用Zemax进行优化设计
光学设计指引贴6《ZEMAX中棱镜建模与优化》
观察图3，系统聚焦不好，但不在 此贴讨论范围，略。
图4
三 小结
断点平移量（平移量＝断点面中 心点对断点的X、Y坐标值）在棱镜入 射，出射面的矩形口径上设置，旋转 量在棱镜入射出射面的断点上设置， 这样便于调整系统。 其它小结同上面说的。
******* 例2－合色棱镜设计 *******
图11
它对DMD法线的三个方向余弦计 算如下。
设射向DMD的0W0H的光线为1个 单位矢量，则由余弦定义有： ARGC（与Z轴夹角余弦）=COS27°＝ 0.891028, RAGA（与X轴夹角余弦）=1*COS(9027°)*COS45°/1=0.320998， RAGB（与Y轴夹角余弦）=1*COS(9027°)*COS45°/1=0.320998，
至于为保反衬度的3°是否合适， 还要看系统光照场均匀性，对于照明 系统均匀性*投影系统均匀性>70%的， 可给27°，否则给26°。
操作集中还有许多别的约束，是 不难理解的。
以上 GGX1945813
2012年8月22日
本贴主要是以微投照明系统的棱镜为 例，小结棱镜最常用的建模方法，优化 方法，其它类型的光学系统棱镜建模与 优化可仿此进行。
棱镜建模有多种方法，但只有断点建 模的棱镜才能进行优化，因此它也是应 用最广的建模方法，为了简单扼要，
重点突出，本贴只介绍棱镜断点建模 的方法。
***** 例1－作图法确定棱镜 *****
例1介绍了用断点平移的方法，调 整棱镜尺寸达到要求的方法，本例介绍 镜面旋转调楔镜达到合色的方法（手机 微投影照明系统用）。
在“手机微投影照明系统“中，合 色系统采用DM楔形合色镜，该镜主要 应用了楔镜的两面的反射，透射性能实 现了RGB三基色光轴的重合。由于采 用了此项技术，使照明系统具有了最小 尺寸。
ZEMAX优化函数结构浅探.doc
各种光学口动软件最终都归结到优化*1数结构和优化过程算法的问题。
最近，本人在使用ZEMAX过程中，仔细分析了一下构成ZEMAX软件的优化函数构成以及优化过程算法，有些心得，留给入门的朋友们共享。
一、优化两数结构凡使用过SOD88软件（北京理工大学光屯工程系开发）或者ZEMAX、CODEV的设计人员都知道，优化的参数包插以下儿个种类：光学特性参数，例如焦距、入瞳距离、成像尺寸或者物高、物距，镜片间空气间距、镜片片度等等；像质参数，例如崎变、场曲、彗差等等。
ZEMAX将所有这些要求达到的丨I标都作为一个优化元附加一定的权重系数组成一个优化函数，并且通过改变结构参数使得这个优化函数趋向最小。
数学表达式为：，其中为各个优化元的权匝系数，为系统结构参数光学追迹出來的各个优化元，例如焦距、畸变、営差等等，为该优化元的目标值。
优化过程冇局部优化和全局优化两种。
局部优化是指，通过改变系统结构参数的数值（半径、厚度、光学玻璃材料）计算出各个优化元的数值，然后构成整个优化两数的值的计算过程。
该过程的思路是解决当前状态已经处丁?“『型中的某个位置，迫使其落到“U”中间的最小位置。
全局优化和局部优化不同的是，优化过程类似于一?个搜索过程，这个搜索过程在结构参数限定的某个区域内进行优化，优化函数可能经历若干过波峰和波谷（多个极值之间）进行。
山于采用的方法不同，构成了多种全局优化算法。
全局优化能够避开某个局部极值寻找到史加优良的结构形式，使得光学设计距离完全H动化更进了一步。
当然，目前的各种算法都还冇一定局限性，例如搜索能力强度、计算复杂程度，由此影响计算速度、计算资源需求量以及误差累计造成的進确度等等问题。
但是不管怎么样，现有的儿种光学设计软件基于现有的高度发达计算机水平、光学设计发展水平和数学优化算法等，已经能够很好的满足具有一定光学设计经验知识的设计者们。
二、ZEMAX的缺省优化函数结构入门的光学设计者通常知道在进行结构优化时选用default 缺省的优化函数，然后加入少量的优化目标例如焦距來进行优化分析，但是对于这个缺省结构怎么构成的常常缺乏深入分析，这在一定程度上限制了我们进一步充分利用软件优化能力的水平发挥。
ZEMAX软件的优化函数构成以及优化函数算法的心得
各种光学自动软件最终都归结到优化函数结构和优化过程算法的问题。
最近，本人在使用ZEMAX过程中，仔细分析了一下构成ZEMAX软件的优化函数构成以及优化过程算法，有些心得，留给入门的朋友们共享。
一、 优化函数结构凡使用过SOD88软件(北京理工大学光电工程系开发)或者ZEMAX、CODEV的设计人员都知道，优化的参数包括以下几个种类：光学特性参数，例如焦距、入瞳距离、成像尺寸或者物高、物距，镜片间空气间距、镜片厚度等等；像质参数，例如畸变、场曲、彗差等等。
ZEMAX将所有这些要求达到的目标都作为一个优化元附加一定的权重系数组成一个优化函数，并且通过改变结构参数使得这个优化函数趋向最小。
数学表达式为：，其中 为各个优化元的权重系数， 为系统结构参数光学追迹出来的各个优化元，例如焦距、畸变、彗差等等， 为该优化元的目标值。
优化过程有局部优化和全局优化两种。
局部优化是指，通过改变系统结构参数的数值(半径、厚度、光学玻璃材料)计算出各个优化元的数值，然后构成整个优化函数的值的计算过程。
该过程的思路是解决当前状态已经处于“U”型中的某个位置，迫使其落到“U”中间的最小位置。
全局优化和局部优化不同的是，优化过程类似于一个搜索过程，这个搜索过程在结构参数限定的某个区域内进行优化，优化函数可能经历若干过波峰和波谷(多个极值之间)进行。
由于采用的方法不同，构成了多种全局优化算法。
全局优化能够避开某个局部极值寻找到更加优良的结构形式，使得光学设计距离完全自动化更进了一步。
当然，目前的各种算法都还有一定局限性，例如搜索能力强度、计算复杂程度，由此影响计算速度、计算资源需求量以及误差累计造成的准确度等等问题。
但是不管怎么样，现有的几种光学设计软件基于现有的高度发达计算机水平、光学设计发展水平和数学优化算法等，已经能够很好的满足具有一定光学设计经验知识的设计者们。
二、 ZEMAX的缺省优化函数结构入门的光学设计者通常知道在进行结构优化时选用default 缺省的优化函数，然后加入少量的优化目标例如焦距来进行优化分析，但是对于这个缺省结构怎么构成的常常缺乏深入分析，这在一定程度上限制了我们进一步充分利用软件优化能力的水平发挥。
