产品概述

 

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、公差分析和文件整理功能。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。

 

三个不同版本：标准版，专业版，旗舰版

 

Zemax有三种不同的版本：Standard、Professional和Premium。其中Standard是标准版，包含大部分工具，用于成像系统的序列光学系统的设计；Professional是专业版，包含非序列光学系统设计、偏振光线追迹、物理光学分析、标准版中所有的功能；Premium是旗舰版，包含所有的工具及资源，适用于更高级专业用户。包含ParkLink™、AssemblyLink™、光源模型库、高级光路分析以及闪电追迹等等。

 

Zemax在最新版本中新增了订阅版，订阅版中包含TRUEFREEFORM、格点选择优化、导出为点云、快速良率分析、公差直方图、公差良率分析高良率优化、体全息光栅和表面浮雕光栅设计、RCWA可视化、数据库设计模板等功能。

 

并不是Zemax所有的功能都在本文中提到。如果特殊的或您所需要的功能没有列出，请致电：深圳波长光电科技有限公司获得更多信息。

 

 

 

产品用途

 

应用领域及范围

 

● 显微镜、望远镜、目镜等镜头设计等

 

● 相机镜头、各种变焦镜头、手机摄像头、夜视系统设计等

 

● 各种LED二次配光透镜，色度分析及颜色混合优化等

 

● 车灯、LCD 背光板和LED等照明系统设计优化

 

● 光管、光纤连接器，无源器件、光纤耦合

 

● DVD、VCD 激光读写头、干涉仪、全息光学

 

● LCOS、DLP等各种投影仪及光学引擎设计

 

● 物理光学BPM计算，偏振光学

 

● 激光光学系统，激光扩束镜、F-theta扫描镜头设计，整形镜头设计

 

● 机器视觉镜头，远心镜头设计

 

● VR、AR镜头，HUD光学系统设计

 

 

产品功能

 

序列（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，每一个面间都定义了媒质的边界，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。序列性光线追迹对于这些系统有很多优点，如光线追迹速度快、适合多数面的形状和性质，可以直接优化和进行公差预算。新版本中对高精度光线瞄准算法做了改进。

 

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。

 

 

对比度优化 （专业版与旗舰版）

 

用最新的对比度优化功能精准的优化光学系统的MTF，速度提升至少30倍。

 

Zemax开发出了新的优化方法，称为对比度优化，此方法基于Moore-Elliott 理论，能够针对目标空间频率，有效地把MTF优化到最佳。这个开创性的方法以新的评价标准（Criterion）的形式被加入到优化向导中。如果用户使用这个评价标准建立评价函数，将会看到编辑器中被自动加入MECS、MECT、MECA、MECX以及MECN等操作数。

 

 

MTF的优化尤其适用于可设置截止频率的探测器上成二维影像的情形，因为我们可以牺牲高频来提高低频的MTF，而这些高频是无需考虑的。过去对MTF进行优化，必须先计算MTF然后再优化，带来的问题是优化速度较慢，且容易失败。而对比度优化可以更精确的优化MTF，用户在设计初期、系统像差较大的情况下也可使用这个方法。此外，对比度优化与直接计算并优化MTF相比，最高可提速50倍，对比度优化可显著降低设计所需时间。
用户可以在序列模式的优化向导中找到这个新的对比度优化工具。优化向导可以从菜单选项的 “Optimize” 中找到。或在评价函数编辑器中，展开选项 “Wizards and Operands”即优化向导 。

 

 

超过200个视场点 （旗舰版）

 

通过设置超过200个视场，精准模拟并设计高度复杂的自由曲面系统

 

在之前的OpticStudio版本中，序列模式中下只可设置12个视场。OpticStudio17旗舰版中，用户可以使用超过200个视场。

 

 

通过设置超过200个视场，用户可以精确地设计、模拟并分析高复杂度的自由曲面系统的公差。需要更多视场的原因是通常自由曲面需要非常高的取样密度，以仿真不同视场下不同的波形以及像差的变化。现在，通过在同一个结构中设定超过200个视场，我们可以更简单的建立多重结构系统，来仿真温度、气压或是变焦位置的变化。请注意，在System Explorer窗口中与各类分析绘图工具里，目前仅显示前12个视场。

 

最小/最大MTF 操作数（所有版本）

 

使用最小/最大MTF 对评价函数进行简化，并确保所设计的系统符合所需MTF 指标

 

用户可以在评价函数中使用新的MTF 操作数显示子午方向及弧矢方向最大或最小的MTF 响应。在之前的OpticStudio 版本中，用户只能返回弧矢值、子午值或是平均值，而至少需要三个操作数才能返回最大最小MTF。

 

 

全视场像差分析（专业版和旗舰版）

 

通过对您的系统进行全视场分析，观测不同类型的像差是如何降低您系统的光束或成像质量，极大地增进了您在自由曲面领域的设计体验

 

在现如今的光学系统中，自由光学曲面是至关重要的一环，在虚拟现实或增强现实系统中均有大量应用1。在新增的全视场像差分析功能中，可以显示在整个XY视场中的像差及其对于降低成像质量的影响。有了此项功能，您可以如同分析其他常规序列模式系统一样，对自由曲面系统进行分析，验证全视场范围内像差的变化情况，从而得到修正这些像差的思路。

 

 

全视场像差分析展示了全视场内采样点上的Zernike系数。也可用此计算所有采样点每一项Zernike的平均值。 除了伪彩色之外，还可以选择图标或其他多种色彩选项来展示这些数据。图标展示选项将会同时展示像差幅度的绝对值以及像差的方向。色彩展示选项可以展示具有负幅度的值，但不能展示出像差的方向。

 

