Zemax非序列光线追迹
zemax光线追迹操作
zemax光线追迹操作摘要：I.引言- 介绍Zemax 光线追迹操作II.Zemax 光线追迹操作的基本概念- 光线追迹的定义- Zemax 软件介绍III.Zemax 光线追迹操作的具体步骤- 准备工作- 操作流程1.创建模型2.设定光源3.添加光学元件4.设置光线参数5.运行光线追迹6.分析结果IV.Zemax 光线追迹操作的应用领域- 光学设计- 光学分析- 光学研究V.结论- 总结Zemax 光线追迹操作的重要性正文：I.引言Zemax 是一款专业的光学设计软件，通过对光学系统的建模、计算和优化，帮助用户完成光学设计任务。
在Zemax 中，光线追迹操作是非常重要的一个功能，它可以模拟光线的传播过程，为光学设计提供依据。
本文将详细介绍Zemax 光线追迹操作的相关知识。
II.Zemax 光线追迹操作的基本概念光线追迹，顾名思义，就是模拟光线的传播过程。
在光学设计中，通过设定光源、光学元件等参数，然后运行光线追迹操作，可以预测光学系统在实际工作过程中的性能表现。
Zemax 软件是一款强大的光学设计软件，提供了丰富的工具和功能，帮助用户完成光线追迹操作。
III.Zemax 光线追迹操作的具体步骤在Zemax 中进行光线追迹操作，需要遵循一定的步骤。
具体来说，可以分为以下几个部分：1.准备工作在开始光线追迹之前，首先需要创建一个光学模型。
这个模型可以是一个简单的光学系统，也可以是一个复杂的光学装置。
根据模型的复杂程度，可能需要花费一定的时间来完成模型的创建。
2.操作流程（1）创建模型在Zemax 中，可以通过绘制光学元件的形状，然后设定其参数（如折射率、厚度等），来创建光学模型。
（2）设定光源为了进行光线追迹，需要设定一个或多个光源。
在Zemax 中，可以设定点光源、线光源和面光源等不同类型的光源。
同时，还需要设置光源的参数（如位置、强度、波长等）。
（3）添加光学元件在光学模型中添加光学元件，如透镜、反射镜等。
ZEMAX中如何能优化非序列光学系统
ZEMAX中如何能优化非序列光学系统
要优化非序列光学系统，在ZEMAX中可以通过以下步骤进行操作：
1.打开ZEMAX软件并在工作区中创建一个新的光学系统。
2.在系统设置中，选择非序列模式。
这将允许你在光学系统中添加和
优化非序列组件。
3.添加所有非序列光学元件到系统中。
你可以通过从元件库中拖动和
放置元件来完成这一步骤。
4.对系统进行初始设置，包括设置光源、检测器和其它系统参数。
5.进行优化。
ZEMAX提供了多种优化方法，如全局优化、局部优化、
灵敏度分析等。
你可以选择适合你系统的优化方法，并设置参数进行优化。
6.分析优化结果。
ZEMAX将根据你选择的优化方法和参数对系统进行
优化，并提供优化结果。
你可以通过查看光学系统的传输矩阵、光线追迹图、像差图等来分析优化后的结果。
7.根据需要进行调整。
根据分析结果，你可以对光学系统进行调整，
包括改变元件参数、添加或删除元件等。
8.重复优化过程。
根据调整后的光学系统，你可以再次进行优化，以
进一步改善系统性能。
通过以上步骤，你可以在ZEMAX中优化非序列光学系统，以获得更好
的系统性能。
Zemax非序列光线追迹剖析
非序列光线追迹非序列光线追迹是 Zemax 中的核心技术。
它是用于在具有多个光学路径的系统中对光线进行追迹的一种强大通用技术。
典型用例包括：1.照明系统，尤其是具有多个或复杂光源的照明系统2.干涉仪这类系统，其中穿过几个不同光学系统的光线必须以相干方式重组3.其他序列光学系统中的杂散光分析非序列范式是任何光线都没有预定义路径。
光线射出并投射到光路中的任意物体上，随后可能反射、折射、衍射、散射、分裂为子光线等。
与序列光线追迹相比，这是一项更为通用的技术，因此在光线追迹速度方面要慢一些。
在非序列元件编辑器中提供了物体列表。
此列表中的物体顺序没有意义（对此有几个例外情况：有关详细信息，请参见几何形状创建一节）。
光线从光源物体开始传播，直至投射到某个物体上，在该点可能会部分反射、透射、散射或衍射：的 N-BK7 棱镜面反射，大约 50% 的能在此例中，大约 1% 的能量被涂有 MgF2量被两个棱镜相接触的直角斜边面上的膜层反射/透射。
系统会发起新光线（称为“子”光线）以带走这部分能量，从而生成能量在系统中的去向的完整视图。
