光学设计软件介绍

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1、ZEMAX 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.等，也可存成文字文件*.txt ；优化：

2、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。CODE 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、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

3、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1963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

4、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：1. 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

5、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、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。2CODE V 软件中优化计

6、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

7、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 功能已经成为世界各地光学设计专家的得力工具3CODE 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

8、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。4CODE 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

9、、国际标准和中国国标加工图纸绘制、成本估算 等。5CODE 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。6. 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

10、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。OSLO 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

11、套对光学设计、测试和制造的专门软 件工具。1. OSLO 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。2. OSLO 的设计能力几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 Convention

12、al 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 Systems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

13、，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 透镜矩阵和非连续组件 Arrays and Non-Sequential Groups 特殊孔径 Special Apertures公差和元件数据 Toler

14、ance 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 Illumination Analysis完美透镜 Perfect Lenses and Eikonals4OSLO 与其他软件的比较尽管大多数光学设计软件具有一

15、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 的主要优点囹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。囹功能强大并且精确度高。OSL

16、O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。囹灵活性强。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ASAP 是功能强大的光学分析软件，是专为仿真成像或光照明的应用而设计，让您的光学工 程工作更加正确且迅速。让您在制作原型系统或大量生产前可以预先做光学系统的仿真以便 加快产品上市的时间。传统描