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1、ZEMA光学软件培训课程,ZEMA简介,ZEMA是一个使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。 ZEMA的光学设计功能体现在使用序列模式设计传统的光学成像系统，平衡优化成像系统的像差，分析评价成像质量，给光学系统分配合适的公差等方面。 ZEMA的仿真功能体现在使用非序列模式、物理光学传播、热分析等功能模拟和仿真实际的光学系统方面。 ZEMA有三种版本：ZEMA-SE（标准版）、ZEMA-E（扩展版）、ZEMA-EE（工程版）。只有ZEMA-EE的功能最为全面。,ZEMA应用,ZEMA可以用于相机镜头、望远镜、显微镜、 照明系统、显示系统、干
2、涉仪、光通讯器件等 各光学系统的设计和仿真,ZEMA软件和使用手册都不会教您如何设计镜头和光学系统。ZEMA功能是很强大，但是把握和引导光学系统的设计、优化方向，判断系统性能的只能是你。如果你对光学设计感兴趣，推荐书单：,ZEMA不能做什么？,*这次的ZEMA软件培训目的是尽我的能力，给大家展示ZEMA的强大功能，跟大家一起学习如何使用这些功能。,使用ZEMA的三种方式,Completely sequential： *应用于传统的镜头设计和大多数的成像系统 *应用这种模式时不能进行散射和鬼象分析 Hybrid sequential/non-sequential *应用于有很多序列元件，又有一些
3、非序列元件（比如棱镜或光管）的系统 *必须使用“ports”作为光线进出非序列元件组的端口 Completely non-sequential *应用于照明、散射和杂光分析。光线沿任何物理上有效的路径传输 *这种模式下非序列元件不使用“ports”,Completely sequential,以光学面（surface）为对象来构建光学系统模型； 光线从物面开始（常为surface 0） 按光学面的顺序计算（surface 0,1,2），对每个光学面只计算一次； 每个面都有物空间和像空间； 需要计算的光线少，计算速度快； 可进行analysis,Optimization及Tolerancing,
4、Hybrid sequential/non-sequential,所有object都是3D shell or solids； 每个object都在一个空间坐标系中定义了其特性； 光线从input port进入non-sequential group；从eit port离开NS group； 光线在NSC中一直追迹，直到它遇到下列情况才终止： Nothing Eit port 能量低于定义的阈值。 忽略NS group内的光源和探测器； 进入NS group的光线的特性，由序列性的系统数据，如视场位置和瞳的大小等决定。,Completely non-sequential,所有object都是3D
5、 shell or solids； 每个object都在一个空间坐标系中定义了其特性； 需要定义光源的发光特性和位置，定义detector收集光线； 光线一直追迹，直到它遇到下列情况才终止： Nothing， 能量低于定义的阈值。 计算时光学元件的相对位置由空间坐标确定；对同一元件，可同时进行穿透、反射、吸收及散射的特性计算； 无法作优化,要进行公差分析必须实用macro； 这种情况下，可以对光线进行分光，散射，衍射，反射，折射。,序列模式和非序列模式的比较,序列模式 以surface为对象建模 指定光线与面相交的顺序 光线与每个面只相交一次 光线不会分光 镜面反射 光线不能超过临界角 通过孔
6、径外的光线必须渐晕 Surface的位置由前一个面的参数确定 每个面都有物空间和像空间 计算的光线少，计算速度快 可进行优化和公差分析,非序列模式 以object为对象建模 不限制光线与面相交的顺序 光线与同一个面可相交多次 光线不会分裂 镜面反射和漫反射 可以是全反射 在object外的光线也可进行光线追迹 object的位置由全局坐标确定 所有空间都是等价的 计算的光线多，计算速度慢 不能使用优化和默认的公差分析（可用Macros分析公差）,ZEMA的用户界面,ZEMA的用户界面有四种允许输入和分析系统数据的窗口： Editors 定义和编辑光学表面和其他数据 Graphic window
7、s 显示图形数据 Tet windows 显示文本数据 Dialog boes 编辑和回顾其他窗口或系统的数据，或者用来报告错误信息和其他的一些 目的。,Editors,ZEMA中的editors本质上是为满足透镜设计程序而专门设计的电子数据表： Lens Data Editor 输入基本的镜头数据，包括表面编号、注释、表面类型、表面曲率半径、厚度、玻璃、口径半径、二次常数、热膨胀系数和膜层数据 Merit Function Editor 在这里定义和编辑优化函数 Multi-Configuration Editor 给变焦距透镜和其它的多结构系统定义参数变化表 Tolerance Data
8、Editor 定义和编辑公差 Etra Data Editor 一个扩展的透镜数据编辑器，为那些需要很多参数才能定义的表面准备的，比如表面类型Binary 2 Non-Sequential Components Editor 在这里定义光源、光学对象、探测器,Graphic and Tet windows,ZEMA的图形和文本窗口都为评价和分析光学系统的性能提供了有力的帮助。 ZEMA的有些功能只支持图形窗口（比如layout，3D layout） ，有些功能只支持文本窗口（如System Data，Prescription Data，Ray Trace，Seidel Coefficients
