《光学设计教程》-第3章

3.1概述Zemax光学自动设计软件于1991年由美国的KenMoore博士开发问世。二十余年来，研发人员对软件不断开发和完善，每年都对软件进行多次更新，赋予Zemax光学设计产品更为强大的功能。从2014年版本开始，Zemax公司将用于成像和照明设计的软件平台命名为OpticStudio，同时开发了LensMachanix平台用于与Solidworks软件合作简化光机设计过程。ZemaxOpticStudio集光学和照明设计于一体，能够实现包括光学系统建模、光线追迹计算、像差分析和优化及公差分析等诸多功能，并通过直观的用户界面，为光学系统设计者提供了一个方便快捷的设计工具，被广泛用在透镜设计、照明、激光束传播、光纤、传感器和其他光学技术领域中。本书主要涉及光学系统设计，使用的软件为ZemaxOpticStudio，书中提到的Zemax软件均指Zemax公司的OpticStudio软件。下一页返回3.1概述

Zemax软件按授权方式分为单人授权和网络授权两类，按级别分为标准版（Standard，仅有单人授权模式）、专业版（Professional）和旗舰版（Premium）三个类别。各个版本针对不同用户的要求分别制定。其中，专业版（Professional）包含了标准版（Standard）的所有特性，并加上了非序列光线追迹和物理光学的相关功能；旗舰版（Premium）包含了专业版（Professional）的所有特性，并加上了更加完整的照明分析设计、荧光和荧光模拟，以及完整的光谱、光源和散射数据库等功能。上一页下一页返回3.1概述

在光学设计上，Zemax采用序列（Sequential）和非序列（Non-Sequential）两种模式模拟折射、反射、衍射的光线追迹。序列（Sequential）光线追迹主要用于传统的成像系统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等。在这一模式下，Zemax以面（Surface）作为对象来构建一个光学系统模型，每一表面的位置由它相对于前一表面的坐标来确定。光线从物平面开始，按照表面的先后顺序（Surface0，1，2，…）进行追迹，对每个面只计算一次。由于需要计算的光线少，故这种模式下光线追迹速度很快。而在许多复杂的棱镜系统、照明系统、微反射镜、导光管、非成像系统或复杂形状的物体构成的系统中，需采用非序列模式（Non-Sequential）来进行系统建模；上一页下一页返回3.1概述

