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ZEMAX光学软件培训课程

(第二讲)ZEMAX光学软件培训课程

(第二讲)主要内容序列模式介绍将序列转换为非序列建立非序列模型单透镜设计离轴抛物面设计ZPL设计语言及实例主要内容序列模式介绍一、序列模式介绍序列模式下光线追迹（raytracing）的特点：•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一、序列模式介绍序列模式下光线追迹（raytracing）适用于传统成像系统设计，包括摄影物镜、望远镜、显微镜、光谱仪等。一、序列模式介绍适用于传统成像系统设计，包括摄影物镜、望远镜、显微镜、光谱仪一、序列模式介绍序列模式下ZEMAX界面如图一、序列模式介绍序列模式下ZEMAX界面如图一、序列模式介绍序列模式下layout参数设置对话窗口以zemax自带镜头为例Samples>Sequential>Objectives>DoubleGauss28degreefield.zmx一、序列模式介绍序列模式下layout参数设置对话窗口以ze一、序列模式介绍Spotdiagram一、序列模式介绍Spotdiagram一、序列模式介绍参数设置中第一项“Pattern”定义光瞳面上的光线分布模式，默认为六角形（Hexapolar），还可以设置为方形或随机。一、序列模式介绍参数设置中第一项“Pattern”定义光瞳面一、序列模式介绍RayandOPDfan是分析光学系统几何像差常用的工具一、序列模式介绍RayandOPDfan是分析光学系统注意：通过移动鼠标位置可以看到不同位置处的数据值这在分析菜单栏都是普遍适用的一、序列模式介绍注意：一、序列模式介绍一、序列模式介绍MTF分析Samples>Sequential>Objectives>Cooke40degreefield.zmx一、序列模式介绍MTF分析Samples>SequenExtendedsourcemodeling几何像分析可用于建模扩展光源，分析要用的分辨率，显示成像物体的外形，提供像方位的直观感受。一、序列模式介绍Extendedsourcemodeling几何像分析可Off-axissystemsSamples>Sequential>Tiltedsystems&prisms>Tiltedmirror.zmx一、序列模式介绍Off-axissystemsSamples>SequSamples>Sequential>Telescopes>UnobscuredGregorian.zmxSamples>Sequential>Telesco二、将序列转换为非序列在对序列元件进行优化、分析、公差计算后，通常会将序列元件转换为非序列元件，进行进一步的光-机分析。例如杂散光分析。ZEMAX提供了一个方便的转换工具：Tool>Miscellaneous>ConverttoNSCGroup二、将序列转换为非序列在对序列元件进行优化、分析、公差计算后Samples/Sequentia/lObjectives/Cooke40degreefield.zmx目标：将1~6面转换成非序列元件；在原像面位置加入一个非序列的探测器；加入一个非序列的光源表示物空间的轴上光束Samples/Sequentia/lObjectives/STOP只在序列追迹中起作用，首先，将STOP移出我们需要转换的元件STOP只在序列追迹中起作用，首先，将STOP移出我们需要转在对话窗口中选择我们希望转换的表面，现在为2~7面得到包含非序列元件的混合模式在对话窗口中选择我们希望转换的表面，现在为2~7面得到包含非继续另一个例子，将光学系统转换成完全的非序列模式点选YES键继续另一个例子，将光学系统转换成完全的非序列模式点选YES键转换成完全的非序列模式后，将不再出现LDE窗口，而是非序列元件编辑窗口（Non-sequentialComponentEditor）打开3DLayout，如右图转换成完全的非序列模式后，将不再出现LDE窗口，而是非序列元第二步，插入一个非序列光源双击ObjectType，在出现的对话框中，Type一栏中选择SourceEllipse点击OK第二步，插入一个非序列光源进一步设置该表面的参数Zposition=-10(平行光入射，位置在第一片镜左侧即可)#LayoutRays=10#AnalysisRays=100000XHalfWidth=5YhalfWidth=5更新3DLayout进一步设置该表面的参数Zposition=-10(平第三步，加入探测器部件Zposition=60.177XhalfWidth=0.01YhalfWidth=0.01#XPixels=100#YPixels=100重复上一步的过程设置如下参数第三步，加入探测器部件Zposition=60.177打开Analysis>Detector>DetectorViewer打开Analysis>Detector>RayTrace/DetectorControl此时，输出为空白窗口，需要进行一次光线追迹点击Cleardetector清除当前的数据之后点击Trace，ZEMAX将追迹我们设置的100000条光线打开Analysis>Detector>DetectorV在DetectorViewer中的setting里确认如下设置，得到探测器上的辐照度分布在DetectorViewer中的setting里确认如下将其和序列模式下的轴上SpotDiagram图进行对比，可看出序列模式和非序列模式几何光线追迹的差别，我们发现两者形式相同。将其和序列模式下的轴上SpotDiagram图进行对比，可再来对比一下序列模式和非序列模式下的衍射计算Source#AnalysisRays:3000(reducedtospeedupthedetectortrace)DetectorDataType:1PSFWave#:2将光源及探测器参数做如下修改将DetectorViewer设置为coherentirradiance.再来对比一下序列模式和非序列模式下的衍射计算Source将光Zemax软件设计教程课件三、建立非序列模型•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,要进行公差分析必须实用macro；这种情况下，可以对光线进行分光，散射，衍射，反射，折射。三、建立非序列模型•所有object都是3Dshello在这一部分，我们将学会用非序列模式建立如下的光学系统包含：filamentsourceparabolicreflectorplano-convexlensrectangularlightpipe在这一部分，我们将学会用非序列模式建立如下的光学系统包含：我们还将进行光线追迹分析光学系统不同位置处的光照度分布我们还将进行光线追迹分析光学系统不同位置处的光照度分布打开ZEMAX，选择非序列模式在System>Wavelengths中设置波长为0.587µm打开ZEMAX，选择非序列模式在System>GeneralUnit选项卡中进行如下设置在System>GeneralUnit选项卡中进行如下设在编辑窗口插入若干表面将第一个表面设置为抛物面反射镜点选StandardSurface并输入以下参数Material:MirrorRadius:100Conic:-1(parabola)MaxAper:150MinAper:20(centerholeinthereflector)在编辑窗口插入若干表面Material:Mirror打开Analysis>Layout>NSC3DLayout打开Analysis>Layout>NSC3DLayo进一步创建光源，重复上一步中的操作选择SourceFilamentZposition:50(focusoftheparabolicreflector)#LayoutRays20#AnalysisRays5000000Length:20Radius5Turns10输入如下参数：进一步创建光源，重复上一步中的操作选择SourceFila更新3Dlayout更新3Dlayout此时的光源方向为Z向，我们希望设置它为X向，需将其进行旋转此时的光源方向为Z向，我们希望设置它为X向，需将其进行旋转Zemax软件设计教程课件下一步，创建探测器，重复之前的步骤Zposition:800Material:BlankXHalfWidth:150YHalfWidth:150#XPixels:150#YPixels:150Color:1下一步，创建探测器，重复之前的步骤Zposition:8打开Analysis>Detectors>DetectorViewer注意！layout和detectorviewer进行的是独立的计算只有进行追迹后才能显示打开Analysis>Detectors>DetectZemax软件设计教程课件

