
182010/10/21
Fieldpoints示例
WavelengthsZE对每个系统最多允许定义12个波长。
并且必须
指定主波长,根据不同波长的重要性,权重可以不同。
波长的单位为微米。
192010/10/21
Variableparameters在进行优化设计时,需要设置变量,ZE
会调整这些变量,以找到最佳设计结果。
变量可以是任何量,包括radii,thicknesses,
indices,Vnumbers,partialdispersions,
conicconstants,tiltangles,甚至fieldsand
wavelengths。
Meritfunctions优化函数是用来定义优化控制目标项目。
它包括设
计目标,边界条件和计算结果的总结。
在优化过程中,用meritfunction的
值来评价一个系
统的优劣。
Meritfunction由optimizationoperands组成,ZE提供了200多个这样的操作数,涵盖了各种
目标控制条件。
202010/10/21
TolerancingZE可以对光学面的参数和群组的参数进行公差分析。
它提供了二种公差分析模式:
1sensitivity:
给定结构参数的公差范
围,计算评
价标准的影响,2inversesensitivity:
给出评价标准量的允许变化范围,反算出结构参数的公差。
结果报告可以给出各种数据的结果
报告,可以是图形、曲线
或表格的形式:
1surfacedata
2systemdata
3prescriptiondata
4reportgraphic可以输出零件图、固体图
或网格图。
可以输出
SAT/STEP/IGES
等文件格式。
212010/10/21
其他包含有很多公司的玻璃材料库,可以进行镀膜分析,可以编辑薄膜,可以
进行热分析,可以进行偏振光计算,可以进行物理光学分析和计算,可以进行样板比对。
练习:
Singlet目的:
练习如何建立初始结构、设定视场和工作
波长。
题目:
建立一个单透镜,入瞳直径为40mm,二个面的
曲率半径分别为50mm,-60mm,中心厚度为4mm视场0,7,10度波长:
可见光玻璃材料:
BK7
222010/10/21
Solves
WhataresolvesSolves是ZE中可以主动调整特定值的功能。
可以
为curvatures,thicknesses,glasses,semi-diameters,
conics,andparameters等参数指定solve。
Solves的设置,只需要在希望放置solve功能的栏中点
右键或双击左键就可以了。
Solves的应用有很多:
MaintainingF/#:
用MRA或F/#curvaturesolve;Maintainingparaxialfocus:
用MRH;Maintainingedge
thickness;Linkingvaluestogether:
pickupsolve;Holdingadistance
betweensurfaces:
positionsolve。
232010/10/21
Curvaturesolves
MarginalrayangleorF/#Marginalrayangleθmr/f决定F/#:
F/#=1/2NA1/2nsinθm
如果系统为slow(即F/#大,如F/10或更慢)时,
F/#1/2nsinθm=1/2nθ
MRAsolve可以调整任何面(一般是最后一个glass-air面)
的曲率半径,在优化时,保持F/#固定不变。
θm(r/f,-
号表示是会聚光,+号表示是发散光),可以控制透镜的
有效焦距fEFL;
242010/10/21
CurvaturesolvesChiefrayangle:
控制特定的放大率或使出射光线保持准直
(maintainingcollimation);Pickup:
指定前面某个面,使当前面的曲率半径和指定的面保
持确定关系;Marginalraynormal:
迫使光学面与近轴边缘光线垂直,也
叫image-centeredsurface。
产生没有球差或彗差的光学面;Chiefraynormal:
迫使光学面与近轴主光线垂直,也叫
pupil-centeredsurface。
产生没有彗差、像散或畸变的光学
面;Alplanatic齐明的:
迫使光学面对近轴边缘光线齐明的(消
球差)。
产生没有球差、彗差或像散的等光程光学面。
CurvaturesolvesElementpower:
光学系统的光焦度(n/f)。
使指定的
光学元件的光焦度保持不变,可以控制有效焦距;Concentricwithsurface:
控制面的曲率,使这个面的曲