同时，在需考虑散射和杂散光的情况下，也不能采用序列光线追迹。在这种模式下，Zemax以物体（Object）作为对象，光线按照物理规则，沿着自然可实现的路径进行追迹，可以按任意顺序入射到任意一组物体上，也可以重复入射到同一物体上，直到被物体拦截。计算时每一物体的位置由全局坐标确定。对同一元件，可同时进行穿透、反射、吸收及散射的特性计算。与序列模式相比，非序列光线追迹能够对光线传播进行更为详细的分析，包括散射光和部分反射光。但在此模式下，由于分析的光线多，故计算速度较慢。在一些较为复杂的光学系统中，可以同时使用序列和非序列光线追迹。根据需要，可以采用序列光学表面与任意形状、方向或位置的非序列组件进行结合，共同形成一个系统结构.上一页返回3.2ZemaxOpticStudio的用户界面ZemaxOpticStudio用户界面的操作与其他Windows程序类似，又有其独有的特点。本节将详细介绍ZemaxOpticStudio的不同操作窗口和一些常用窗口的操作方法。本章例子采用的软件版本为ZemaxOpticStudio18.1Premium。3.2.1主窗口运行“ZemaxOpticStudio.exe”程序后，出现的就是系统的主窗口，如图3−2所示。下一页返回3.2ZemaxOpticStudio的用户界面主窗口的作用是控制所有ZemaxOpticStudio任务的执行。主窗口包括了标题栏、菜单栏、工具栏、系统选项栏（SystemExplorer）和显示窗口。1.标题栏标题栏中主要显示所用程序版本名称、产品序列号及透镜文件名称。在标题栏左侧的一系列小图标为快捷工具，可以在设置（Setup）−配置选项（ProjectPreferences）−工具栏（Toolbar）中，自行定义快捷工具放置于这个位置，默认有新建（New）、另存为（SaveAs）、保存（Save）、打印（Print）等基本工具。上一页下一页返回3.2ZemaxOpticStudio的用户界面2.菜单栏与工具栏菜单栏中的命令通常与当前的光学系统相联系，成为一个整体。菜单栏以选项卡的形式呈现，单击任一菜单选项时，在菜单栏下方的工具栏中都会呈现与该菜单标题相关的功能选项，且在每一类菜单的工具栏内，都按照更加细化的功能分类对各类工具进行了分区。大部分菜单命令都有相应的键盘快捷键。在设置—配置选项—快捷键中可以看到和自定义具体的快捷键。比如默认打开二维视图（Cross-Section）可以输入组合键［Ctrl］+［L］。上一页下一页返回3.2ZemaxOpticStudio的用户界面3.系统选项栏（SystemExplorer）该部分可以选择隐藏或者固定在主窗口的侧面，便于编辑查看系统的特性参数，如系统孔径、视场、波长、玻璃库等系统选项。4.显示窗口此处用于放置所有的显示窗口，包括各个编辑窗口、图形窗口、文本窗口等。上一页下一页返回3.2ZemaxOpticStudio的用户界面3.2.2编辑窗口ZemaxOpticStudio的编辑窗口主要用来输入光学系统的光学元件参数、评价函数、公差数据等。每个编辑窗口主要由行与列构成的电子表格和一些控制选项组成，使用者可以输入数据到表格中对光学系统进行修改和优化。通过主窗口的菜单：设置（Setup）—编辑器（Editors），可以弹出需要进行操作的编辑窗口。序列模式（SequentialMode）下有四种编辑窗口，非序列模式（Non-SequentialMode）下有两种编辑窗口。1.镜头数据编辑器（LensData）2.评价函数编辑器（MeritFunctionEditor）上一页下一页返回3.2ZemaxOpticStudio的用户界面3.多重结构编辑器（Multi-ConfigurationEditor）4.公差数据编辑器（ToleranceDataEditor）5.非序列元件编辑器（Non-SequentialComponentEditor）6.物体编辑器（ObjectEditor）3.2.3图形窗口在进行光学系统设计时，通常需要显示系统设计结果、图像数据以及对光学系统的分析结果。ZemaxOpticStudio中采用了大量的图形窗口来完成这一需求。上一页下一页返回3.2ZemaxOpticStudio的用户界面例如，在“Analyze”分析菜单中，显示光路的二维视图（Cross-Section）、三维视图（3DViewer），像质分析中常用到的光线迹点（RaysandSpots）、像差分析图（Aberrations）、MTF分析（MTF）、波前图（Wavefront）、扩展图像分析（ExtendedSceneAnalysis），等等，都可以通过图形窗口直观显示，如图3−11所示。在图形窗口菜单中，有一排快捷工具菜单，以及下拉箭头引导的下拉菜单，用于对图形窗口的显示方式和内容进行设置。“刷新”（Update）用来根据当前光学系统的数据重新进行计算并刷新窗口显示；“打印”（Print）用于窗口图形的打印输出，等等。下方有“图形”（Graph）和“文本”（Text）选项以实现在窗口中针对该分析内容进行图形信息和文本信息的切换。上一页下一页返回3.2ZemaxOpticStudio的用户界面3.2.4文本窗口文本窗口用来列出光学系统的文本数据，例如：系统数据、表面数据、像差系数、计算数据等。在ZemaxOpticStudio中，大部分的图形窗口中都具有文本显示功能，以文本窗口的形式输出图形的相关内容，该功能可通过图形窗口下方“图形”（Graph）/“文本”（Text）选项卡进行切换。除此之外，一些系统数据也以纯文本的方式展示，如图3−12所示。上一页下一页返回3.2ZemaxOpticStudio的用户界面3.2.5对话框ZemaxOpticStudio通过对话框来实现对命令的定制。对话框是弹出窗口，通过对话框，使用者可以使用ZemaxOpticStudio的部分分析功能。例如在执行优化（Optimize！）时，如图3−13所示，可以通过对话框设定优化的算法、使用的内核数目、迭代次数等。与其他窗口不同的是，对话框不能通过鼠标或键盘按钮来调整大小。