物体Zemax 中的非序列光线追迹以三维物体为基础。
（注意：要求所有程序均支持非序列光线追迹是不现实的。
）在 Zemax 中，非序列物体完全由定义该物体所需的所有表面组成。
例如，标准透镜物体由正面和背面、连接两面的柱体和边缘上的斜面组成。
多数 Zemax 物体均实现了参数化，这表示这些表面通过下列等式进行了定义。
因此，创建和修改很方便，而且仅占用非常少的内存空间。
此外，还可以进行优化并确定公差。
有些 Zemax 物体未实现参数化，如 CAD 物体。
这些物体只是作为数据文件存在。
由于 Zemax 将所有物体均视为三维体，而不是表面集合，所以很容易进行光线追迹和管理大型 CAD 文件。
基于表面的代码可能需要成千上万个表面来表示复杂的 CAD 物体：在 Zemax 中，它就是一个物体。
但是，不同的表面材料和膜层可应用到一个物体的任何表面，不论使用多少 CAD 实体来予以表示。
ZEMAX中如何能优化非序列光学系统(翻译)
ZEMAX中如何优化非序列光学系统（翻译）优化就是通过改变一系列参数值（称做变量）来减小merit function的值，进而改进设计的过程，这个过程需要通过merit function定义性能评价标准，以及有效变量来达到这一目标。
本文为特别的为non-sequential 光学系统优化提供了一个推荐的方法。
推荐的方法如下：The recommended approach is:•在所有merit function中使用的探测器上使用像素插值，来避免像素化探测器上的量化影响。
•使用这些探测器上的合计值，例如RMS spot size, RMS angular width,angular centroid, centroid location 等，而不是某个特定像素上的数据。
这些'Moment of Illumination' 数据优化起来比任何特定的像素点的值平缓的多。
•在优化开始之初使用正交下降优化法（Orthogonal Descent optimizer），然后用阻尼最小二乘法（damped least squares）和锤优化器（Hammeroptimizers）提炼结果。
正交下降法通常比阻尼最小二乘法快，但得到的优化解稍差。
首先使用正交下降优化法。
作为例子，我们用几分钟的时间优化一个自由形式的反射镜，最大化LED的亮度，使之从23Cd增加到>250 Cd。
Damped Least Squares vs Orthogonal DescentZEMAX 中有2中局部优化算法：阻尼最小二乘法(DLS)和正交下降法(OD)。
DLS 利用数值计算的结果来确定解空间的方向，即merit function更低的方向。
这种梯度法是专门为光学系统设计的，建议所有的成像和经典光学优化问题使用。
然而，在纯非序列系统优化中，DLS 不太成功，因为探测是在像素化的探测器上，merit function是本质上不连续的，这会使梯度法失效。
Zemax课堂(非序列)
Non-sequential components(NSC)
•
• • • • • •
用完全3D固体模型代替2D面，这些固体称为 non-sequential components(NSC)。 NSC光线追迹支持下列功能：
定义和放置多个sources、objects and detectors， 使用实际的辐射度和光度单位，包括watts，lumens，lux，phot， footcandles等， 自动确定ray-object相交的顺序， 自动探测reflection, refraction和 total internal reflection (TIR)， 支持3D objects，包括diffractive optics， 支持偏振光追迹和薄膜，散射的统计模型，包括Lambertian，Gaussian 和Abg。
NSC without ports
• 考虑sources和detectors，忽略entry 和exit port。
• 系统里没有sequential paths或部分sequential paths，如headlamp reflectors，complex light pipes或general illumination systems，这时 候使用NSC without ports 。 • 通过将整个系统(如相机或望远镜)放入一个non-sequential group中， 进行non-sequential光线追迹，还可以分析sequential systems 中的 ghost，stray和scattered light的特性。