在NSCShadedModelLayout中设置栏中点选“Colorpixelsbylastanalysis”在NSCShadedModelLayout中设置栏加入平凸透镜，在编辑窗口做如下修改RefObject:3ZPosition:10Material:N-BK7Radius1:300Clear1:150Edge1:150Thickness:70Clear2:150Edge2:150加入平凸透镜，在编辑窗口做如下修改RefObject:3RefObject:4Zposition:650Material:BlankXHalfWidth:100YHalfWidth:100#XPixels:150#YPixels:150Color:1为了观察光束会聚情况，我们再加入一个探测器。RefObject:4为了观察光束会聚情况，我们再加入一打开新建立的DetectorViewer为了说明反射引起的能量损失在DetectorControl中点选UsePolarization打开新建立的DetectorViewer最后，建立一个RectangularLightpipeRefObject:-1Zposition:20Material:AcrylicX1HalfWidth70Y1HalfWidth:70Zlength:2000X2HalfWidth:70Y2HalfWidth:70在Detector#5之后插入一栏将其设置为RectangularVolume并输入如下参数

点击YES最后，建立一个RectangularLightpipeReRefObject:-1Zposition:0Material:AbsorbXHalfWidth:100YHalfWidth:100#XPixels:150#YPixels:150Color:1插入一个新的探测器RefObject:-1插入一个新的探测器可以看出当前detector#7被设置在了RectangularLightpipe的前表面我们希望detector#7在RectangularLightpipe的右侧10mm位置处，此时我们需要用到pickup

solve可以看出当前detector#7被设置在了RectanguZemax软件设计教程课件对整个光学系统进行光线追迹，得到最终的detector#7上的辐照度分布对整个光学系统进行光线追迹，得到最终的detector#7四、单透镜设计这一部分将通过设计一个F/4单透镜，熟悉ZEMAX操作界面，了解设计基本原理和策略，并将展示如何使用基础的分析和优化功能，设计的一些参数指标如下。FocalLength=100mmSemi-Field-Of-View(SFOV)=5degreesWavelength:632.8nm(HeNe)CenterThickness(c.t.)ofthesinglet:2mm<c.t.<12mmEdgeThickness(e.t.)ofthesinglet:e.t.>2mmThesingletshallbeoptimizedforsmallestRMSSpotSizeaveragedoverthefieldofviewatthegivenwavelengthObjectisatinfinity四、单透镜设计这一部分将通过设计一个F/4单透镜，熟悉ZEM输入入瞳直径输入ZEMAX支持4种不同视场形式：Fieldangle:XZ和YZ平面上主光线与Z轴的夹角。Objectheight:物面上X，Y高度。ParaxialImageheight:像面上的近轴像高。Realimageheight:像面上实际像高。输入视场ZEMAX支持4种不同视场形式：输入视场输入波长输入波长输入镜片数据输入镜片数据ZEMAX提供了很多非常有用的Solve解，在本例中为了满足F/#条件，我们可以使用FNumbersolve。在想要加入Solve的位置点击鼠标右键，本例中在Surface2Radius列ZEMAX提供了很多非常有用的Solve解，在本例中为了满足对系统进行评估Layout 显示二维视图，YZ截面中的透镜外形曲线Rayfan 显示关于光瞳坐标函数的光线像差。OPDFan 显示光程差为光瞳坐标的函数SpotDiagram显示点列图对系统进行评估Layout 显示二维视图，YZ截面中的透镜Zemax软件设计教程课件从以上几幅图可以看出单透镜包含有一些显著的像差包含spherical,coma,distortion,defocus,fieldcurvature,astigmatism.从以上几幅图可以看出单透镜包含有一些显著的像差包含spher此时的像面并非是最佳像面，我们可以用ZEMAX提供的QuickFocus工具找到最佳焦面位置Tools>Miscellaneous>QuickFocusOrShift+Ctrl+Q此时的像面并非是最佳像面，我们可以用ZEMAX提供的Quic有明显的改善，但还有很大的提升空间。有明显的改善，但还有很大的提升空间。采用点击鼠标右键和Ctrl+Z两种方法将前表面曲率和两个间距设置为变量建立优化函数，先使用ZEMAX提供的默认优化函数采用点击鼠标右键和Ctrl+Z两种方法建立优化函数，先使用在弹出的对话框中根据系统指标要求输入透镜边界条件在弹出的对话框中根据系统指标要求输入透镜边界条件选择Tools>Optimization>Optimization或点击OPT按钮点击Automatic选择Tools>Optimization>Optim评价当前的系统评价当前的系统通过优化，光斑直径下降了接近10倍！并且注意此时外形参数均满足要求通过优化，光斑直径下降了接近10倍！并且注意此时外形参数均满五、离轴抛物面设计在这一部分，我们将建立一个商业上使用的离轴抛物面反射镜，并练习将其绕X轴旋转。反射镜的参数如下：Off-axisdistance=150mmFocallength=1000mmComponentphysicaldiameter=203mmBacksurfaceofthesubstrateisperpendiculartotheopticalaxis五、离轴抛物面设计在这一部分，我们将建立一个商业上使用的离轴Systemunittomm(System>General>Units)Wavelengthto0.550um(System>Wavelengths)SetonefieldwithvaluesX=0andY=0(System>Fields)SetsystemapertureasEntrancePupilDiameterof100mm(System>General>Aperture)首先，对系统参数进行如下设置在LDE界面输入一下参数，并将像面semi-diameter设置为30mm，此时在其右侧出现’’U’’标志Systemunittomm(System>GeZEMAX中z-coordinate或者’’Sag’’的定义如下wherecisthecurvature(thereciprocaloftheradius),ristheradialcoordinateinlensunitsandkistheconicconstant.Theconicconstantislessthan-1forhyperbolas,-1forparabolas,between-1and0forellipses,0forspheres,andgreaterthan0foroblateellipsoids.这里我们将k输入-1ZEMAX中z-coordinate或者’’Sag’’的因为第一面和像面位置相同，我们可以设置不显示第一面设置反射镜的厚度及后表面曲率，根据要求输入因为第一面和像面位置相同，我们可以设置