全视场像差分析功能位于分析选项卡的像质分析部分内。在像差分析菜单和波前图菜单内均可找到。同时，该功能也可以在分析选项卡下，应用分析部分的PAL/Freeform分析内找到。

 

 

表面斜率分析（所有版本）

 

通过对表面斜率分析和使用操作数进行控制，有助于约束自由曲面，以提高可制造性

 

为了更好地支持现代制造过程和约束，OpticStudio 20.1增加了一个新的表面斜率分析，以及对应的操作数SSLP。这种分析功能类似于曲率分析，可以查看任何表面的子午、弧矢、X和Y斜率。表面斜率分析可以在Analyze Tab > Surface > Surface Slope/Surface Slope Cross Section下找到。

 

 

TRUEFREEFORM™面型（旗舰版，订阅版）

 

前沿自由曲面技术，利用格点优化

 

TrueFreeFormTM面型将自由曲面定义为在双锥面项、偶次非球面项、扩展多项式项和泽尼克标准矢高项上组合矢高点网格。该面型允许用户将任何这些项添加到已经定义的表面（通过转换工具Make TrueFreeForm）并通过网格点选择器工具对矢高点网格中的特定截面进行优化。真自由曲面能够创建以前仅使用参数化表面无法创建的表面。

 

 

公差柱状图（专业版和旗舰版，订阅版）

 

一种新的分析，可显示任何公差运行的数据柱状图

 

在OpticStudio 20.2中添加了一个公差柱状图，它显示公差运行期间任何补偿器、公差操作数或报告值的柱状图。该功能可在公差选项卡>Histogram中找到。

 

 

数据库设计模板（所有版本，订阅版）

 

轻松快速地为您的系统找到一个起点

 

设计模板为您提供了一种简单方便的方法来搜索与您正在寻找的基本参数相匹配的起始系统。您可以基于处方数据中的任何信息进行搜索。设计模板可以在数据库选项卡>设计模板中打开。

 

 

体全息光栅和表面浮雕光栅的DLL（旗舰版，订阅版）

 

使用新用户定义表面来模拟衍射效率

 

新增DLL包括US_HOLOGRAM_KOGELNIK.DLL、SRG_TRAPEZOID_RCWA.DLL、SRG_STEP_RCWA.DLL、SRG_GRIDWIREPOLARIZER _RCWA.DLL。使用这些DLL可以对体全息光栅、梯形光栅、阶跃光栅、网格线偏振光栅进行建模，并计算其衍射效率。

 

用户扩展：RCWA可视化（旗舰版，订阅版）

 

一种新的RCWA衍射dll的可视化方法

 

使用这个用户扩展，srg_trapezoid_RCWA.DLL, srg_GridWirePolarizer_RCWA.DLL,和 srg_step_RCWA.DLL可以在OpticStudio中可视化。这个用户扩展可以在编程选项卡>用户扩展> RCWAvisualization中打开。

 

 

非序列（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对象等。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 光学组件，可以是任意的形状。支持散射、衍射、渐变折射率、偏振和薄膜。Zemax非序列性分析采用光度学和辐射度学的单位。

 

Zemax现在能够在序列和非序列两种模式下完成双折射光线追迹，这样可以理想的模拟偏振镜的消光比，滤波片的离轴传播等等。

 

PartLinkTM 与 SolidWorks 、CreoParametric 等动态链接

 

合理的CAD工作流程，缩短新模型构建的周期。用户可以在Zemax中动态修改SolidWorks的文件，消除了3D模型文件导入导出产生的编译误差。

 

内建Radiant Source ModelsTM 库

 

在真实测量数据的基础上，建立强大的设计理念。拥有200多个光源模型，囊括了所有主要的生产制造商。采用定制光线的优化结果可以直接由Radiant Source Model™生成。

 

 

光路分析

 

消除系统中不必要的光路。Zemax可以通过分解光路，实现闪耀、眩光等一系列砸散光路的剔除。使用可视化列表格式，快速检查设计模型、光路以及能量分布。

 

物体脚本编辑器 – 3D几何构建

 

通过脚本物体编辑器，快速直接的创建自定义的物体模型，灵活方便的设定3D几何模型的参数以及参数的优化。同时支持模型导入SolidWorks。

 

 

混合序列系统

 

Zemax还可以在同一个系统中使用Sequential 和Non-sequential 光线追迹模式。序列的光学面可以和任意形状、方向或位置的非序列物体混合在一起。这样可以集中两者的优势用Zemax这种理想的工具建立任意的光学系统。

 

光源

 

在Sequential 和Non-sequential 分析中，Zemax支持不同种类的光源。

 

 

Sequential 的光源

 

在Sequential 追迹中，光源由物面上的视场或bitmap 扩展光源定义。有传统的点光源，视场点可由角度、物高、实际像高或近轴像高定义。点光源可以用不同权重定义，还可以分别指定每个光源的渐晕。从而可以调整不同视场的相对照度或F/#。

 

Zemax 也支持像散或椭圆形状的二极管光源。光源的角度可以扩展到360度。

 

还有扩展光源。这些光源是用户用ASCII 码自己定义的，它类似于bitmap 图形，或用标准的Windows BMP 或JPG 格式。各个像素上的光强可以不同。

 

原生布尔物体（专业版和旗舰版）

 

在通过布尔结合的非序列物体内，进行更快速度、更高精度以及更可靠的光线追迹

 

该全新非序列物体提供了显著改进的光线追迹算法，可使得系统模拟的速度最大提升至之前的十倍。正是如此，可以使您能做出明智的设计决策，并尽可能快地评估原型样机迭代。

 

原生布尔物体是较之前布尔物体，使用更快更精准的光线追迹算法的全新非序列物体。在原生布尔物体中，光线追迹算法利用原生父物体定义的高精度表面代替了将其转化为NURBS表示。在此情况下，原生布尔物体内的光线追迹速度有显著提高（最高可达原速度的十倍），并且精度比以前的布尔物体更高。

