ZEMAX光学设计超级学习手册第1章.docx
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ZEMAX光学设计超级学习手册第1章
第1章ZEMAX入门
ZEMAX是一款使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。
ZEMAX有3种版本:
ZEMAX-SE(标准版)、ZEMAX-XE(扩展版)、ZEMAX-EE(工程版),其中ZEMAX-EE的功能最为全面。
ZEMAX的界面设计得比较简洁方便,稍加练习就能很快地进行交互设计使用。
ZEMAX的大部分功能通过都能选择弹出或下拉式菜单来实现,键盘快捷键可以用来引导或略过菜单,直接运行。
本章将要讲述ZEMAX中的有关约定的解释,界面功能的习惯用法,以及一些常用窗口操作的快捷键。
一旦学会了在整个软件中通用的、简单的习惯用法,ZEMAX用起来就很容易了。
学习目标:
(1)了解界面主窗口菜单的各项功能。
(2)熟练运用快捷工具栏。
(3)熟练掌握大量光学行业中约定的解释,如优化、公差分析等。
(4)熟练掌握各对话窗口的操作,如镜头数据、波长数据等。
1.1ZEMAX的启动与退出
安装ZEMAX软件后,系统自动在桌面上产生了ZEMAX快捷图标。
同时,“开始”菜单中也自动添加了ZEMAX命令。
下面讲解ZEMAX的启动与退出。
1.ZEMAX安装成功后,需要启动ZEMAX,才能使用该软件进行设计工作。
ZEMAX的启动有4种方式。
(1)选择“开始”菜单命令启动。
选择“开始→ZEMAX”命令,启动ZEMAX,如图1-1所示。
(2)选择桌面快捷方式图标。
安装完成,系统会在桌面上自动创建ZEMAX的快捷方式图标,双击图标便可启动ZEMAX,如图1-2所示;右键单击快捷方式图标后单击“打开”也可以启动,如图1-3所示。
如果桌面上没有快捷方式图标,可以从“开始”菜单中找到相应的程序命令发送到桌面快捷方式,如图1-4所示。
图1-1“开始”菜单命令启动图1-2桌面快捷方式图标
图1-3右击快捷方式启动图1-4发送桌面快捷方式
(3)选择快速方式启动。
单击任务栏快速方式图标
也可以启动ZEMAX。
如果在任务栏没有快速方式图标,可以在桌面上找到ZEMAX图标,把图标拖动到快速启动区。
(4)双击ZEMAX文件启动。
在安装目录文件里,双击带有“.exe”后缀格式的ZEMAX文件也可以启动ZEMAX,如图1-5所示。
图1-5带exe后缀格式的文件1-6单击“关闭”按钮退出
2.设计编辑任务完成后,用户退出ZEMAX方式。
(1)单击ZEMAX界面右上角的“关闭”按钮
,退出ZEMAX。
若用户只是要退出当前的ZEMAX文件,单击当前ZEMAX文件的右上角的“关闭”按钮
,如图1-6所示。
(2)从“文件菜单”(File)退出。
选择“文件菜单”,在弹出的下拉菜单中选择“Exit”选项,如图1-7所示。
图1-7“文件菜单”退出
(3)用键盘退出。
按“Ctrl+Q”组合键,退出ZEMAX。
注意:
如果有尚未保存的文件,则弹出“是否保存”对话框,提示保存文件。
单击“是”按钮保存文件,单击“否”按钮不保存文件退出,单击“取消”按钮则取消退出操作。
1.2用户界面
启动ZEMAX后将进入ZEMAX默认的工作界面。
ZEMAX的基本界面比较简单,包括一系列菜单和工具按钮,以及一个透镜数据编辑界面,如图1-8所示。
图1-8基本界面图
1.2.1窗口类型
ZEMAX软件有许多不同类型的窗口,每种窗口各有不同的用途,主要包括:
(1)主窗口:
此窗口包含一块很大的空面积,其上方有工作区、标题栏、菜单栏、工具栏等。
菜单栏中的命令一般来说可作用于当前光学系统的整体。
(2)编辑窗口:
ZEMAX软件中有5个不同的编辑器,分别是镜头数据编辑器、评价函数编辑器、多重结构编辑器、公差数据编辑器和附加数据编辑器。