上一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作3.3.1建立光学系统模型建立光学系统模型是光学系统设计的第一步。对一个系统进行建模之前，应根据其特点，确定选择序列模式（Sequential）或非序列模式（Non-Sequential），这两种模式可以在设置（Setup）菜单的模式（Mode）分类中进行选择。在ZemaxOpticStudio中，光学系统建模分为两个方面：系统特性参数的输入和初始结构的输入。1.系统特性参数输入系统特性参数输入主要是对系统孔径（Aperture）、视场（Fields）和波长（Wavelengths）等内容进行设定。下一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作系统特性参数输入可以通过专门的系统选项栏（SystemExplorer）进行编辑，如图3−15所示。在这个系统选项栏中，包含了光学系统作为一个整体的性能参数以及使用环境的要求，使用者可以根据系统设计需求进行设置。对一般使用者而言，除了主要待输入的系统性能参数之外，其他项如无特殊要求，保持默认值即可。2.初始结构输入在序列模式（Sequential）下，初始结构通过镜头数据编辑器（LensData）界面输入，如图3−20所示。在这一界面中，采用表格输入的方式，可以设定系统的表面（Surface）数量及序号，每一表面的面型和表面结构参数，包括半径、厚度、玻璃材料、口径及描述非标准面型的参数等。上一页下一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作3.3.2像质评价系统结构建立之后，可以利用ZemaxOpticStudio软件的分析功能对其进行性能评价。ZemaxOpticStudio具有非常强大的像质分析功能。主窗口中的分析（Analyze）菜单中包含了光线迹点（RaysandSpots）、像差分析（Aberrations）、MTF分析（MTF）、波前图（Wavefront）、点扩散函数（PSF）、扩展图像分析（ExtendedSceneAnalysis）等功能，如图3−22所示。选择某一项功能后，相应的分析结果以直观的图形或文本窗口的形式显示出来，使用者可以通过对这些图形和文本窗口提供的菜单命令进行操作，设置需显示或计算的内容。上一页下一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作ZemaxOpticStudio中的分析窗口都具有刷新（Update）菜单命令，当系统特性参数或结构参数改变时，可以通过刷新命令使ZemaxOpticStudio重新计算并重新显示当前窗口中的数据。常用的像质分析功能有：Cross-Section：系统结构图。SpotDiagram：点列图，可以以标准（Standard）、离焦（ThroughFocus）、全视场（FullField）、矩阵（Matrix）和结构矩阵（ConfigurationMatrix）的方式给出点列图分布图形。Aberration：像差分析，包括光线像差图（RayAberration）、光程差图（OpticalPath）、光瞳像差（PupilAberration）等。上一页下一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作Wavefront：波前图。包括波前图（WavefrontMap）、干涉图（Interferogram）、傅科分析图（FoucaultAnalysis）等。PSF：点扩散函数，ZemaxOpticStudio提供了两种计算点扩散函数的方式，快速傅里叶变换（FFTPSF）和惠更斯方法（HuygensPSF）。MTF：计算并显示所有视场的衍射光学传递函数，采用快速傅里叶变换（FFTMTF）或惠更斯直接积分算法（HuygensMTF）或几何光学传递函数（GeometricMTF）。RMS：均方根半径。分别绘出均方根点列图半径，波像差或斯特利尔比例数与视场及焦点变化和波长的关系。上一页下一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作EnclosedEnergy：包围圆能量。显示能量分布图，以离主光线或物点的像的重心的距离为函数的包围圆能量占总能量的百分比。3.3.3优化ZemaxOpticStudio的优化功能非常强大，其可以根据一个合理的起点和一组变量参数对光学系统进行优化，以满足光学系统光学特性和像差的要求。优化中的变量可以是光学系统的曲率、厚度、玻璃、二次曲面系数及其他附加参数和多重结构数据等。ZemaxOpticStudio通过构造评价函数（MeritFunction），并采用一定的算法计算评价函数的取值，由取值的大小判断实际系统是否满足约束条件及目标的要求。上一页下一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作ZemaxOpticStudio的算法包括阻尼最小二乘法（DampedLeastSquares，DLS）和正交下降法（OrthogonalDescent，OD）两种，前者能够有效优化加权目标值组成的评价函数，后者主要用在对非序列光学系统的优化中。对系统设定的约束条件或目标值统称为操作数（Operand），在ZemaxOpticStudio中采用四个英文首字母表示。操作数包括光学特性参数（如焦距EFFL、近轴放大率PMAG、入瞳位置ENPP等）、像差参数（如球差SPHA、彗差COMA、像散ASTI等）、边界条件（中心厚度值CTVA、边缘厚度值ETAV等）等多方面的要求。ZemaxOpticStudio提供了三百多个操作数供选择，分别代表系统不同方面的约束和目标。评价函数由系统所设定的操作数构成，其定义式为上一页下一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作式中，Wi

