光学设计软件介绍

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1、光学设计光学设计ZEMAXZEMAX 是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度 分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运 算 Sequential 及 Non-Sequential 的软件。版本等级有 SE：标准版，XE：完整版，EE：专 业版（可运算 Non-Sequential），是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及 报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。 ZEMAX 的主要特色：分析：提供多功 能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如： *.BMP, *.JPG

2、等，也可存成文字文件*.txt；优化：表栏式 merit function 参数输入， 对话窗式预设 merit function 参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用；公 差分析：表栏式 Tolerance 参数输入和对话窗式预设 Tolerance 参数，方便使用者定义；报 表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。CODECODE V V 是 Optical Research Associates 推出的大型光学设计软件，功能非常强大，价格 相当昂贵 CODE V 提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴 像差、波像差、点列图、点扩展函数、

3、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高 斯光束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、 一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。是世界上应用的最广泛的光学设计和分析软 件，近三十多年来，Code V 进行了一系列的改进和创新，包括：变焦结构优化和分析；环 境热量分析；MTF 和 RMS 波阵面基础公差分析；用户自定义优化；干涉和光学校正、准直； 非连续建模；矢量衍射计算包括了偏振；全球综合优化光学设计方法。CODE V 是美国著名的 Optical Research Associates（ORA）公司研制的具有国际领先水平 的大型光学工程软件。自 1

4、963 年起，该公司属下数十名工程技术人员已在 CODE V 程序的研 制中投入了 40 余年的心血，使其成为世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件，为 各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广泛采用 1994 年，ORA 公司聘请北京 理工大学光电工程系为其中国服务中心。与国际上其它商业性光学软件相比，CODE V 的优 越性突出地表现在以下几个方面CODE V 可以分析优化各种非对称非常规复杂光学系统。这类系统可带有三维偏心或 倾斜的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元光学面、复杂非球面、以及用户自己 定义的面型；梯度折射率材料和阵列透镜等等。程序的非顺序面光线追迹功能可

5、以方便地处 理屋脊棱镜、 角反射镜、导光管、光纤、谐振腔等具有特殊光路的元件；而其多重结构的 概念则包括了常规变焦镜头，带有可换元件、可逆元件的系统，扫描系统和多个物像共轭的 系统。40 多年来，世界各地的用户已成功地利用 CODE V 设计研制了大量照相镜头、显微物 镜、光谱仪器、空间光学系统、激光扫描系统、全息平显系统、红外成像系统、紫外光刻系 统等等，举不胜举。近几年内，CODE V 软件又被广泛地应用于光电子和光通讯系统的设计 和分析。 光学设计的第一步是要为系统确定合理的初始结构。为此 CODE V 提供了独有的 “镜头魔棒”功能，用户只需输入所要设计的系统的使用波段、相对孔径、视场

6、、变倍比等 参数，软件即可从自带的专利库中找出对应的结构以供选择。 CODE V 软件中优化计算的评价函数可以是系统的垂轴像差、波像差或是用户定义的其它指 标，也可以直接对指定空间频率上的传递函数值进行优化。经过改进的阻尼最小二乘优化算 法用拉格朗日乘子法提供既方便又精确的边界条件控制。除了程序本身带有大量不同的优化 约束量供选用外，用户还可以根据需要灵活地定义各种新的约束量。此外，以往的优化算法 无法克服存在于光学系统结构参量的高度非线性解空间中的大量局部极小，故此自动设计的 结果是一个与初始参数接近的像质相对较好的结构，而不一定是全局最优设计。为解决这一 问题，ORA 公司在 CODE V

7、 软件中加入了强大的全局优化功能（Global Synthesis）。这种被该公司严格保密的算法不仅可以跳出局部极小继续在解空间中寻找更佳设计，而且可以在 优化结束时将找到的满足设计要求的各种完全不同的结构形式一一列出供使用者根据实际需 要选择。这是目前世界上唯一证实可行并已实用化的全局优化程序，其优化能力在国际上遥 遥领先。四年一届的国际光学设计会议是本领域影响最大的专业技术研讨会，在 90 年代以 来的近几届会议中，组织者每次都向世界上各有关单位和专家发出一个设计竞赛题目，而每 届收到的参赛结果的前几名都是用 CODE V 软件优化设计出来的，充分说明 CODE V 的优化功 能已经成为世

8、界各地光学设计专家的得力工具CODE V 提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像 差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、 衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、一维物体成像 模拟等多种独有的分析计算功能。CODE V 拥有世界上最先进、最完整的公差分析子程序，可以针对均方根波像差、衍射传函、 主光线畸变或用户定义的评价指标进行公差分配。在公差计算中可以使用像面位移、倾斜、 垫圈厚度等各种补偿参教来模拟系统装校过程中的调整。同时，提供了与 Zygo 或 Wyko 干涉 仪的接口。如果与上述

9、干涉仪联用，可以实现对复杂光学系统的计算机辅助实时装调。其它 与系统制造有关的功能包括自动对样板、国际标准和中国国标加工图纸绘制、成本估算等。CODE V 内包含了与光学设计有关的各种功能子程序，如多层膜设计、照明系统设计、变焦 系统凸轮设计、系统整体光谱响应分析等等，是一个集大成的大型光学工程软件包。CODE V 软件带有一个功能强大的宏语言，叫做 Macro-PLUS。这是一个可在软件内部使用的 现代高级编程语言，用户可以用它根据需要对软件进行扩充和修改；访问程序中的各种数据； 定义自己的变量、数组和函数；设计各种新的运算功能；实现独特的文字和图形输出；以至 进行磁盘读写等等，从而使用户得