(3)图形窗口:
这些窗口是用来显示图形数据、图表等,如轮廓图、像差曲线图、MFT曲线图等。
(4)文本窗口:
文本窗口是用来显示文本数据,如光学性能参数、像差系数及数值等。
(5)对话框:
对话框是一个弹出窗口,其大小无法改变。
对话框是用来改变选项或数据,如视场角、波长、孔径、表面类型。
对话框还可用在图形窗口和文本窗口中,以改变选项。
图1-9所示为视场对话框。
图1-9视场对话框图
所有的窗口都可用鼠标或键盘命令来移动或改变大小(对话框除外)。
1.2.2主窗口介绍
主窗口的菜单栏如图1-10所示。
图1-10主窗口菜单
各菜单在后续章节中有详细的介绍,想了解各菜单中特殊功能的详细使用方法,请看后续章节中的专门介绍。
(1)文件菜单(File):
用于文件的打开、关闭、保存、重命名。
(2)编辑菜单(Editors):
用于打开或关闭编辑器。
(3)系统菜单(System):
用于确定整个光学系统的属性。
(4)分析菜单(Analysis):
不能改变镜头数据,只是从给定的镜头数据中计算出结果,用数字或图形表示。
这些结果包括轮廓图、像差曲线图、点列图、衍射计算,等等。
(5)工具菜单(Tools):
可以改变镜头数据或对整个系统进行复杂的计算。
这些包括优化计算、公差、套样板、执行宏语言程序,等等。
(6)报告菜单(Reports):
用文本方式记录镜头设计结果,这些特性包括系统数据汇总和各个表面数据汇总。
(7)宏指令菜单(Macros):
用于编辑和运行目录文件。
(8)扩展命令菜单(Extensions):
提供扩展命令功能,这是ZEMAX的编辑特性。
(9)窗口菜单(Window):
从当前所有打开的窗口中选择哪一个置于显示的最前面。
(10)帮助菜单(Help):
提供在线帮助文本。
大多数常用菜单选项可用键盘快捷方式执行。
例如,按“Ctrl+Q”组合键将退出ZEMAX。
快捷键的缩略字母列在相应的菜单选项边上。
在主窗口中,各窗口之间相互转换的快捷键是“Ctrl+Tab”,可使ZEMAX的主窗口自动向前切换。
在主窗口中菜单栏下还显示了一排快捷按钮,如图1-11所示。
图1-11快捷按钮栏
这一排按钮称为工具条,工具条可用来快速选择常用的一些操作命令,所有这些按钮的功能在菜单中都能找到。
在“Environment”窗口中可找到用3个字母表示的所有按钮名称。
它使用对应于对话框详细标题的3个方便记忆字母。
如果屏幕分辨率低,就不会显示出所有的按钮。
推荐使用1024×768或更高的屏幕分辨率。
1.2.3文件菜单
文件菜单(File)如图1-12所示,包含以下几个子菜单项。
图1-12文件菜单
(1)新建(New):
清除当前的镜头数据。
此选项使ZEMAX恢复到起始状态,当前打开的窗口仍然打开,如果当前的镜头未保存,在退出前ZEMAX将警告要保存镜头数据。
(2)打开(Open):
打开一个已存在的镜头文件。
此选项打开一个新的镜头文件,当前打开的窗口仍然打开,如果当前的镜头未保存,在退出前ZEMAX将警告要保存镜头数据。
(3)保存(Save):
保存镜头文件。
此选项用于保存镜头文件,当将文件保存为另一名称或保存在另一路径下时,用“另存为”选项。
(4)另存为(SaveAs):
将镜头保存为另一名称。
此选项将文件保存为另一名称或保存在另一路径下。
(5)使用场景文件(UseSessionFiles):
选择使用Session文件。
(6)序列或者混合模式(SequentialorMixedSequential/NonSequentialMode):
选择序列或序列跟非序列混合设计模式。
(7)非序列模式(NonSequentialMode):
选择ZEMAX非系列设计模式。
(8)插入透镜(InsertLens):
在编辑器中插入透镜。
(9)属性(Preferences):