 

 

拥有原生布尔物体之后，您可在OpticStudio原生的、具有体积的非序列物体上直接进行布尔操作。布尔操作包括将物体叠加在一起、从一个物体内减去另一个物体以及定义一个物体为另外两个物体的相交部分。整合好的物体可具有配置给任何一个单独表面的所有特性。

 

组合透镜物体（专业版和旗舰版）

 

在非序列模式下模拟复杂透镜，用于杂散光分析以及光机设计

 

组合透镜物体是在透镜前后表面上，支持各类表面和孔径复杂组合的全新非序列物体。拥有组合透镜之后，各式各样的定制透镜都可以在非序列模式内进行模拟，用于杂散光分析以及光机设计。

 

此组合透镜物体参考了两个父表面物体。所支持的父表面物体包括：标准表面、非球面表面、Toroidal表面、Toroidal奇次非球面、Zernike表面、双锥表面、双锥Zernike表面、扩展多项式表面以及网格矢高表面。其他支持的表面类型将根据后续客户需求，视情况加入。

 

 

转换为NSC组工具的更新升级（专业版和旗舰版）

 

使具有偏心孔径的离轴系统实现自动转换

 

对于光学产品的原型样机设计而言，在同一光学系统中进行序列及非序列光线追迹是至关重要的。正是如此，确保了产品的可制造性，这是设计高可信度原型样机的关键因素。

 

离轴透镜、带有基底的反射镜、偏心孔径表面以及复杂非球面表面的光学系统，如今都可自动转换成为非序列系统，用以进行后续的光机设计以及杂散光分析。组合透镜以及原生布尔物体将在其中发挥至关重要的作用。更多关于转换NSC组工具如何工作的信息，可在OpticStudio中的帮助文件内找到（文件选项卡>转换文件>转换为NSC组）。

 

 

导出非序列表面数据（专业版和旗舰版）

 

计算并可视化非序列物体的细节形状，用以促进光学制造的进程

 

矢高数据是光学设计生产化流程内至关重要的一环，它通过采样网格数据表示表面形状，通常被厂商作为元件技术规格的一部分使用。序列分析中的表面矢高，以X及Y方向位置为函数，提供了表面在局部顶点的矢高或Z向位置变化。非序列系统比序列模式下定义的反射镜及透镜更具综合性。

 

OpticStudio内收录了一个计算非序列物体表面矢高的用户定义分析示例。此分析功能将追迹一个光源光线的列阵至一个非序列物体的面上，并计算交汇处的坐标。可以方便地导出图像或文本模式的计算结果。

 

这一NSC矢高用户定义分析功能位于编程选项卡下ZOS-API.NET接口部分的自定义分析菜单内。

 

 

 

加强的光致发光模型 （旗舰版）

 

使用比其他任何光线追迹软件都精准的光致发光模型，仿真种类广泛的荧光以及磷光物质
基于光线模拟荧光或磷光效应时，能完整考虑波长相关性。改良的模型中加入了荧光的再吸收效应以及空间相关效应，空间相关性视不同波长的平均自由程而定。在此之前，平均自由程不会随入射光波长的不同而缩放，因此光线在每行径一次平均自由程之后，会发生一次荧光散射，这与和波长相对应的吸收系数无关。

 

这些改良让OpticStudio在用光线仿真光致发光模型时比其它光线追迹软件更加精确。用户现在可以模拟更多种类的荧光与磷光物质，并能完整考虑宽带入射光源下不同波长与空间的相关性。例如，当设计太阳能电池用荧光集光器时，OpticStudio的荧光模型可以模拟入射太阳光通过下转换发光使波长变为太阳能电池有效转化波长的过程，并且还可以完整考虑散射、再辐射、TIR等效应，完整地针对集光器和太阳能电池系统进行优化。

 

 

可创建ZRD文件的操作数 （专业版与旗舰版）

 

使用全新的非序列评价函数操作数，能在优化之后自动储存光线数据库文件

 

用户现在可以在评价函数编辑器中使用特殊的操作数，来创建非序列光线数据库文件（*.zrd）。

 

 

用户可以储存所有的光线追迹信息来优化非序列系统，并进行优化完成后的进一步分析。既可以节省大量时间，又可避免优化后的再次追迹。

 

将多重结构转换为非序列模式（专业版和旗舰版）

 

将所有序列模式结构转换成一个非序列文件，使工作更有效

 

新版本中转换为NSC组工具支持转换序列模式多重结构编辑器（MCE）中的操作数。在以前的OpticStudio版本中，转换为非序列模式时不保留MCE操作数。新版本中转换为NSC组工具会自动将序列模式中的每个MCE操作数转换为其等效的非序列操作数。

 

 

 

转换为非序列模式时支持以下MCE操作数：

 

CONN /COTN / CRVT /GLSS/ MOFF/ MTFU / PRAM / PRWV /SDIA/TEMP /THIC /WAVE /WLWT

 

一些序列模式中的MCE操作数没有等效的非序列操作数，因此不能转换。这些序列操作数将被替换为操作数 MOFF，注释中包含对原始操作数的描述。

 

在转换为非序列模式时，系统会自动添加分别代表序列模式中的物面和像面的光源物体和探测器物体。如果序列文件中包含多个物面和像面位置，将使用多个NPOS和NPAR非序列多重结构操作数来确定光源和探测器物体的位置。这些非序列MCE操作数将确保每一椭圆光源都与每一视场正确对应，同时每个探测器位置都与每个像面位置正确对应。矩形探测器物体与每个视场的像面质心位置对齐，颜色探测器物体与序列模式中像面顶点位置对齐。

 