率中心落在前面某个面上;Concentricwithradius:
控制面的曲率,使此面的中心
与指定的面(前面)的中心为同一点。
F/#Fnumber:
控制面的曲率,使从这个面出射的边缘
光线角为-1/2F(F即为D/f,D为入瞳直径,f为有
效焦距)。
可以控制系统的有效焦距。
252010/10/21
这个是上一个ppt的备注1。
光焦度是表示光学系统会聚本领或者发散本领
的数值
表示。
大于0,则表示对光束起会聚作用,小于0表示对光
束起发散作用。
2。
Concentricwithsurface:
控制面的曲率,使这个面的中心在前面一个指定的面上,那个指定的面必须在这个面的
前面。
.3。
Concentricwithradius:
控制面的曲率,使此面的中心与指定的面的中心为同一点。
指定的面也必须在此面的前
面。
4。
F/#Fnumber:
控制面的曲率,使从这个面出射的边缘光线角为-1/2F,而F为近轴的F/#。
(即为D/f,D为入瞳
直径,f为有效焦距)。
如果要使系统的有效焦距保持为
所需要的数值,就可以用这个设置。
Thicknesssolves
262010/10/21
ThicknesssolvesMarginalrayheight:
定位像平面(常用控制近轴边缘光
线
在后一个面上的高度,使像面处在近轴焦点上);还可
以约束特定的光束;Chiefrayheight:
定位pupilplane(近轴主光线高度)。
可以将光学面移到瞳面上;(应用:
1、它可以将参考面
固定地处在pupil上,2、定位入、出瞳);Edgethickness:
控制二个面之间
的距离,使其在半径为
某个值处为规定的值。
可以避免边缘厚度为负或边缘太
尖锐;Pickup:
使这个面的thickness值随指定的面按一定规律
变化;(主要用于:
doublepasssystem,
endoscopes,relaylens等包含多个相同元件的系统中),上个ppt的备注
(1)Marginalrayheight:
这是最通常的一个设置(它是控制边缘光线在下一
个面的的高度)。
在像面前的最后一个面的thickness设置为“Marginalray
height‖,可以约束光学系统,使它的像平面在近轴焦点上。
因为在近轴像面
上(旋转对称系统),边缘光线的高度为0。
PupilZone:
用光线的归一化瞳坐标进行定义。
为0时表示用的是近轴光线,
为(-1,+1)的非0值时表示用的是真实的边缘光线,它表示的是入瞳坐标在
y方向的归一化值Py。
这个可以约束特定的光束,如0.7带光束,使其在轴上的横向像差
(transverseaberration)为0。
(2)Chiefrayheight:
与边缘光线类似,它用的是近轴主光线高度。
这个在
瞳面上定位一个面时很有用。
3Edgethickness:
动态调节二个面之间的空间,使指定径向孔径处二个面
之间的距离为指定的值。
这个可以避免边缘厚度为负或者出现sharp边缘。
如果radialaperture设置
为0,则用的是当前的半径。
(4)Pickup:
pickup厚度为:
TO+STT是用来pickup那个面的thickness,S为放大率(Scalefactor),O是偏移
量。
272010/10/21
ThicknesssolvesOpticalpathdifference:
调整thickness,使指定光瞳坐标处
的光程差维持一个指定的值;例如:
在焦点上,边缘光线和
主光线的光程差相等,可以在像面前面的一个面的厚度处设
置OPDSolve。
Position:
使这个面到指定参考面的距离(厚度的总和)保持
为定值。
在变焦镜头设计中,可以控制它的某一部分保持固
定的长度。
也可以约束整个透镜的长度。
Compensator:
与position非常类似,显示的是所要控制的厚度
与参考面厚度之差。
表达式为:
TS-R。
S为二个面的厚度之
和,R为参考面的厚度。
参考面必须在前面。
CenterofCurvature:
调整thickness的值,使后面一个面处在
前面某个面的曲率中心上。
上个ppt的备注1。
Opticalpathdifference:
主动调整thickness,使指定瞳
坐标(pupilcoordinate)处的光程差维持一个指定的值。
OPD的值是以primarywavelength来计算。
例如:
为了保持焦点位置,边缘光线和主光线的光程差相
等,可以在像面前面的最后一个面的厚度处定义为OPD
Solve。
将OPD
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