软件特性。
图1-13编辑菜单
(10)退出(Exit):
退出ZEMAX。
如果镜头已被更改,ZEMAX会提醒保存镜头;否则,将终止程序。
1.2.4编辑菜单
编辑菜单(Editors)如图1-13所示。
1.镜头数据(LensData)。
镜头数据编辑器是一个主要的电子表格,将镜头的主要数据填入就形成了镜头数据。
这些数据包括系统中每一个面的曲率半径、厚度、玻璃材料。
单透镜由两个面组成(前面和后面),物平面和像平面各需要一个面,这些数据可以直接输入到电子表格中。
当镜头数据编辑器显示时,可以将光标移至需要改动的地方并将所需的数值由键盘输入到电子表格中。
每一列代表具有不同特性的数据,每一行表示一个光学面,如图1-14所示。
图1-14透镜数据编辑窗口
光标可以移动到需要的任意行或列,向左或右连续移动光标会使屏幕滚动,这时屏幕显示其他列的数据,如半径、二次曲线系数,以及与所在面的面型有关的参数。
屏幕显示可以从左到右或者从右到左滚动。
“PageUP”和“PageDown”键可以移动光标到所在列的头部或尾部。
当镜头面数足够大时,屏幕显示也可以根据需要上下滚动。
(1)插入/删除面数据(Insert/DeleteSurfaces),如图1-15所示。
图1-15插入或删除面数据菜单
在初始状态(除非镜头已给定)通常显示3个面:
物面、光阑面、像面,物面与像面是永有的,不能删除,其他面可以用“Insert”或“Delete”键插入或删除(如图1-15所示)。
物平面前和像平面后不能插入任何面,这里的“前面”表示一个序号较小的面;而“后面”表示一个序号大的面。
光线顺序地通过各个表面,ZEMAX中的面序号是从物面,即第0面,到最后一个面(即像面)排列的。
若想在电子表格中输入数据,移动光标到正确的方格,然后从键盘输入,可以用“BackSpace”键编辑修改当前的数据,一旦要编辑方格中的内容,可以用左方向键、右方向键、“Home”、“End”键浏览整个文件。
当数据已改好时,按任意方向键或单击屏幕的任意位置或,按“Enter”键可结束当前编辑。
在数据编辑器中还有一些快捷方法:
若要增加当前的值,在数字前写一个加号,例如,如果显示的数据是10,输入“+5”,按“Enter”键,数字会变为15。
符号“*”和“/”也同样有效。
要减少数字,可用负号和一个空格,如输入“5”,可以将17变为12。
注意这里“”和“5”之间必须有一个空格;如果不输入一个空格,程序会认为输入的是一个负的新数值。
输入“*、1”可以改变数值的正负号。
(2)输入面注释(EnteringSurfaceComments),如图1-16所示。
每个面都有一个注释栏,通过它可以输入最大到32个用户文本字符,这些注释能增强镜头特性的可读性,且不影响光线追迹。
在某些分析功能中也会显示这些面的注释,整个注释内容都可以被隐藏。
如图1-16所示。
(3)输入半径数据(EnteringRadiusData),如图1-17所示。
图1-16输入面注释栏图1-17输入半径数据栏
为输入或改变一个面的曲率半径,移动光标到所要的方格中,将新的数据输入,半径数据通常用透镜的计量单位输入和显示,这些计量单位是表示长度的。
(4)输入厚度数据(EnteringThicknessData)。
移动光标到所要的方格中,将新的数据输入,厚度数据通常用透镜的计量单位输入和显示。
面厚度表示一个面到另一个面的距离,像平面的厚度是唯一不被使用的数据。
通常在一个反射镜后改变厚度符号,奇数次反射后,所有的厚度都是负的,这种符号规定与反射镜的序号和当前的坐标转折无关,这种基本规定不能通过将坐标旋转180°来代替。
(5)输入玻璃数据(EnteringGlassData)。
每个面所用的玻璃材料是通过将玻璃名输入镜头数据编辑器的“Glass”中来确定的,玻璃名字必须是当前已被装载的玻璃库中的玻璃名称之一,默认的玻璃目录是“Schott”,其他目录也是可选用的。