需要注意的是，由于在非序列模式中不能模拟热拾取，因此热拾取在转换过程中不会被保留。

 

转换为NSC组工具将把序列模式镜头数据编辑器中的一系列表面转换成非序列组件表面，或者将序列文件转换成一个新的非序列模式系统。勾选“转换为NSC组”，将序列模式中的MCE操作数转换为等效的非序列操作数。

 

Non-sequential 光源

 

Non-sequential 光源比Sequential 光源可以复杂得多。它一般是三维的，可以定义其输出的照度（单位为瓦或流明）。用光源发出的光线数控制光源采样，还可以分开控制显示的光线数和用于分析的光线数。

 

支持的光源有：

 

 

 

点光源/二极管光源/DLL光源/椭圆面或实体光源/矩形面或实体光源/圆柱面或实体光源/文件光源（EULUMDAT，ASCII，二进制，Binary，IESNA）/辐射光源/灯丝光源/阵列光源/自己定义光源/Radiant Source光源。

 

可以同时使用多个光源，它们可以是相干的（自定义相干长度），或非相干的，可以是单色的或复色的。 每个光源文件现在可支持高达40亿条光线的数据。
玻璃库、镜头库和样板库

 

光学玻璃库提供包括Schott, Hoya, Ohara, Corning, 和Sumita 等其它著名厂家提供的玻璃库（已经加入中国玻璃），还有红外材料、塑料和自然材料（如硅），同时包括双折射材料。

 

目录里包括色散、热分析、强度/酸、价格因子和其它数据。所有数据都可以观察或者根据需要进行修改。新的数据也可以很容易的添加。

 

改进了玻璃拟合工具，支持热变化数据拟合。增加了新的玻璃图叫作Athermal Glass Map，可以在chromatic vs. thermal power图上画出玻璃的名称。在NSC内支持MIL数和Model玻璃，这些玻璃模型可用折射率，阿贝数和可选的部分色散项定义材料。玻璃图（Glass Map）功能现在支持一个选择框将玻璃替代模板加载到所显示的这些玻璃。

 

 

存放的镜头数据厂家有: Anteryon， Archeroptx，Asphericon，Befort-Wetzlar，Comar，Cvi Melles Grio，Daheng Optics，Dias Infrared，Diverseoptics，Ealing，Edmund Optics，Eksma Optics，Esco，Geltech，Isp Optics，Lightpath，Limo，Linos Photonics，NewportCorp，Nsg，Optics For Research，Optosigma，Philips，Qioptic_Polymer，Ross Optical，Rpo，Sigma Koki，Special Optics，Thorlabs等。

 

Sequential 光学面类型

 

提供的面型有：

 

–类型– –描述–

 

Standard 包括平面、球面和二次曲面

 

Even aspheric 偶次项非球面

 

Odd aspheric 奇次项非球面

 

Paraxial 理想透镜

 

Toroidal 圆柱形非球面和环面

 

Toroidal grating 带有光栅的环面

 

Toroidal hologram 有全息图的环面

 

Toroidal NURBS NURBS环面

 

Tilted 倾斜平面或光楔

 

Elliptical Grating 椭圆形光栅面

 

Diffraction Grating 直线光栅，标准基底

 

Radial Grating 径向光栅面

 

Cubic spline 任意形状的径向齿轮面

 

Irregular 不规则面模拟制造误差

 

Hologram 全息图面

 

Coordinate break 坐标断点面

 

Polynomial 非对称多项式非球面

 

Fresnel 菲涅耳带非球面

 

Cylinder Fresnel 柱形菲涅尔面

 

Chebyshev Polynomial 基于Chebyshev多项式的自由曲面

 

ABCD 用于“黑盒子＂光学系统的近轴

 

Conjugate 共轭的点理想像面

 

Gradient 梯度折射率面

 

Grid phase/sag 由列表点定义的矢高或位相面

 

Zernike 由Zernike 多项式定义矢高/相位的面

 

Extended polynomial 扩展项的XY 多项式非球面

 

Binary optic 二元光学面

 

Extended spline 任意形状的径向齿轮面

 

Extended Fresnel 非球面Fresnel 面

 

Superconic 超级二次曲面

 

Atmospheric 大气折射模型

 

Biconic 变形的二次非球面

 

Zone plate 波带片面模型

 

Jones matrix 用于偏振组件

 

Birefringent 双折射晶体

 

Lenslet Array 透镜阵列

 

Periodic 周期性表面

 

Retro Reflect 反向反射面

 

Non-Sequential components 非序列组件

 

User defined 自定义面：折射、反射、衍射、梯度折射率

 

 

 

 

 

Sequential 分析

 

Zemax支持光学方面的各种分析工具，如下：

 

视图

 

2D Layout

 

3D Layout

 

Shaded Model

 

ISO Element Drawing

 

NSC 3D Layout

 

NSC 3D Shaded Model

 

NSC Object Viewer

 

CAD Part Viewer

 

光线和光斑

 

Single Ray Trace

 

Standard Spot Diagram

 

Footprint Diagram

 

Through Focus Spot Diagram

 

Full Field Spot Diagram

 

Matrix Spot Diagram

 

Configuration Matrix Spot Diagram

 

Cardinal Points

 

Y-Ybar Drawing

 

Vignetting Plot

 

Incident Angle vs. Image Height

 

像差

 

Ray Aberration

 

Optical Path

 

Pupil Aberration

 

Field Curvature and Distortion

 

Grid Distortion

 

Longitudinal Aberration

 

Lateral Color

 

Chromatic Focal Shift

 

Seidel Coefficients

 

Seidel Diagram

 

波前

 

Optical Path

 

Wavefront Map

 

Interferogram

 

Foucault Analysis

 

Zenike Fringe Coefficients

 