9、），有些功能既有图形窗口也有文本窗口（如Ray Fan，OPD Fan，Spot Diagram） 对于后者，除了图形窗口，如果你要查看文本窗口的内容，点击菜单栏中的“Tet”,用来编辑其他窗口或系统的数据，比如General，Field Data，Wavelength Data，Glass Catalog，Lens Catalogs,Dialog boes,序列模式,这种模式下的光学设计和仿真可按照下列步骤进行： 1.输入系统数据 2.输入透镜数据/修改透镜数据 3.检查、分析模型，考虑是否修改透镜数据或者考虑优化方向 4.优化、评价模型性能 5.公差分析 6.出报告、画工程图 设计过程中，
10、第3步的结果不好的话，你可能需要返回到第2步重复设计；第4步完成后达不到期望的性能，也需要返回到第2步重复设计，直到设计结果能满足需求；但是即便如此，你也只得到了一个停留在纸上的设计方案，只有在进行了公差分析，证实这个设计是可以加工和装配的，设计才算基本完成，否则还是要回到第2步重复整个过程。,数据编辑器,系统数据,需要设置三个Dialog boes： General (Gen) -通常需要设置孔径类型、孔径大小、透镜长度单位、玻璃库等 Field Data (Fie) -选定视场角的类型，设置视场角大小 Wavelength Data (Wav) -入射需要用到的波长，以及权重，设定哪个波长
11、是参考波长,Gen,Aperture决定了系统的入光量的多少。 EPD-入瞳直径；Image space F/#-无限物距时，象空间的近轴F数；Object space NA-有限物距时，物空间数值孔径；Float By Stop Size-根据孔径光阑的大小变化；Paraial Working F/#-无限远或有限远物距时，象空间的近轴工作F数；Object Cone Angle有限物距时，物空间边缘光线与光轴的夹角,容易混淆的概念：Image Space F/#；Paraial Working F/#; Working F/#,Paraial Working F/#：,Working F/
12、#：,Paraial Working F/#计算公式中的是近轴边缘光线与光轴的夹角； Working F/#计算公式中的是实际边缘光线与光轴的夹角 下面看一个例子：eample for F-number.zm,Working F/#=1/2sin(5.76436)=4.97822391 Paraial Working F/#=1/2tan(arccos(0.9950372)=5.00000496,切趾分布,General对话框中有一项设置apodization type-切趾分布，它实际是定义了入瞳处的光照分布。,Apodization type可以选择none，表示均匀照明；可以选择gaus
13、sion，表示高斯照明；可选tangential，用来模拟点光源照明平面时照度向外衰减的特性,建议一个近轴的光学系统，更改切趾的类型，观察FFT点传递函数的图像。例子：apodization.zm,均匀切趾，圆形平顶函数的傅立叶变换是贝塞尔函数,高斯切趾，切趾因子3。高斯函数的傅立叶变换还是高斯函数,Fie,ZEMA支持4种不同视场形式： Field angle: Z和YZ平面上主光线与Z轴的夹角。常用于无限共轭系统。 Object height: 物面上，Y高度。常用于有限共轭系统。 Paraial Image height: 像面上的近轴像高。用于需要固定像的大小的设计中（只用于近轴光学系
14、统中） Real image height: 像面上实际像高。用于需要固定像幅的设计中（如camera lenses）。,VD,VDY,VC,VCY,VAN是用来设置渐晕因子的,Wav,ZEMA最多允许定义12个波长，必须指定参考波长，可以根据不同波长的重要性，设定不同的权重。 波长的单位为微米。 Select-功能可以选择多种默认的波长,Lens Data Editor,一定存在的3个表面：OBJ、STO和IMA 可以随意插入更多的表面 每个表面都包括的数据有：表面类型、注释、曲率半径、厚度、玻璃牌号、表面的半口径、二次常数、保留的参数0-12、热膨胀系数和膜层参数,表面数据的符号规则：曲面
15、左凸为正，右凸为负；高度向上为正，向下为负；角度从光线向光轴，顺时针锐角为正，逆时针为负；厚度向右为正，向左为负,表面数据的符号规则,球透镜的例子,在ZEMA中输入一个直径5mm的球透镜，玻璃材料K9，Layout如下： 例子：ball lens.zm,需要设定孔径类型、透镜长度单位、视场类型、使用的波长 需要在Lens Data Editor中插入表面，根据符号规则输入适当的参数 使用M-solve找到近轴焦平面,：在ZEMA中输入一个入瞳直径33.33mm的双高斯镜头。视场角设定0度、10度、14度，采用波长0.486，0.587，0.656，参考光为0.587，Layout如下：,表面的
16、曲率半径依次为54.15，152.52，35.95，infinity，22.27，infinity，-25.68，infinity，-36.98，196.42，-67.148；玻璃和空气间隙的厚度依次为：8.75，0，14，3.78，14.25，12.42，3.78，10.83，0，6.85，57 例子：Double Gauss.zm,Surface Type,1.提供了近60种的光学曲面面形，主要类型有： 平面、球面、标准二次曲面、非球面、光锥面、轮胎面、折射率渐变面、二元光学面、光栅(固定周期和变周期)、全息衍射元件、Fresnel透镜、波带片等。 2.还提供了User Defined Surface。 用户只需要按照它的语法规定，用C+语言编写DLL文件与ZEMA相连接就可以建立自己需要的面形。,Toroidal surface,环形表面是YZ平