ZEMAX的基本像差控制与优化
ZEMAX的基本像差控制与优化ZEMAX已经成为光学设计人员最常用的工具软件了。
光学设计中，描述和控制一个光学系统的初级像差结构，通常使用轴上球差、轴向色差、彗差、场曲、畸变、垂轴色差、像散等像差参数。
当我们企图更为详细的描述和控制轴外指定视场、指定光束的像差结构时，常常会使用轴外宽光束球差、彗差和细光束场曲等三个像差参数。
然而，ZEMAX 并不能像SOD88那样直接引用相对应的像差操作数来指定像差目标大小，更没有描述高级像差数的像差操作数，这些通常都需要设计者自行分析和定义。
描述和控制系统光束结构的方法因习惯而有一定的差异，由于某些像差变量之间有某种相关性，而设置的优化权重又可以不同，因此常常都能够达到相同的效果，只是所计算的数学步骤不同而已。
到底选择多少个参数来描述一个系统，虽无统一规定，但是还是要因系统像差特性不同而区别选择。
经验表明，最少最准确的参数描述量，能够尽可能的提高优化的效率，并且减少掉入效果较差的局部优化的次数。
经验丰富的工程师，轻车熟路，在这个环节上少走了很多的弯路，从而其设计效率和设计出来的产品品质要比通常的设计人员有些得多，成功率高的多。
笔者撰写本文的目的就是企图浅显的探讨光学设计中，ZEMAX中光学结构的描述方法以及权重选择的问题。
这些都是笔者在设计当中积累的经验，可能这个文章的论断会由于经验的多寡有一定的局限性，所以希望读者当作参考，不要照搬。
一基本像差描述和控制1、轴上球差LONA 和 SPHALONA表示的是轴上物点指定波长，指定光束尺寸(光线对)的轴上成像交点到近轴焦平面之间轴向距离。
这个定义和我们定义的轴向球差相同。
光瞳尺寸(光束尺寸)在0~1之间，那么将追迹实际的光束汇交点计算轴向球差。
SPHA常用于指定面产生的像差数值。
若不指定特殊面(取值为0)，则计算所有面产生球差总和。
注意这个总合不是像差计算公式中的经过各面逐个放大之后的加权和，而是代数和(有待读者进一步验证)。
ZEMAX实验报告
ZEMAX实验报告一、实验目的本实验旨在通过使用ZEMAX光学设计软件，了解和掌握光学系统的设计与分析方法，并通过实际操作掌握ZEMAX软件的使用技巧。
二、实验原理三、实验内容1.安装和熟悉ZEMAX软件。
首先进行软件的安装和启动，并浏览和熟悉软件的界面和功能按钮。
2.构建简单光学系统。
根据实验要求，通过添加光学元件和定义其参数，构建一个简单的光学系统。
3.分析光学系统的性能。
使用ZEMAX软件对光学系统的像差、光斑大小等性能进行分析。
4.优化光学系统的设计。
根据分析结果，对光学系统进行调整和优化，以使其性能达到要求。
四、实验步骤1.打开ZEMAX软件，并新建一个光学系统文件。
2. 添加光学元件。
点击“Add Surface”按钮，在光学系统中添加透镜、曲面、衍射光栅等光学元件。
3.定义光学元件的参数。
根据实际需求，输入光学元件的曲率、厚度、折射率等参数。
4. 设置光学系统的光源。
点击“Source”按钮，并设置光源位置和光束发散角度等参数。
5. 进行光线追迹。
点击“Ray Trace”按钮，在光学系统中发射光线并追踪光线的传播路径。
6.分析光学系统性能。
根据光线追踪结果，使用ZEMAX软件对光学系统的像差、光斑大小等性能进行分析。
7.优化光学系统设计。
根据分析结果，适当调整光学系统中的光学元件参数，使光学系统性能达到要求。
8.导出分析结果。
最后可以将优化后的光学系统性能结果导出为报告或图表。
五、实验结果和分析通过使用ZEMAX软件进行光学系统设计和分析的实验，我们可以得到光学系统的像差、光斑大小等性能指标。
通过分析结果，可以发现光学系统的设计是否满足了要求，并根据需求对光学系统进行调整和优化。
在优化光学系统设计的过程中，我们可以通过改变曲率、厚度和折射率等参数来调整光学元件的性能。
通过不断迭代优化，可以使光学系统的准确度和性能得到改善。
六、实验总结通过本次实验，我们了解和掌握了ZEMAX光学设计软件的使用方法，并通过实际操作进行了光学系统的设计和分析。
zemax基本操作流程
zemax基本操作流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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zemax教程
光线追迹原理
几何光学是研究光线在均匀介质中的 传播规律和成像原理的科学，是光学 设计的基础。
光线追迹是光学设计中的基本方法， 通过计算光线在光学系统中的传播路 径和成像情况，评估光学系统的性能 。
物理光学原理
物理光学是研究光的波动性、干涉、 衍射、偏振等现象的科学，对于复杂 的光学系统设计和分析具有重要意义 。
医学、生物科学等领域的光学 成像系统设计。
02
zemax软件安装与启动
zemax软件安装步骤
下载zemax软件安装包
从官方网站或授权渠道下载最新版本的zemax软件安装包。
安装准备
确保计算机满足最低系统要求，并关闭所有正在运行的程序。
运行安装程序
双击安装包，按照提示进行安装。选择安装目录和组件，并遵循安 装向导完成安装过程。
02
它提供了全面的光学设计工具，包括光线追迹、优化、公差分
析等。
Zemax软件支持多种操作系统，如Windows、Linux等。
03
zemax软件功能
光线追迹
Zemax可以模拟光线在光学系统中的 传播路径。
公差分析
Zemax可以对光学系统的公差进行分 析，以评估实际制造和装配过程中的
性能变化。
优化
缩放视图
使用鼠标滚轮或者工具栏中的缩放工具，可以对视图进行缩放操作。
平移视图
按住鼠标中键并拖动，可以平移视图。
旋转视图
在工具栏中选择旋转工具，可以对视图进行旋转操作。
zemax软件工具栏介绍
编辑工具栏
包含撤销、重做、 复制、粘贴等编辑 操作按钮。
分析工具栏
包含光线追迹、优 化、公差分析等分 析操作按钮。
Zemax内置了多种优化算法，可以对 光学系统进行自动优化以提高性能。
Zemax入门基础之优化
Zemax入门基础之优化Zemax问题集第五章优化(Optimization)已知透镜的孔径、厚度、曲率半径皆为固定，可是边缘厚度希望为零，现在我将suf设在2和3之间，target设零，weight设100，但我发现我没有变量，不能优化，所以将厚度0.8设为变量去跑优化，没想到透镜厚度变更宽，MXEG似乎没用。