10、到最大限度的灵活性。CODE V 提供了一个不断增加的宏 程序库。此外，CODE V 还可以通过 IGES 或 DXF 图形文件实现与机械 CAD 软件的接口。针对不同用户的需要，CODE V 提供图形界面和指令模式两种可以同时使用的运行方式。软 件配有详尽的用户指南（共三卷，其中含有大量应用实例）；方便的屏幕提示和大量精美的、 可直接用于设计报告的图形输出，使用非常方便。从 8.50 版起，北京理工大学协助 ORA 公 司将中国玻璃库的国标数据加入了 CODE V 软件，用户可以直接调用。OSLOOSLO 是一套标准建构系统及最佳化的光学软件。 最主要地，他是用来决定光学系统中最佳 组件的大

11、小和外型，如照相机、客户产品、通讯系统、军事/外层空间应用以及科学仪器等。 除此之外、他也常用于仿真光学系统性能以及发展出一套对光学设计、测试和制造的专门软 件工具。1OSLO 概述 OSLO 是 Optics Software for Layout and Optimization 的缩写。 OSLO 主要用于照相机、 通讯系统、军事/空间应用、科学仪器中的光学系统设计，特别当需要确定光学系统中光学 元件的最佳大小和外形时，该软件能够体现出强大的优势。此外，OSLO 也用于模拟光学系 统的性能，并且能够作为一种开发软件去开发其他专用于光学设计、测试和制造的软件工具。2OSLO 的设计能力 几

12、乎任何一个涉及到光波传播的光学系统都可以使用 OSLO 进行设计，以下是一些典型的应 用示例： 常规镜头 Conventional Lenses 缩放镜头 Zoom Lenses 高斯光束/激光腔 Gaussian Beam/Laser Cavities 光纤耦合光学 Fiber Coupling Optics 照明系统 Illumination Systems 非连续传播系统 Non-Sequential Propagation Systems 偏振光学 Polarization-Sensitive Optics 高分辨率成像系统 High-Resolution Imaging System

13、s 此外，OSLO 还可以设计具有梯度折射率表面、非球面、衍射面和光学全息、透镜矩阵、干 涉测量仪等光学系统。OSLO 不适于波导设计，也不适于眼镜设计。 3OSLO 的主要特征 OSLO 是一个具有上千条内部命令和函数的非常大的程序，而且， OSLO 的可执行模块能够 被用户按规则进行修改和重新编译，因而，其功能非常强大。以下是 OSLO 的一些总体特征 概括：具有透镜和材质数据库 Lens and Material Databases 具有特殊表面数据 Special Surface Data 缩放和多配置系统 Zoom and Multiconfiguration Systems透镜矩阵

14、和非连续组件 Arrays and Non-Sequential Groups 特殊孔径 Special Apertures 公差和元件数据 Tolerance and Element Data 偏振和光学薄膜 Polarization and Thin Film Coatings光线追迹 Ray tracing 衍射和部分相干 Diffraction and Partial Coherence优化方法 Optimization Methods 误差分析 Tolerance Analysis激光、光纤和高斯光束 Lasers, Fibers, and Gaussian Beams 照明系统 I

15、llumination Analysis完美透镜 Perfect Lenses and Eikonals 4OSLO 与其他软件的比较 尽管大多数光学设计软件具有一定的相似性，但是在功能上和设计方法上还是存在很大的差 异。OSLO 在光学设计的“竞争”中已经成为一个主流的光学设计软件。虽然 OSLO 的历史可 以追溯到二十世纪六十年代早期，但是它在本质上是一个面对对象的 windows 程序，具有 唯一的内置应用程序管理器/编译器，在桌面计算机上能够提供非常高的性能。 5OSLO 的主要优点 以设计者为导向的设计风格。 OSLO 着重交互性的光学设计，在设计过程中，计算机向设计者提供容易理解的

16、反馈信息。这使得设计者能够及时作出取舍决定，选择最佳的解决方 案。 OSLO 在使用交互性设计控制方面是独特的，这使得它的用户界面尽可能的直观。 功能强大并且精确度高。 OSLO 使用先进的光学设计技术，包括多重优化和公差方法， 高性能非连续光线追迹和随机的光源建模与分析。OSLO 是第一个出现在桌面计算机上使用 的严格的光学设计软件，并且与其他软件相比更得到广阔的发展。 灵活性强。 OSLO 能够在世界范围内成为主导的设计工具的一个主要原因是，它很容易 根据用户需要进行定制，并且能够将程序改编成特殊的需要。这是因为 OSLO 使用先进的软 件技术，将 Windows 的功能带进技术计算领域。事实上，OSLO 提供的 CCL 语言相对于 Sun 公司的 Java 语言或 Microsoft 的 Visual Basic 以及其他光学设计软件的宏语言具有 更好的灵活性LENSVIEWLENSVIEW 为搜集在美