• 能提供的分析功能有：光线分布和detector记录的能量。
NSC ray tracing with ports的步聚
ZEMAX-概况
ZEMAX概况ZEMAX是一套综合性的光学设计软件。
它集成了光学系统所有的概念、设计、优化、分析、公差分析和文档整理功能。
具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。
3种不同的版本：SE, XE,和EE。
ZEMAX可以模拟Sequential和non-sequential成像系统和非成像系统。
序列性（Sequential）光线追迹大多数成像系统都可以由一系列顺序排列的光学面来描述。
光线按面的顺序进行追迹。
如相机镜头、望远镜镜头、显微镜头等。
它有很多优点，如光线追迹速度快、可以直接优化和进行公差预算。
ZEMAX中的光学面可以是反射面、折射面或衍射面。
也可以建立因为光学薄膜引起的有不同透射率的光学面特性。
面之间的介质可以是各向同性的，如玻璃或空气。
也可以是任意的渐变折射率分布，折射率可以是位置、波长、温度或其它特性参数的函数。
也支持双折射材料，它的折射率是偏振态和光线角度的函数。
ZEMAX中，所有描述面的特性参数，包括形状、折射、反射、折射率、渐变折射率、热系数、透射率和衍射率都可以自定义。
非序列性（Non-sequential）光线追迹很多重要的光学系统不能用sequential光线追迹的模式描述，如复杂的棱镜、光管、照明系统、小面反射镜、非成像系统或任意形状的物件等。
而且散射和杂光也不能用序列性分析的模式。
这些系统要求用non-sequential模式，此时光线以任意的顺序打到物件上。
Non-sequential模式可以对光线传播进行更细节的分析，包括散射光或部分反射光。
进行non-sequential追迹时，ZEMAX用3D solid models光学元件，可以是任意的形状。
支持散射、衍射、渐变折射率、偏振和薄膜。
用光度学和辐射度学的单位。
Sequential 和non-sequential系统ZEMAX还可以在同一个系统中使用sequential和non-sequential光线追迹模式。
zemax非序列
Facted reflectors：
• 可以使用zoom放大图像
•可以看到反射面
上的小面 •许多形状的物体 都可以在非序列 中建立：螺旋面、 发散式的、多项 式非球面和菲涅 ed reflectors：
• 几何像质分析窗口显示了光线在像面上的情况
– 序列中的光源只能以点或平面扩展光源放在物面上 – 非序列光源可以放在任何位置、任何方向，甚至其它 物体内部 – 非序列光源从点光源到复杂的三维光源都可建立 – 非序列可以从ProSource和Luca Raymaker读取真实光 源的数据
Wavelab-sci Weixing_Zhao
Pure non-sequential ray tracing
• • • • •
光线可以被光学组建分光、散射 光线可以在相位面或物体上发生衍射 分析选项在非序列中可用 探测器可以是平面、曲面或三维的物体 非序列探测器支持各种显示类型：
– 非相干的辐射照度、相干照度、相干相位、辐射强度 和辐射率
• 所有这些使非序列光线可以应用于鬼像分析、和
各种照明系统的杂散光分析
Wavelab-sci
Weixing_Zhao
Facted reflectors：
• Samples > Non-sequential > Facted objects > •
Toroidal faceted reflector.zmx 混合模式的 环形小面反射
Wavelab-sci
Weixing_Zhao
Wavelab-sci Weixing_Zhao
Mixed sequential/non-sequential ray tracing
• • • • •
ZEMAX 2014各版本功能比较(最新)
功能
旗舰版 专业版
标准版
premium professional standard
CAD集成
导出STEP、IGES、SAT、STL √