Zenike Standard Coefficients

 

Zenike Annular Coefficients

 

Zenike Coefficients vs. Filed

 

点扩散函数

 

FFT PSF

 

FFT PSF Cross Section

 

FFT Line/Edge Spread

 

Huygens PSF

 

Huygens PSF Cross Section

 

传递函数

 

FFT/Huygens/Geometric MTF

 

FFT/Huygens/Geometric Through Focus MTF

 

FFT/Huygens/Geometric Surface MTF

 

FFT/Huygens/Geometric MTF vs. Field

 

FFT/Geometric MTF Map

 

均方根

 

RMS vs. Field

 

RMS vs. Wavelength

 

RMS vs. Focus

 

RMS Field Map

 

圈入能量

 

Diffraction

 

Geometric

 

Geometric Line/Edge Spread

 

Extended Source

 

扩展场景分析

 

Image Simulation

 

Geometric Image Analysis

 

Geometric Bitmap Image Analysis

 

Light Souce Analysis

 

Partially Coherent Image Analysis

 

Extended Diffraction Image Analysis

 

Relative Illumination

 

IMA and BIM File Viewer

 

Bitmap File Viewer

 

物理光学

 

Physical Optics Propagation

 

Beam File Viewer

 

Paraxial Gasssian Beam

 

Skew Gaussian Beam

 

Single Mode Fiber Coupling

 

Multi-Mode Fiber Coupling

 

偏振

 

Polarization Ray Trace

 

Polarization Pupil Map

 

Transmission

 

Phase Aberration

 

Transmission Fan

 

表面

 

Surface sag

 

Surface Phase

 

Surface Curvature

 

Surface sag Cross Section

 

Surface Phase Cross Section

 

Surface Curvature Cross Section

 

膜层

 

Reflection vs. Angle/Wavelength

 

Transmission vs. Angle/Wavelength

 

Absorption vs. Angle/Wavelength

 

Diattenuation vs. Angle/Wavelength

 

Phase vs. Angle/Wavelength

 

Retardance vs. Angle/Wavelength

 

报告

 

2×2 Report Graphic

 

2×3 Report Graphic

 

3×3 Report Graphic

 

Surface Data

 

System Data

 

Prescription Data

 

System Summary Graphic

 

Cardinal Points

 

万用图

 

New Universal 1D Plot

 

New Universal 2D Plot

 

杂散光

 

Ghost Focus Generator

 

YNI contributions

 

双目分析

 

Field of View

 

Dipvergence/Convergence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NON-SEQUENTIAL 组件

 

Non-sequential 光线追迹的应用包括照明系统、杂散光控制、成像系统的鬼像分析、和非成像光学系统的普遍设计。

 

Non-sequential 物件vs.面

 

通常情况下，光学设计软件使用序列光线追迹。但是真实的光学系统是不能这样描述的。

 

进行Non-sequential 光线追迹时，Zemax用固体的光学组件。在采用非序列光线追迹的时候光线不仅仅局限在光学系统内部传播。

 

相比传统的光学设计软件，Zemax可以把一束光在光学表面上分成多束，来追迹它的反射、折射、散射以及考虑能量偏振、BSDF散射分布、薄膜和多级次的衍射。

 

Non-sequential 系统中包括一个或多个光源、探测器和物件。

 

光源

 

Zemax中提供多种光源或用户自定义的，可以参考本手册中关于非序列光源的详情。

 

磷光/荧光精确建模

 

光致发光是材料吸收电磁（EM）频谱某一部分的能量，再发射电磁频谱的过程。典型的光致发光材料有用在LED上的磷光材料和用在生物医学上的荧光材料。这种想象的精确建模不仅需要光谱特性，还需要粒子特性来考虑发生在这些材料中的散射。

 

Zemax现支持现实材料输入的光致发光建模。用户可以定义吸收光谱、激发光谱或量子产率、发射光谱和粒子参数。这些属性可以被分配给非序列模型中的任意实体对象。此若干样本磷光材料和荧光材料的数据也包含在内。该功能替代了光致发光的近似频移模可以在非序列中对象属性对话框的体物理标签中找到该功能。

 

 

非序列物体

 

Zemax中的每个对象是固体或光学面。物体可以放在任意的全局坐标下，任意的偏转和移动，Non-sequential 对象类型包括：

 

透镜Standard, Asphere, Toroid, Annular, MEMS

 

衍射组件Binary, Grating, Holographic

 

固体形状Cylinders, ellipses, rectangles, CPC

 

面状的Completely arbitrary solids or surfaces

 

输入的对象 IGES, STEP, SAT or STL formats

 

Fresnel 透镜 True Fresnel lenses with grooves

 

所有对象可以是反射、折射或吸收。对象的数量没有限制，对象也可以从CAD 程序中输入(文件格式为IGES, STEP, STL 或用Zemax定义的ASCII 码多面体)。

 

 

探测器

 

任何面状对象都可以作为探测器。还有专门的探测器对象，可以探测和显示光学系统中任意位置的相干或非相干辐射(power per area)或光强(power per solid angle) 。

 

颜色探测器 Detector Color

 

极探测器 Detector Polar

 

矩形探测器 Detector Rectangle

 

面探测器 Detector Surface

 

体探测器 Detector Volume

 

磷光/荧光光谱查看器

 

Zemax支持查看磷光和荧光的吸收、激发和发射光谱。可以在库功能区的磷光和荧光标签中找到该功能。

 

 

光线数据库

 

追迹的所有光线数据都存在一个文件中，计算任何探测器中的数据时，不需要重复计算。

 

 

棱镜库

 

Zemax 里面建立了大量的棱镜，例如right, dove, roof, penta, pechan 等等。其大小可以为任意值，也可以放在任意位置。

 

