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1、1ZEMAX文档背景：大部分光学仪器都不是在理想条件下使用的，大多受到外界条件或安装时的影响，从而改变了玻璃自身的一些性质以及玻璃在仪器中的位置。如温度及压力的变化会引起玻璃的折射率、曲率半径、厚度的变化；安装玻璃时，使玻璃产生一个位移，这些参数的变化将引起成像质量的波动，因此需要对设计好的结构进行温度和压力分析。高精密的空间光学仪器必须在严酷的空间环境下具备可靠的光学性能。这些空间环境体现在火箭发射阶段的冲击、振动、过载环境和在轨运行的空间微重力环境及空间热环境，使光机结构中产生刚体位移和表面畸变, 对光学系统必将造成光学误差, 影响成像质量, 甚至有时还会导致光学系统失效。透镜受力的各种情
2、况： 透镜装入镜框内通过注胶外加压板受到的压力 受到透镜自身重力的作用 地域的改变造成气压的改变从而对透镜压力的改变 进入不同的环境如在水里进行拍照、录像目标：步骤1：将理想的玻璃（未受外界条件影响）参数输入ZEMAX中得到一个分析文件。2步骤2：利用有限元分析软件将玻璃受到外界条件影响转变成玻璃的具体位移以及外界给玻璃的具体压力（玻璃自身参数的改变）。步骤3：改变玻璃的几何变化使其产生的变化等效于步骤2中位移和压力产生的变化。步骤4：生成程序（输入力和位移的变化，程序自动生成新的变化）ZEMAX简介 ZEMAX 是一套综合性的光学设计软件，集成了光学系统所有的概念、设计、优化、分析、公差分析
3、和文件管理功能。ZEMAX所有的这些功能都有一个直观的接口，它们具有功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。 ZEMAX 有三种不同的版本：ZEMAX-SE（标准版）；ZEMAX-XE（扩展版）；ZEMAX-EE（工程版）。有些功能只在EE版本中才具有。ZEMAX 可以模拟序列性（Sequential）和非序列性（non-sequential）系统，分别针对成像系统和非成像系统。用于光学组件设计及照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、绕射等光学模型 。 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等，也可存成文字文件*.tx
4、t。1.ZEMAX是什么？3ZEMAX是用光线追迹的方法模拟折射、反射和衍射的序列及非序列光学系统的透镜设计程序。ZEMAX用“面”的概念模拟序列光线追迹，用“组件”或“物体”的概念模拟非序列光线追迹。2.ZEMAX能做什么？ ZEMAX是一个程序，它能够建模、分析以及辅助设计光学系统。3.ZEMAX不能做什么？ZEMAX只是一个工具，它不能教会你如何设计镜头和光学系统，使用工具的你才是设计师；ZEMAX不能取代工程实践，设计师的责任是检查ZEMAX模拟结果的合理性与可行性。4.ZEMAX在设计中考虑及忽略的是什么？ZEMAX中考虑的是：精确的光程；反射和折射；光程差和相位；像差和图像形态；偏
5、振；薄膜的透过率和吸收率；散射；静态分光。ZEMAX中忽略的是: 透镜边缘的衍射。ZEMAX的用户界面ZEMAX有不同类型的窗口，每类窗口完成不同的任务。这些类型有： 1.主窗口：这个窗口有很大的空白空间，顶端有标题栏，菜单栏和工具栏。菜单栏中的命令通常与当前的光学系统相联系，成为一个整体。2.编辑窗口：有六种不同的编辑1）透镜数据编辑；2）绩效函数编辑；3）多重结构编辑；4）额外数据（ZEMAX-EE）； 5）公差数据编辑；和非顺序组件编辑（ZEMAX-EE）。3.图形窗口：4这类窗口用作呈现图像数据，例如：系统图；光线扇形图（Ran fan）；光学传递函数（MTF）；曲线（Dot Spot
6、）等等。4.文本窗口：用来列出文本数据，例如：指定数据、像差系数、计算数据等。5.对话窗口：对话框是弹出窗口，不能改变大小。对话窗口用来改变选项和数据，如：视场；波长；孔径光阑；表面类型等。在图像和文本窗口中，对话框也被广泛地用来改变选项，比如改变系统图中光线的数量。除了对话框，所有窗口都能通过使用标准鼠标这键盘按钮进行移动和改变大小。如果你对这些方法不熟悉，请参考有关Windows 使用的书籍或者Windows 的说明书。学到的知识光学系统模型（以单透镜为例）的建立：第一步：输入系统参数，这些设罝的参数包括： System data specitification System apertu