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导入STEP、IGES、SAT、STL √
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SolidWorks、Autodesk动态链接 Inventor、CREO Parametric
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用户自定义表面 - 物体，散射, 光源
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非球面设计
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光学自由曲面
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衍射光学系统
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鬼影焦距
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多重结构/变焦
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双折射
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库存镜头匹配工具
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照明系统设计
非序列光线追迹
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光源
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√
物体
√
√பைடு நூலகம்
探测器
√
√
优化
√
√
光学自由曲面
√
√
公差分析
√
√
色度学应用
√
√
分光
√
√
光线散射
√
√
实测光源模型
√
实测表面散射
√
道路照明
√
LightningTraceTM
√
照度分布图
√
激光与光纤
高斯光束
√
√
√
扫描系统
√
√
√
单模光纤耦合
√
√
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非序列光线追迹非序列光线追迹是 Zemax 中的核心技术。
它是用于在具有多个光学路径的系统中对光线进行追迹的一种强大通用技术。
典型用例包括：1.照明系统，尤其是具有多个或复杂光源的照明系统2.干涉仪这类系统，其中穿过几个不同光学系统的光线必须以相干方式重组3.其他序列光学系统中的杂散光分析非序列范式是任何光线都没有预定义路径。
光线射出并投射到光路中的任意物体上，随后可能反射、折射、衍射、散射、分裂为子光线等。
与序列光线追迹相比，这是一项更为通用的技术，因此在光线追迹速度方面要慢一些。
在非序列元件编辑器中提供了物体列表。
此列表中的物体顺序没有意义（对此有几个例外情况：有关详细信息，请参见几何形状创建一节）。
光线从光源物体开始传播，直至投射到某个物体上，在该点可能会部分反射、透射、散射或衍射：在此例中，大约 1% 的能量被涂有 MgF的 N-BK7 棱镜面反射，大约 50% 的能2量被两个棱镜相接触的直角斜边面上的膜层反射/透射。
系统会发起新光线（称为“子”光线）以带走这部分能量，从而生成能量在系统中的去向的完整视图。
物体Zemax 中的非序列光线追迹以三维物体为基础。
（注意：要求所有程序均支持非序列光线追迹是不现实的。
）在 Zemax 中，非序列物体完全由定义该物体所需的所有表面组成。
例如，标准透镜物体由正面和背面、连接两面的柱体和边缘上的斜面组成。
多数 Zemax 物体均实现了参数化，这表示这些表面通过下列等式进行了定义。
因此，创建和修改很方便，而且仅占用非常少的内存空间。
此外，还可以进行优化并确定公差。
有些 Zemax 物体未实现参数化，如 CAD 物体。
这些物体只是作为数据文件存在。
由于 Zemax 将所有物体均视为三维体，而不是表面集合，所以很容易进行光线追迹和管理大型 CAD 文件。