NON-SEQUENTIAL 分析

 

视图

 

NSC 3D Layout

 

NSC Shaded Model

 

NSC Object Viewer

 

CAD Part Viewer

 

光线追迹

 

Ray Trace Control

 

Lighting Trace

 

探测器分析

 

Detector Viewer

 

Detector Tools

 

Export Polar Detector Data as IES/LDT

 

Playback ZDR on Detector

 

光线追迹分析

 

Ray Database Viewer

 

Path Analysis

 

Flux vs. Wavelength Analysis

 

膜层

 

Reflection vs. Angle/Wavelength

 

Transmission vs. Angle/Wavelength

 

Absorption vs. Angle/Wavelength

 

Diattenuation vs. Angle/Wavelength

 

Phase vs. Angle/Wavelength

 

Retardance vs. Angle/Wavelength

 

报告

 

Prescription Data

 

万用图

 

New Universal 1D Plot

 

New Universal 2D Plot

 

应用

 

Roadway Lightning

 

Source Illumination Map

 

Reverse Radiance

 

分光

 

打到面上的光线可以分裂成很多光线

 

分裂的光线还可以一直分裂

 

可以用光线能量和分裂的数目控制

 

考虑偏振和薄膜

 

光线散射

 

镜面, Gaussian, Lambertian 散射

 

ABg 散射BTDF/BRDF 数据

 

固体内部可以进行体散射

 

可以定义任意的散射数据

 

遵守能量守恒定律

 

光线数据库

 

追迹的光线存在一个档中

 

衍射光学

 

可以追迹多个级次

 

可以自定义每个级次的相对能量

 

位相轮廓可以为标准的或自定义的

 

大多数对象都可以有衍射面

 

偏振

 

光源可以是偏振光或自然光

 

可以定义光源的相干性

 

 

 

 

 

物理光学传播

 

物理光学是一个相干的过程。当波前在玻璃和空气中传播，波前的每个部分都会彼此相干干涉。建立这样一种传播就是物理光学的领域。

 

物理光学传播（POP）是Zemax使用衍射来计算光束从一个面到另一个面传播的功能，这些面涵盖了Zemax所有的面型。

 

POP具有广泛和强大的功能。初始的光束是随机的，任何复杂的电场的表现都将被建立。初始的光束将在Zemax镜头建模中进入镜头面，然后传播穿过所有的面。在光学面之间，一个完全的衍射传播将被计算。在每个面上，传递函数将考虑到光学面对光束传播的影响。渐晕、孔径、偏振、薄膜、穿透率、像差、畸变、放大率和衍射都将被考虑。

 

POP可以用来预测小孔、Talbot成像、边缘衍射影响、激光束传播、任何的光纤耦合、菲涅耳区域样板等的像差校正和穿透率。

 

 

光束建模

 

光束的建模使用数值数组，在数组中的每一个点上都存储这复振幅的电场。这里支持任何的振幅和相位，这种功能对于高斯光束有一定的限制。

 

电场复振幅的相位决定了和参考面相关波前的复振幅的相位。这个振幅的大小决定了用户所选择的每个单位上的光束的能量，例如，有多少瓦特/平方厘米。

 

POP支持用户选择的数组的大小，X和Y方向的采样以及点到点的距离可以不同。这个尺寸和采样在传播过程中都会自动地配合光束。
初始的光束可以定义为下面的任何类型：

 

★ 高斯类型，可以时单倍改变或发散的

 

★ 均匀振幅的“TOP HAT”

 

★ 利用扩展的用户函数定义

 

★ 利用用户数据文件定义

 

★ 现有的POP分析定义

 

一旦光束被定义，传播的方向取决于主光线定位的光束，POP支持任意方向的偏转，这个功能不受近轴、旋转对称或系统的限制。

 

 

传播方法

 

光束从一个面传播到另一个面，无论是菲涅尔衍射传播还是角频谱传播算法都将被采用。Zemax会自动选择最高数值精度的算法。衍射传播的算法对于任何的传播距离、任何的光束都会得到正确的结果。

 

作为光束传播，Zemax将会自动放大或缩小数组的尺寸以适应光束的大小。对于最小相位差，Zemax将找到最好的面用来作为相位参考。

 

物理光学传播功能在通过光学表面传播时的方法做了改进，当光入射在极倾斜表面时除去了一些老的算法。一个改进的算法精确计算当处于导向光束的瑞利范围外的时候衍射面在高倾斜复合角度的面传递相位。

 

 

偏振的支持

 

非偏振光的建模使用一个复振幅的数组。偏振光要求有两个正交的偏振数组的传播。每一个数组独立的传播。在光学面上，将计算一个偏振传递函数来应用到两个偏振光束上。对于偏振普遍的方法取决于镀膜或非镀膜的面的振幅和相位。

 

POP输出

 

Zemax可以准确显示光学系统中的任意光学面上的光束的辐照度和相位的大小和单位，可以使用面、等高线、灰度、伪彩色或者剖面图以及文本的形式。
所有面的完整光束的信息都可以用数据文件的形式存储起来，用于后续的使用。存储的光束文件可以用于另外一个镜头的传播分析。

 

 

POP光纤耦合

 

Zemax可以计算光束和任何光纤模式之间复杂的重叠积分来决定耦合能量。

 

光纤模式将和初始光束同样的方式被定义，使用一个用户可以自由定义的公式或一个数据文件。光线耦合可以在任何光纤模式所定义光学空间、接近或者远离聚焦光束的情况下进行计算。

 

物理光学POP和光线追迹的比较

 

光线追迹对光学系统光线传播是一种有着广泛应用的技术，但是它不能完成所有的建模任务。非相干光线在传播过程中彼此间不产生影响。这种情况我们称为几何光学。

 

