ZEMAX光学设计软件简介

光学设计软件 成像设计：

CodeV（ORA 公司产品，USA）

Zemax（ZEMAX Development Corporation

OSLO( Lambda Research Corporation 公司，USA)

照明设计：

Lightools（ORA 公司产品） ASAP Tracepro ODIS

光通讯设计软件：OptiWave

薄膜设计：TFCalc, Filmstar 等n

CodeV（ORA 公司产品，USA）——成像光学设计分析软件

CodeV（ORA 公司产品，USA）——功能

Zemax（Zemax公司，USA）——光学设计分析软件

Oslo（Lambda Research Corporation 公司，USA）——成像设计分析软件

Lightools（ORA 公司产品，USA）——照明光学设计分析软件

ASAP(Breault Co.) ——照明光学设计分析软件

3) 光学设计应用广泛眼镜照相机、CD、VCD/DVD 、DC、DV等扫描仪、复印机、投影仪等显微镜、内窥镜、X光机等日常照明、汽车车灯等望远镜、瞄准仪、测量仪器激光、卫星等光纤通讯等非成像光学、太阳能利用等 Zemax 简介

Zemax 公司开发光学设计软件

• 功能完整（设计、分析、优化、公差分析等） • 使用方遍 • 光线追迹算法 — 序列光线追迹

— 非序列光线追迹（蒙特卡罗算法） 完整的数据表格式输入，编辑方便 多功能分析（MTF 、点列图等） 多种优化方式 公差分析能力

其他CAD 文件格式转换等

Zemax 软件特点

版本 SE：标准版 XE：完整版

EE：专业版（可算非序列）

Zemax 用户界面

主要有四种用户界面

—Editors: 编辑各种光学面参数或其他参数 —Graphic Windows: 显示各种图形数据 —Text Windows: 显示各种文本数据

—Dialog Boxes: 编辑其他各种Window 的数据或报告错误信息。

1）Editors

Lens Data Editor：输入透镜参数 Merit Function Editor ：优化函数构建

Multi-Configuration Editor：多重结构参数定义 Tolerance Data Editor ：公差分析函数设定 Extra Data Editor：附加数据

Non-Sequential Components Editor: 非序列光学系统 Lens Data Editor

Merit Function Editor

Multi-Configuration Editor

Tolerance Data Editor

Non-Sequential Component Editor

2）图形窗口

Layout

生成dxf 文件 Ray Fan

MTF

将物分解为各种空间频率的谱，光学系统的光学特性可视为对各种空间频率的传递和反应能力，从而建立光学传递函数的评价方法。是一种有效、客观、全面的像质评价方法 MTF 的不同表达方式

Spot Diagram

由物面一点发出光线经光学系统后，在像面形成一定范围的弥散图形，用点的密集程度衡量成像质量。 场曲与畸变

输入光学系统数据

孔径类型尺寸单位玻璃库选择环境设定等

孔径类型

Entrance Pupil Diameter：入瞳直径

Image Space F#：共轭像空间F数（物为无穷远） Object Space NA：物空间数值孔径

Float by Stop Size：由孔径光阑决定入瞳大小 Paraxial Working F# ：像空间近轴F数 Object Cone Angle：边缘光线半角 Field 设置 四种模式

1、Field Angle: 光线与Z轴的夹角 2、Object Height：物空间XY高度

3、Paraxial Image Height：近轴像空间高度 4、Real Image Height：实际像高 Field 设置

Wavelength

查资料法

E.F.L----Effective Focus Length（有效焦距） B.F.L----Back Focus Length（后工作距） FNo.----F Number（相对孔径） F.A.----Field Angle (视场角)

照相物镜设计实例

照相物镜的技术指标要求： 焦距：f’=9.6mm；

相对孔径D/f’不小于1/2.8；

图像传感器为1/2.5 英吋的CCD，成像面大小为4.32mm×5.76mm； 后工作距>5mm

在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；

1m成像质量，MTF 轴上>40%@100 lp/mm 轴外0.707 >35%@100 lp/mm 最大畸变<1%

步骤一：确定照相物镜的基本性能要求

焦距：f’=9.6mm； FNo.>1/2.8；

像高：y’=sqrt（5.76+4.32)/2=3.6mm 视场角：atan（y’/f’）=20.55

2

2

度

后工作距>5mm 反远距比：>5/9.6=0.5208

在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；

5m成像质量，MTF 轴上>40%@100 lp/mm 轴外0.707 >35%@100 lp/mm 最大畸变<1%

步骤二：选择初始结构

E.F.L----Effective Focus Length（有效焦距） B.F.L----Back Focus Length（后工作距） FNo.----F Number（相对孔径） F.A.----Field Angle (视场角)

步骤三：输入初始结构

步骤四：输入孔径类型/波长

步骤五：整体缩放

步骤六：像质评价

（1）优化方法

光学系统结构参数：厚度、间隔、曲率、玻璃材料等

步骤七：优化 （2）构建优化函数

缺省优化函数

数据类型优化参考点类型 优化类型

优化类型

RMS：均方根（常用）

PTV：Peak To Valley（控制点落于某半径内） 数据类型

Wavefront：波前差（<2Waves）

Spot Radius ：点列图半径（〉2Waves） 优化参考点类型 Centroid ：中心 Chief Ray：主光线 评价函数操作数

1、像差SPHA(球差)、COMA(彗差)、ASTI(像散)、FCUR(场曲)、DIST(畸变)等

2、调制传递函数MTFT( 子午面传递函数)、MTFS( 弧矢面MTF) 、MTFA 等

3、基本光学特性EFFL(焦距)、PMAG(近轴放大率)、AMAG(角放大率)、EXPP(出瞳距)、ISFN(像方F数)等

4、边界约束条件CTGT(中心厚度大于)、CTLT(中心厚度小于)、ETGT 、ETLT CVGT 、CVLT

5、基本计算AbSO( 绝对值)、ASIN 、COSI 等 边界约束条件：

两种方法：CTGT( 中心厚度大于)、CTLT( 中心厚度小于)、ETGT 、ETLT CVGT 、CVLT 等 缺省优化函数

（3）优化

步骤八：像质评价

步骤八：像质评价

步骤九：配样板

由近到远由小到大

步骤十：出图

参考文献 中文：

李晓彤《几何光学.像差.光学设计》浙大出版社 袁沧旭《光学设计》 英文：

《Modern Optical Engineering 》Warren Smith

《Elements of Modern Optical Design 》Donald O’Shea 《The Art and Science of Optical Design 》Robert Shannon 《Practical Computer-Aided Lens Design 》Gregory Hallock Smith 《光学原理》波恩