基于表面的代码可能需要成千上万个表面来表示复杂的 CAD 物体：在 Zemax 中，它就是一个物体。
但是，不同的表面材料和膜层可应用到一个物体的任何表面，不论使用多少 CAD 实体来予以表示。
Zemax 支持 80 多种物体，包括透镜、非球面透镜、棱镜、全息图、Zernike 物体、衍射光栅等。
支持物体的完整列表如下所示。
此外，还有一系列“运算符”物体，可以从现有物体生成复杂的几何图形。
例如，您可以对本地 Zemax 物体执行布尔运算，形成任意物体数组，扫掠任意轴周围的现有物体以新建物体。
几何形状创建部分对此有详尽说明。
而且，还可以为不存在适当物体或不能从可用工具创建适当物体的特殊情况创建自己的物体类型。
将物体输入非序列元件编辑器中。
物体可相对于全局坐标框架或任何其它物体放置。
这样就可以轻松定义子组件。
物体可以重新定义为参考物体的任何其它物体框架，在定义位置提供全面的灵活性。
编辑器也可用于为物体提供参数化数据。
例如，如果使用透镜物体，则每个表面的曲率半径、厚度和光学材料就需要在编辑器中进行定义。
通过电子表格函数（称为解）可以“选取”参数数据，以便锁定属性。
例如，在双胶合透镜中，第二个透镜的第一个曲率半径必须等于第一个透镜的最后一个曲率半径。
跟随解则简化了这一操作。
还可以轻松实施更多复杂的解，从而可在电子表格编辑器中直接执行计算。
（请参见知识库文章“如何创建用户定义的解”，了解详细信息）。
创建和定位物体后，即可通过“物体属性”对话框设置详细属性。
可以应用光学薄膜和表面散射函数，以及本体散射、梯度折射率、衍射属性等。
一般而言，数据会得到控制，而“属性”对话框不会经常改变，通过电子表格编辑器可以输入更多的“定义”数据。
几何形状创建有时，需要利用提供的物体创建更复杂的物体。
例如，您可能需要在一个物体中放置另一个物体。
在这种情况下，规则很简单：必须首先在非序列组件编辑器中定义外层物体。
无论何时两个或更多物体共享一个体积或边界，始终需要通过列出的最后一个物体定义共享区域的属性。
但是，通过使用“运算符”物体甚至可以创建更多复杂的物体：1.布尔物体2.数组物体3.扫掠物体4.光源物体这些物体采用之前定义的物体并加以操作。
在这个简单的透镜底座中，布尔物体在之前定义的物体上执行布尔运算：数组物体可以针对任何之前定义的物体形成数组。
在接下来的示例中，我们通过非球面透镜与六角棒进行布尔交叉，形成一个具有六角外形的非球面透镜，然后使用数组物体制作一个 30x30 数组透镜：相比一个物体而言，数组几乎不会占用更多内存，而光线追迹则比利用多个独立物体定义数组快的多。
扫掠物体可以利用之前定义的物体与平面进行交叉，形成物体与该平面的横截面。
然后，横截面可以沿任意点旋转，新建一个“扫掠”物体。
在本例中，通过扫掠标准透镜物体形成环形透镜：最后，任何物体都可以制作成光源。
在此红外系统中，蓝色和绿色光线表示真实的“信号”，并在探测器上成像：第二个红色透镜也会因热辐射而在红外系统中发光。
使用光源物体，可以轻松将透镜物体转变为光源。
这些光线以红色表示。
顶端的红色光线将被光机一体底座轻而易举地阻断，但是请记住，这些光线也有温度，也会发光。
（注意：使用光源物体，也可以将 CAD 物体转变为光源）。
底端的红色光线在光学系统内经多次反射后，重新在探测器上直接成像。
仅仅通过屏蔽无法消除这种“水仙”信号，需要仔细的光学设计。
只有 Zemax 能够提供在相同软件包中管理两种杂散光的工具。
光源模型光源物体表示光源。
Zemax 有许多光源，包括灯丝光源、二极管光源和朗伯光源。
多数光源已实现参数化，所以可以根据您的具体要求进行定制，甚至经过优化，可以查找给定应用的理想光源。
此外，使用光源物体，可以轻松将任何物体转变为光源。
这是自发光体的理想选择，如红外区内的机械元件热辐射。
如需最准确的辐射度或光度评估，最好测量光源数据。
Zemax 支持光度数据、Radiant 光源数据文件和 Opsira数据文件的 IES 标准。
探测器物体探测器物体探测光线照射在空间和角度的分布。
数据以实际辐射度和光度单位提供，包括瓦特、流明、勒克司、厘米烛光、英尺烛光等。
例如，LED 对平面探测器进行照明：最常用的探测器类型是“矩形探测器”，探测矩形表面上的相干或非相干照明。
体探测器可以用来测量体对象内的吸收能量。
许多物体也可以用作探测器。
探测器可以设置成对照射在物体上的光线的吸收。