Zemax中的几何光学特征支持传统的衍射计算，例如PSF（点扩散函数）和MTF（调制传递函数）。但是这些计算都是建立在几何光学的基础上的。光线穿过整个光学系统，在像空间重建波前。PSF和MTF只是在出瞳和像面之间进行衍射计算。

 

在进行几何光学建模的时候，衍射计算仅发生在从出瞳到像面的后一个阶段，发生在镜头之间和孔径上的衍射被忽略了。对于许多系统，例如成像系统，这样简单的建模已经足够了，但对于有些系统是不够的。

 

POP不仅仅是在出瞳上，而是以在每个面上的衍射传播为基础的。这将考虑镜头孔径、焦点附近小孔衍射的像差移动等影响。几何光学不能够预测焦点附近的像差移动和能量传播，但是POP可以。另外一个例子就是吉布斯现象，强度和相位波纹代表了穿过孔径后的光束。

 

 

倾斜的高斯光束

 

为了快速的分析高斯光束，可以使用POP的子集。这个功能可以建立一个发生穿过系统后发生像散的高斯光束，甚至是一个倾斜（非轴向，非垂轴）的光线。这个功能报告光束的尺寸、束腰、散度、瑞利范围以及X和Y方向的坐标。

 

倾斜高斯光束的优点在于可以快速的进行计算并且高效的优化任何光学系统中的倾斜高斯光束的质量。

 

 

POP的应用

 

POP应用广泛，针对Zemax所建模的几乎所有的光学系统，任意的光束都可以快速的进行传播分析。普遍的应用包括：

 

★ 建立空间的像差滤波器

 

★ 针对镜头或孔径边缘的衍射

 

★ 相干物理光学光束的光纤耦合

 

★ 任何激光光束穿过复杂光学系统的传播

 

★ 光束成形设备的分析

 

★ 穿过小透镜数组光束的衍射传播

 

★ 传播光束之间的相干

 

★ 光学空间衍射传播的正确建模

 

★ 针对像差焦点位置束腰改变的计算

 

★ 计算面上的光学能量

 

 

优化

 

优化是基于初始光束来提高光学系统的表现。

 

Zemax使用功能强大的优化算法，可以使用缺省的或自定义的优化函数，同时对任意数量的变量进行优化。

 

 

优化函数

 

有20个缺省优化函数，包括使弥散斑半径或波像差的peak-to-valley 或RMS 达到最小值。可以预先定义控制目标数，包括像差系数、边界条件和系统数据等，操作数的编辑非常简便。

 

利用多重结构对变焦系统进行优化也很简单。

 

优化变量

 

Zemax 可以优化系统中任何参数，包括曲率半径、厚度、玻璃、二次项系数和非球面系数、光机周期、孔径、波长、视场等。Non-sequential 的位置和参数也可以进行优化。

 

 

容易使用

 

优化的功能也很容易使用，首先，定义对哪些参数进行优化；然后，利用默认的对话框定义优化函数；最后，点击“Automatic”后Zemax将自动选择优化操作数和权重将系统优化的很好。

 

Zemax在优化过程中，可以根据您的需要进行系统的各种图形显示等的更新，把优化后的参数回馈到系统中。

 

Zemax更加显著的优点是支持任何ZPL语言和外部程序的数据计算。

 

全局优化

 

Zemax的全局优化功能可以让您跳出现有的设计，来寻找一系列满足目标和约束的设计，您可以从中找到最好的解决方案。

 

Zemax支持2 种全局优化：(1)全局搜索Global search：寻找新的设计形式，然后优化，寻找最佳的10 个设计形式。直到用户中断计算为止。(2)垂形优化hammer optimization：完全寻找当前设计形式的较好的形式。Hammer 优化用在设计的最后阶段，以确定最佳可能设计形式。二种算法用同样的优化函数。

 

Zemax最多支持64个CPU多通道的同时计算。任何分析的窗口可以自动的更新，这样可以监测到更好的系统解决方案。

 

 

公差分析

 

Zemax提供一套综合的、灵活的和功能强大的公差分析功能。缺省的公差分析项目包括：曲率半径、厚度、条纹、位置、倾斜、离轴、局部误差、折射率、Abbe 数等。

 

 

还可以自己定义公差，包括非球面系数、离心/倾斜, solve 和参数公差等。

 

定义的补偿器包括：焦距、倾斜、任意组件或面或群组的位置。

 

可以选择公差评价标准，有均方根点半径, 均方根波前差, MTF, boresight error,或更复杂的自定义标准。

 

对于复杂的光学系统可以一步一步自定好每个公差的容限，然后使用如下三种工具：

 

敏感度（Sensitivity）分析

 

单独考虑每个定义的公差。参数在公差范围进行浮动，然后确定每个补偿器的最佳值。最后将每个公差对系统的表现的影响列表输出。

 

 

反敏感度（Inverse Sensitivity）分析

 

在定义系统最低性能后，inverse sensitivity 分析迭代计算每个参数的公差容限。

 

蒙特卡罗（Monte Carlo ）分析

 

蒙特卡罗分析功能非常强大并非常有用，因为它同时考虑所有公差的影响。它用定义的公差产生一些随机系统，采用适当的统计模型，调整所有的补偿器，使每个

 

参数随机扰动，然后评估整个系统性能的影响。这个分析可以模拟出实际生产加工及装配时所发生的情况，对于批量生产预测良率很有帮助。

 

公差分析的文本输出流可以自动写入到输出文件和现实窗口内，这可以防止数据的意外丢失。

 

纯非序列模块可以进行公差分析，包括物体位置、旋转和参数数据也可以用于补偿。

 

变焦和多重结构

 