7、re Filed point Wavelength第二步：输入透镜资料 The obiect surface（OBJ）:设置光线的起始点 The front surface of the lens（STO）：光线进入LENS的位置 The back surface of the lens（2）：光线从lens出来并进入空气中的位置5 The image surface（IMA）:光线追迹最后停止的位置，不可以在IMA这个之后设置任何的表面第三步：输入透镜参数，这些设罝的参数包括： The radius of curvature: 面的曲率半径，根据符号规则确定符号； The thickness
8、 of the surface: 到下个面的相对距离，满足符号规则（用local坐标系）； The glass type of the surface: 可以直接输入玻璃的名称，也可以输入折射率和色散系数（如果是空气，则为空格）； The semi-diameter of the surface(optional)：面的孔径； Other data（parameter or extra data）: 描述面形的参数。光路计算与优化计算：对于zemax来说，只要正确输入设计参数，程序就可以算出结果，并显示在相应的编辑表中，优化计算同样如此。像质评价：可以从zemax报告中直观显示，如要准确数值可
9、调出相应的文本编辑表进行详细分析。如何设计倾斜的球面镜射?6透过tools中的Coordinates可以设罝倾斜座标。在欲倾斜的表面（群）前后加入表面型态为Coordinate Break的表面，并设罝欲倾斜的程度，即可于轴对称系统中加入倾斜系统。请注意倾斜与位移（离轴）的先后顺序。一下两图是改变透镜位移后的变化7为何ZEMAX有时在Layout中所绘出的光线好像不正确；例如光线没有打到孔径光栏（Aperture Stop）？大部分光线没有打到光栏或者光线追迹怪异的原因，是由于光栏表面设在Coordinate Break的表面之后。所以必须避免将光栏设在Coordinate Break的表面之
10、后。可试着在Coordinate Break的表面之前插入一个哑表面，并将光栏设在此哑表面上。此外ZEMAX默认的Ray Aiming模式为Off，意指光线会往物方Z轴上的近轴入瞳追迹。8假如在系统里设罝一个实际的光栏，这时可以试着在System-General的对话框中，选择Ray Aiming模式为On。为何在ZEMAX中建立系统参数时，在表栏编辑器上会出现星号呢?通常在LDE ( 透镜资料编辑栏 ) 中，星号会出现在Surface Type的序列编号上，这表示定义了表面的Aperture性质或者有自行定义Semi-Diameter的大小，而在MCE ( 多组态编辑器 ) 中，星号会出现在
11、Config的多组态编号上，这表示是正在此结构状态下进行编辑。ZEMAX中的一些重要的中英对照:镜头数据(Lens Data); 近轴光线 （Paraxial Rays）;光圈类型 （Aperture Type); 外形图(Layout);入瞳直径 （Entrance Pupil Diameter）; 视场 （Fields）;全局坐标参考面 （Global Coordinate Reference Surface）;外形图(Layout); 离焦(Through Focus);全视场(Full Field);二维外形图(2D Layout); 光瞳像差(Pupil Abberation);离焦
12、(Through Focus);全视场(Full Field);3D外形图(3D Layout); 光线像差(Ray Aberration);坐标轴(Coordinate axes)光轴为Z 轴，正方向为光线由物方开始传播的方向。反射镜可以使传播方向反转。坐标系采用右手坐标。在标准系统图中，弧矢面内的X轴指向显示器里面。子午面内的Y轴垂直向上。 通常传播方向沿着Z 轴正方向从左至右。当有奇数个反射镜时，光束的物理传播沿Z方向。因此，经过奇数反射镜之后所有的厚度是负值。9成像面移至焦点处ZEMAX可以把焦距直接找出，对于透镜的焦距，软件会自动根据使用者所设计的镜面自动算出。在软件功能表中选择Tool Quick Focus 或用Ctrl+Shift+Q 鍵，于Quick Focus 视窗中按下OK，则程式便会抓取焦距成像位置。一个具体问题 假设透镜不在水底拍照录像时是理想条件；将理想的玻璃参数输入ZEMAX中得到一个分析文件。 潜水员在水底拍照录像，透镜受到水压的作用，会引起玻璃的折射率、曲率半径、厚度的变化以及透镜在镜筒中一个微小的位移。可以用有限元软件进行结构分析，模拟透镜在水中的受压情况，求出玻璃的位移。 改变玻璃的几何变化使其产生的变化等效于因水的压力而产生的位移的变化。