请问可以在不跑优化，也就是不设罝merit function的情形下，将透镜边缘厚度改为零吗？Answer：可以在不跑优化，也就是不设罝merit function的情形下，将透镜边缘厚度改为零：具体做法是在thickness上按右键，用solve进行Edge thickness 的设罝。
或者您也可以试着使用ETVA(edge thickness value)这个操作数。
如何使Spot Diagram中的RMS&GEO变小?Answer：在Merit Function中提供几个命令来Follow您Default的内容来做Spot Size的优化，分别是RSCE、RSCH、RSRE、RSRH，您需根据您所Default的参考依据来选择其中一个命令来使用，如Centriod、Chief Ray、Ring、Grid...etc。
Question 3：在优化过程中，如何定义在不同Pupil的地方，其Longitudinal Aberration曲线可以依照自己的意思跑吗？Answer：当在使用AXCL和LACL等命令时，无法使用Hx、Hy、Px、Py 来控制实际光线所走的路径，此时会是一类型似默认的方法来达到优化，通常在Pupil的0.8处有交点，但若当您使用REAY等命令时，您可在Py的地方给定0~1的值，即代表您希望在Pupil上的某个点所出射的光线其Longitudinal Aberration会最小，即可在不同的Pupil处依您的意思去做优化。
如何使用ZEMAX的功能来分析镜头的TV Distortion?Answer：关于TV Distortion的分析同样可使用ZEMAX的分析功能，分析功能在Anaylsis->Miscellaneous->Field Curv/Dist和Grid Distortion。
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摘要 .......................................................................................................................................................... 1 ABSTRACT ............................................................................................................................................ 2 引言 .......................................................................................................................................................... 3 1 光学传递函数和点列图 ...................................................................................................................... 4 1.1 光学传递函数 ............................................................................................................................... 4 1.1.1利用MTF曲线来评价成像质量 ........................................................................................... 4 1.1.2 利用MTF曲线的积分值来评价成像质量 ........................................................................... 5 1.2 点列图 ........................................................................................................................................... 5
2 像差综述 .............................................................................................................................................. 6 2.1轴上点球差 .................................................................................................................................... 6 2.1.1球差的定义和表示方法 ......................................................................................................... 6 2.1.2 球差的校正 ........................................................................................................................... 8 2.2 像散与像面弯曲（场曲） ........................................................................................................... 