Zemax支持多重结构。Zemax中的各种数据，例如波长、孔径值、视场、曲率半径、厚度、玻璃类型等数据，都可以作为多重结构数据的参数。这一点可以应用到变焦镜头分析和设计，可以设计变焦镜头、扫描镜头、多光路系统、透镜数组、干涉仪、分光镜等。

 

Zemax可以在一个系统中同时看到多个结构的输出，全局坐标可以让我们对比各个结构的变化。

 

Zemax可以对多重结构同时进行优化。每重结构可以是同样的或不同的优化函数，变化和约束条件也可以是相同或不同的。通过在一个温度范围内同时优化，也可以用在热分析中。

 

 

热分析

 

有些光学系统用在很宽的温度范围或不在常温下使用时，需要考虑温度和压强的影响。Zemax 用非线性温度模型，而不是简单的dn/dt 近似。

 

Zemax可以指定或优化热膨胀系统的透镜或组件之间的间隔。

 

玻璃目录包括温度和压强数据，以支持热效应分析计算。可以精确地模拟光学面的热膨胀特性。

 

扩展光源分析

 

在设计成像系统时，点光源能够精确描述成像质量的很多方面。但是扩展光源对观察畸变(特别是非径向畸变)很有用，检查像的方向、分色及定量观察整个系统的性能。

 

Zemax 支持二种扩展光源。ASCII 格式的光源，是一些简单的形状，如字母、方块等。也支持彩色的Windows BMP 和JPG 格式的光源。可以对光源进行缩放、旋转，也可以放在视场中任何地方。

 

 

宏

 

Zemax支持宏语言，称为ZPL。其结构有点像BASIC。也支持函数调用、自定义数组、数字和字符串、文本和图形输出等。

 

对更复杂的分析工作，Zemax支持更能用程序接口，叫extensions。可以在外部程序的控制下进行光线追迹、分析和优化。用C 或C++语言编写。

 

新增了带有X和Y方向高斯分布的散射DLL

 

新增了体散射模型Henyey-Greenstein DLL并附带有源代码

 

滤光片X_HITFACE可选择入射到物体指定面上的光线。

 

NSDD优化操作数和宏命令现在可以计算角空间内的总通量。

 

Mote Carlo功能现在可以保存所有的Mote Carlo文件，甚至是不能被追迹的。

 

扩展功能中新增了关键字PLOT。该关键字可以很容易地用几个命令创建曲线图。使用PLOT可以大大简化ZPL生成曲线的难度。

 

ZPL宏现在可以调用其它的宏，并将数据在调用和被调用宏之间传输。

 

用户定义面散射DLL 现在支持将数据文件名传递给DLL。

 

加入了宏关键字IMAGEEXTRACT 和IMAGECOMBINE 用于将JPG 和BMP 文件分为更小的子图像，并可以将它们组合。该功能对扫描系统的分析特别有用。

 

新增了一个强大的ZPL功能组用来制作表面、轮廓、灰度和假色彩图。

 

扩展修改设定，可支持许多惠更斯PSF横截面选择，增加了对惠更斯点扩散函数（Huygens PSF）数据类型的控制。

 

增加用户自定义DLL面散射。

 

多重结构编辑现在支持ZPL宏语言解。

 

用户自定义的DLL光源现在支持能够嵌入其他物体内部。

 

 

偏振光追迹

 

Zemax具有全面的偏振光追迹和分析能力。可以任意定义输入光线的偏振态。Zemax考虑透射、反射、吸收、偏振态、衰减和延迟。
偏振光追迹要求计算面和体材料的效应。面效应决定于面上的光学薄膜的特性。

 

 

薄膜模型

 

Zemax具有薄膜建模能力。可以定义多层金属或电介质膜。薄膜可以用在电介质或金属基底上。可以由任意层数、任意材料组成，每种材料可以由复折射率定义。如果面从空气-玻璃转换为玻璃-空气，则Zemax会自动转换膜层的顺序。

 

每个镀膜文件的最大镀膜数增加到了500，而且消耗更少的内存。通过表格定义的镀膜，在角度和波长点的数量上不再有限制。

 

偏振数据

 

Zemax可以定义偏振和非偏振入射光束。Zemax 在3D 空间中追迹电场向量的，包括每个面交点处的S 和P 分量。偏振分析结果可以是表格数据或图形数据。

 

双折射材料

 

Zemax模拟双折射单轴晶体，如方解石。这些材料的光线追迹很复杂，介质的有效折射率是角度(与面法线及晶轴的夹角)的复函数。

 

Zemax 完全3D 地处理传播的光线，正确计算任何入射角、晶轴方向任意的任何偏振态的位相。也考虑偏振透射强度。o光和e 光的路径都计算。里面还包含有双折射材料库，任何色散的新材料都可以自定义。

 

 

自动存档 （所有版本）

 

新的自动保存机制降低了数据损失的风险

 

新的自动保存功能将自动储存用户在OpticStudio设计中做的各种改变。ZMX以及ZDA数据都会被自动储存。储存的间隔时间以及档案储存位置都可以手动更改。

 

自动保存能降低计算机崩溃、卡顿时损失数据的风险。现在所有的光学系统信息以及计算好的分析数据都会自动储存，用户无需担心上一次储存文件是什么时候，也无需定时打断工作去储存文档。

 

 

网络软件秘钥授权方式

 

网络版Zemax新增网络软件秘钥授权方式。

 

新版软件中添加软件秘钥授权，作为硬件秘钥授权之外的新的可选择授权方式。这一新功能中，网络软件秘钥授权能够提供签入/签出功能。使用者可以签出授权，在远程工作时可以使用管理工具来切断受权者者网络与因特网的连接。这项功能能够让Zemax在不含USB接口的虚拟或基于云的设备上运行。管理员控制面板提供了大量的控制功能给IT管理员包括授权如何被使用，最大的签出周期等。