图1-18输入玻璃数据栏
如要把某一个表面定为反射面,这一面的玻璃应命名为“Mirror”。
当输入新玻璃时,可在玻璃名称上添加“/P”选择项,如图1-18所示。
这个选项可以使ZEMAX通过改变前后面的曲率半径,来维持该面前后顶点间的光焦度保持不变。
例如,如果玻璃已选择为BK7,输入一个新玻璃“SF1/P”将使玻璃变为SF1,同时调整前后面半径使光焦度保持不变。
ZEMAX能使顶点间的光焦度保持不变,但是由于玻璃的光学厚度的改变,整个光焦度将会有微小的改变,这种影响对薄透镜是很小的。
(6)输入半口径数据(EnteringSemi-Diameter),如图1-19所示。
图1-19输入半口径数据栏
图1-20二次曲面数据输入栏
半口径的默认值是由通过追迹各个视场的所有光线,沿径向所需的通光半径自动计算获得的。
如果半口径值已给定,那么这个给定的数据旁将有一个“U”,这说明此半口径是用户定义的,这个半口径只影响外形图中各面的绘图,不反映面的渐晕。
如图1-19所示。
(7)输入二次曲面数据(EnteringConicData),如图1-20所示。
许多不同的曲面面型中都允许有二次曲面数据。
输入或改变一个面的二次曲面系数时,移动光标到所需的方格,键入新数值即可。
二次曲面系数不是长度度量,参见面型关于二次曲面的定义。
(8)确定光阑面(DefiningtheStopSurface)。
光阑面可以是系统中除去物面和像面的任意一面。
要改变光阑面,可双击将成为光阑面的这一行最左边的一列(即有数字的一列),打开“Surface1Properties”(面型1)对话框,选择“MakeSurfaceStop”选项,对话框消失,这个面显示“STO”,而不是面序数(如图1-21所示)。
确定光阑面时保证如下前提是很重要的:
使入射光瞳与物面同轴,假定此系统有坐标转折、偏心、全息、光栅以及其他能改变光轴的组件,应将光阑放在这些面之前。
图1-21改变光阑面对话框
如果系统是关于光轴旋转对称的,那么这种限制就不需要了,只有使用了使光轴产生偏心或倾斜的面的系统,才要求将光阑放在这些面之前。
如果坐标发生转折,对只是由反射镜组成的另一种共轴系统,即使光阑面放在这些反射镜后,光瞳位置也可以正确地计算出来。
在某些系统中是不可能将孔径光阑放在坐标转折前的,因此必须对光线进行定位。
(9)选择面型(SelectingSurfaceType)。
ZEMAX中的面有平面、球面、二次曲面,所有这些面型都是在标准面型的基础上组合而成的。
双击镜头数据编辑器最左一列,显示面型数据对话框,对话框里有一行是面型,从下拉菜单中选择适当的面型(如图1-22所示)。
ZEMAX提供了包括标准型的多种面型,许多光学设计只使用标准面型。
(10)各面通光口径的确定(SpecifyingSurfaceAperture)。
各面的通光口径用来考虑渐晕的影响。
ZEMAX中有11种通光口径类型:
无口径、环形口径、环形挡光、长方形口径、长方形挡光、椭圆口径、椭圆挡光、星形挡光、用户自定义口径、用户自定义挡光和浮动口径。
口径和挡光是用通过和阻拦光线的面积来分别定义的,当通光口径被定义在一个面时,ZEMAX将在面序号前显示“*”,或在数据编辑器中说明。
可以在需要的位置插入一个厚度为0的虚拟面,然后在此面上设定附加口径,从而在某一个光学元件中设定一个以上的口径,这对结构复杂的口径是很有用的。
多重口径或挡光也可以由用户自定义其特性而同时放在一个单独的面上,可以在面数据对话框中为每个面设置通光口径。
双击镜头数据编辑器最左边一列可产生面数据对话框,当口径类型为“无口径”(默认值)时,所有反射和折射的光线都允许通过该面。
图1-22选择面型对话框
通过一个面的光线完全与镜头数据编辑器中的半口径值无关,这些设置的半口径数据只在绘制镜片元件图时起作用,不决定渐晕。