为各操作数权重的绝对值；Ti

为操作数设定的目标值；V

i

为操作数的当前值。下标i表示操作数序号（表格中的行号）。显然，评价函数越小，系统越接近于设定标准。理想状态下评价函数应为0。使用ZemaxOpticStudio的自动优化功能时，主要有以下步骤：设置评价函数和优化操作数；设置优化变量；进行优化。3.3.4公差分析上一页下一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作ZemaxOpticStudio的公差分析可以模拟在加工、装配过程中由于光学系统结构或其他参数的改变所引起的系统性能变化，从而为实际的生产提供指导。这些可能改变的参数包括率、厚度、位置、折射率、阿贝数、非球面系数等结构参数以及表面或镜头组的倾斜、偏心及表面不规则度等。与优化功能类似，公差分析中把需要分析的参数用操作数表示，如TRAD表示的是曲率半径公差。采用ZemaxOpticStudio进行公差分析需分两步：公差数据设置，执行公差分析。上一页下一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作1.公差数据设置在ZemaxOpticStudio主窗口的公差（Tolerance）菜单中选中公差分析编辑器（ToleranceDataEditor）。这一窗口用来对光学系统不同参数的公差范围做出限定，同时还可以定义补偿器来模拟对装配后的系统所做的调整。一般情况下，可以采用默认的公差数据设置，在“ToleranceDataEditor”窗口下拉菜单选择公差向导“ToleranceWizard”选项。如图3−26所示。上一页下一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作通过这一对话框可以对各表面或元件的公差进行设定。面型公差数据包括半径（Radius）、厚度（Thickness）、偏心（Decenter）、倾斜（Tilt）、不规则度（Irregularity）等；折射率公差数据包括材质的折射率指数、阿贝数等；元件可以设置的公差有偏心和倾斜。在每个数据右方的空格中可以设定公差的范围。对话框底部的“UseFocusComp”为后焦距补偿，这是公差分析中默认采用的补偿器。完成设定后，单击“确定（OK）”按钮返回公差数据编辑器（TolerancesDataEditor）。此时窗口中已经根据设定的公差数据列出了不同表面或元件的公差操作数和补偿器。上一页下一页返回3.3ZemaxOpticStudio基本操作每一个操作数都有一个最小值（Min）和一个最大值（Max），此最小值与最大值是相对于标称值（Nominal）的差量。根据光学系统具体特性，使用者可以对公差操作数进行修改，也可以加入新的操作数和补偿器。具体操作方法与优化评价函数编辑器（MeritFunctionEditor）相似，在此不再详述。2.执行公差分析设定好公差操作数和补偿器后，即可执行公差分析。从主菜单栏中选择公差（Tolerance）菜单，左键单击公差分析（Tolerancing）按钮，显示公差分析对话框。对话框中包括初始设置、评价标、蒙特卡洛分析（MonteCarlo）