在本例中，第一个探测器位于聚光器的膜面上（因此，显示出均匀的发光强度分布）。
该探测器设置成不干扰通过的光线。
第二个探测器（显示出光源物体的图像）设置成终止光线追迹。
可以将探测器数据读入评价函数进行优化，如探测查看器所示，或者复制出Zemax 以其它代码（如 Excel 或MATLAB®）进行分析。
分光当光线从一种折射率的介质传播到另一种折射率的介质时，由于光线在两种介质中的速度不同，就会发生部分折射。
这意味着部分能量会被传播，部分能量会被反射。
另外，某些能量会丢失（吸收），尤其是界面上有金属膜层时。
有时，部分反射称为菲涅尔反射。
Zemax 拥有从裸露和覆膜表面（包括复杂的多层膜层）发生菲涅尔反射的复杂模型。
请参见偏振和光学薄膜章节，了解详细信息。
当光线与物体表面交叉时，Zemax 会计算界面传播、反射和吸收的能量比例。
然后，利用正确的相对能量将光线分裂为两部分：反射的光线和传播的光线。
下面是分光镜示例：在本例中，大约 1% 的能量被涂有 MgF的 N-BK7 棱镜面反射，大约 50% 的能2量被两个棱镜相接触的直角斜边面上的膜层反射/透射。
系统会发起新光线（称为“子”光线）以带走这部分能量，从而生成能量在系统中的去向的完整视图。
分光是在光学系统和许多照明系统中理解杂散光的一项关键技术。
Zemax 提供了全套分光建模。
除了全面的模型，Zemax 还支持分光概率模型，成为简单分裂。
这一相对简单的模型在类似增亮片这样的照明系统中具有优势。
光线散射除了表面部分反射之外，光线还可能因表面的微观粗糙现象而发生散射。
Zemax 支持从光学表面散射的许多详细模型，包括朗伯（用于非常粗糙的高散射度表面）、高斯（通常用于针对良好抛光表面和 ABg 进行散射建模），主要用于输入测量的散射函数。
此外，还有一个强大的用户定义散射函数功能，可以添加自己的散射分布函数。
在这种情况下，散射分布函数是一种 ABg 分布：Zemax 可以灵活控制如何处理光线散射。
您可以逐个物体地定义 Zemax 是否应决定散射光线，或者是否应始终启动非散射光线和指定数量的散射光线。
这是上述第一个屏幕快照中要完成的任务：输入光线分裂为镜面（非散射）光线以及从散射分布函数中随机选择的三条散射光线。
能量在所有光线之间正确分布。
您还可以利用其它控制功能，定义散射光线只能沿着规定的轨迹移动，从而极大地降低建立适当信噪比所需的光线数量。
在处理从机械 CAD 软件包导入的物体时，区分 CAD 物体的不同区域往往非常重要。
Zemax 可以将多个不同散射函数放在 CAD 物体的不同表面。
在本例中，红色表面是平滑的光质注塑塑料，银色表面则具有火花侵蚀模具产生的粗糙、散射表面。
Zemax 为您提供了一个简单的点击界面，可以轻松地将不同散射函数应用于 CAD 物体的不同表面。
除了从物体表面散射外，Zemax 还支持详细的体积（或本体）散射模型，其中，光学材料中的内含物可造成散射。
例如，这是对光学材料缺陷效果或生物组织散射的建模的理想选择。
光线追迹数据分析分析非序列系统中光线追迹结果的主要方法是使用探测器物体。
当光线投射到探测器物体上时，光线的位置、角度、能量和光路长度都会存储到系统中，以便通过探测查看器的分析功能生成下列分析。
Zemax 可以生成辐射度和光度分析。
下表在括号中显示光度折算值：1.非相干辐射照度（非相干照度）2.相干辐射照度（相干照度）3.相干相位4.辐射光强度（发光强度）5.位置空间辐射亮度（位置空间亮度）6.角度空间辐射亮度（角度空间亮度）此外，体探测器还提供：1.入射光通量2.吸收光通量3.吸收光通量/单位体积测量光通量的单位（辐射度或光度）。
光线也可以保存到光线数据库以供后续分析。
灵活的滤光片可让您定义光线必须满足的标准（例如，显示从物体 3 散射的所有光线，然后从物体 40 反射，然后投射到探测器物体 15 上）。
这可以轻松生成光线子集，无需重复光线追迹计算。
光线集可以单独分析，也可以用于定义光源数据文件。
在 Zemax 中，可以分析所有探测器数据，然后读入评价函数，以便进行优化和确定公差。
数据也可以直接读入 ZPL（Zemax中的内置编程语言）和外部程序（如MATLAB® 或 Excel）。
光线追迹优化因为大多数 Zemax 物体已实现参数化，而且可以将探测器数据轻松导入评价函数，因此可以使用 Zemax 优化照明系统。