为把口径变成默认值或改变当前口径的类型,可以在面数据对话框种选择其他的口径类型,如图1-23所示。
图1-23选择通光口径对话框
下面分别讲述各个口径类型。
①环形口径/挡光:
环形口径是由环形面积定义的,到达该面时小于最小半径和大于最大半径的光线被拦掉。
最小与最大半径之间的光线允许通过。
环形挡光与环形口径互补。
②长方形口径/挡光:
如光线与该面的交点在由长方形的半宽度x,y决定的长方形面积以外,光线被阻止通过该面。
长方形挡光与长方形口径互补。
③椭圆口径/挡光:
如光线与该面的交点在由椭圆的半宽度x,y决定的椭圆面积以外,光线被阻止通过该面。
椭圆挡光与椭圆口径互补。
④星形:
星形是由每臂的宽度和臂数定义的。
ZEMAX中假定取相同臂长,相同转角分布。
第一个臂取沿x轴正向角度为零的位置。
具有不同臂长和不同转角分布的复杂星形可以用相邻的多个虚拟面上的几个星形构成,坐标转折面可以将星形旋转至任何想要的角度。
⑤用户自定义口径/挡光:
参见下一节中的详述。
⑥浮动口径:
除了最小半径一直为0外,它与环形口径是相似的。
最大半径与该面的半口径相同,由于半口径值可以用ZEMAX调整(在自动模式下),因而口径值随半口径值浮动。
当宏指令或外部程序追迹默认半口径以外的光线时,浮动口径是很有用的,它可以将这些光线拦掉。
上述的所有口径都是由顶点的子午面向光学面投影模拟的,实际光线与表面交点的坐标x、y用来决定渐晕,z坐标被忽略。
如果口径被放在当作光学面前面的虚构面而不是直接放在曲面上,那么对陡峭的光学面来说,会有不同的计算结果。
只有在入射角很陡时这种情况才会发生,除非虚构面能更精确地代表你的现状。
通常最好将口径直接放在光学面上,用输入X偏离量或Y偏离量或X、Y偏离量的方法,所有类型的口径都可以偏离当前光轴,这种偏离量以透镜计量单位给定。
记住偏离不会改变主光线,光阑必须与物体同轴。
例如,设计一个离轴望远镜,可以将光阑放在光轴和离轴系统中。
⑦用户自定义口径和挡光(Userdefinedaperturesandobscurations)。
通常可以方便地使用环形、长方形、椭圆口径和挡光,它们包括了大多数情况。
但是,有时候需要一个更广义的口径。
ZEMAX允许用户用一系列有序数对(x1,y1)、(x2,y2)、(xn,yn),来定义口径,这些点是多边形的顶点。
多边形可以是任何形状,且可以用简单或复杂的方式封闭。
复合多边形可以定义成嵌套或独立,建立用户自定义口径或挡光,从口径类型列表中选择需要的类型(口径或挡光)。
然后单击“EditUserAperture”,将会出现一个允许编辑和滚动定义多边形的点的列表框,这是一个简单的文本编辑器。
该面的x和y的坐标可以直接输入,用一组x和y都设置为0的数据行表示多边形的端点,因而多边形不能用顶点为(0,0)的点定义。
若一个顶点必须定义为(0,0),那么将用一个非常小的值代替其中的一个。
例如(1e6,0),只要至少有一个坐标不为0,那么这个点就被认为是顶点而不是表示多边形的端点。
最后列出的顶点被认为与第一个点相连。
例如定义一个边长为20单位的矩形。
这些点为:
10,10
10,10
10,10
10,10
0,0
注意,最后一个点与第一个点是被假定相联的。
因而定义了矩形的最后一条边,复合多边形用坐标为(0,0)的行将其分开。
例如,由两个狭缝组成的口径,每个狭缝的宽度是5个单位,狭缝之间相隔10个单位,这些点为:
10,10
10,10
5,10
5,10
0,0
10,10
10,10
5,10
5,10
0,0
复合多边形也可以被嵌套。
若一条光线的交点落在一个多边形中,而这个多边形又位于另一个多边形里面,那么这个点被认为是在口径外。
允许在一个口径中定义一个岛形(Islands),使其变为挡光;反之亦然。