8 2.2.1 像散 ........................................................................................................................................ 8 2.2.2 场曲 ........................................................................................................................................ 9 2.3 正弦差和彗差 ............................................................................................................................... 9 2.3.1 正弦差和彗差的定义 ............................................................................................................. 9 2.3.2 彗差的校正 .......................................................................................................................... 12 2.4 畸变 ............................................................................................................................................. 12 2.5 色差 ............................................................................................................................................. 13 2.5.1 位置色差 .............................................................................................................................. 13 2.5.2 倍率色差 .............................................................................................................................. 14 2.6 波相差 ......................................................................................................................................... 15
3 表面类型 ............................................................................................................................................ 16 3.1简介 .............................................................................................................................................. 16 3.2 内含表面 ..................................................................................................................................... 16 3.3 非球面镜片 ................................................................................................................................. 19 3.3.1 简介 ...................................................................................................................................... 19 3.3.2 非球面镜片光学原理 .......................................................................................................... 20
4 用ZEMAX进行优化设计 ............................................................................................................... 20 4.1由抛物反射镜产生的初级球面像差: ......................................................................................... 20 4.2 求由抛物面反射镜和两单透镜组成的初始光学系统 .............................................................. 21 4.3 计算抛物面反射镜和两单透镜组成的初始光学系统 .............................................................. 23