允许有多层嵌套,每层都产生点的在内和在外的状态,允许用户自定义口径中的点的最大数目为100。
(11)到达表面和从表面射出的光线的隐藏(HideRaystoandfromSurface)。
图1-24所示面对话框中有一个“hiding”选项,可把到达表面和从表面射出的光线隐藏起来。
若此选项被选中,在输出的各种外形图中被选中的面上将不绘制到达或从面上射出的光线。
图1-24到达表面和从表面射出光线选项对话框
(12)设置和撤销求解(SettingandRemovingSolves)。
大多数数据列(如半径和厚度)会有一种或多种求解的方法。
在一个方格中设定解,在该位置处双击鼠标左键、单击鼠标右键或者在镜头数据编辑器中选择菜单都可实现上述功能,如图1-25所示。
图1-25厚度求解对话框
(13)LDE窗口的菜单选项(MenuOptions)。
镜头数据编辑器中的菜单选项用来插入和删除面数据,选择面型,以及设置解和变量,如图1-26所示。
图1-26镜头数据编辑器
(14)编辑(Edit):
编辑菜单中提供以下选项,如图1-27所示。
图1-27编辑菜单
面型(SurfaceType):
这个选项可以改变面型。
插入面(InsertSurface):
在电子表格的当前行中插入新面,快捷键是“Insert”。
后插入(InsertAfter):
在电子表格的当前行后中插入新面,快捷键是“Ctrl-Insert”。
删除面(DeleteSurface):
删除电子表格的当前行。
快捷键是“Delete”。
剪切面(CutSurface):
将单面或多个面数据复制到Windows剪切板上,然后删除这些面。
说明:
单面或多面必须用以下的任一种方式选中。
①用鼠标:
单击所要选中的第一面,按住左键拖动鼠标将所选的面覆盖。
被选中的面会用当前显示色的反色显示,若只选一个面,从所要的面处上下拖动鼠标至两行被选中,然后将鼠标拖回到所要的行。
②用键盘:
将光标移至所要面的任意方格,按住“Shift”键,上下移动光标直到所需的面被选中,被选中的面用当前显示色的反色显示。
若只选一个面,从所要的面处上下移动光标至两行被选中,然后将光标移回到所要的行。
复制面(CopySurface):
将单面或多个面数据复制到Windows剪切板上,选中单面或多面,参见“CutSurface”中的介绍。
粘贴面(PasteSurface):
从Windows剪切板上复制单面或多个面数据到镜头数据编辑器中当前光标的位置。
面数据必须先用上面讲的“CutSurface”或“CopySurface”复制到Windows剪切板上。
复制方格(CopyCell):
复制单个方格数据到Windows剪切板上。
粘贴方格(PasteCell):
将Windows剪切板上的单个方格复制到当前方格。
数据必须先用“CopyCell”将其复制到Windows剪切板上。
复制电子表格(CopySpreadsheet):
用适合于粘贴到另外的Windows应用程序的文本格式将高亮显示的面或整个表格(如果没有面被选中)复制到Windows剪切板上。
(15)求解(Solves):
解和变量可以设置在镜头数据编辑器中的许多数据上,如图1-28所示。
图1-28求解菜单选项
半径(Radius):
设置曲率半径求解。
厚度(Thickness):
设置厚度求解。
玻璃(Glass):
设置玻璃求解。
半口径(Semi-Diameter):
设置半口径求解。
二次曲线(Conic):
设置二次曲线系数求解。
参数(Parameter):
设置参数列的求解。
变量附加标识(VariableToggle):
把当前所选方格的状态变为可变。
此操作的快捷键是“Ctrl+Z”。
(16)视图(View)。
显示注释(Show
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