Zemax2010中文操作手册：光学设计入门指南

光学设计

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"ZEMAX中文使用手册2010年2月版.pdf" ZEMAX是一款强大的光学设计软件，广泛应用于照明设计、成像设计和衍射光学设计等领域。这款2010年的中文版操作手册对于初学者来说特别友好，其翻译质量高，便于理解和学习。第一章绪论主要介绍了手册的结构和目的。手册首先说明了其内容旨在帮助用户了解和掌握ZEMAX的基本用法。"ZEMAX能做什么?"部分详述了软件的功能，包括光学系统的建模、优化和分析等。相反，"ZEMAX不能做什么?"则提醒用户注意软件的局限性，可能不适用于某些复杂的物理现象或非光学问题。此外，手册还提到了学习ZEMAX的途径，强调实践和理解的重要性。系统要求部分列出了运行ZEMAX所需的硬件和软件配置，包括对多处理器计算机的支持，这对于处理复杂计算任务至关重要。安装过程简述了如何在个人电脑上正确安装ZEMAX软件，同时，密钥政策解释了软件授权和激活的方式。支持的定义和获取技术支持的环节为用户提供了寻求帮助的渠道和故障排除的指南。第二章用户界面详细介绍了ZEMAX的操作环境。引言部分概述了用户界面的基本构成，包括不同类型的窗口，如主窗口、编辑窗口、图形窗口和文本窗口。这些窗口各有特定的用途，比如主窗口用于全局操作，编辑窗口用于编辑和创建光学元件，而图形窗口则显示模拟结果。此外，手册还教授了如何使用注释功能、移动和缩放工具来更有效地查看和理解设计。文ᴀ窗口操作和对话操作则涉及文本输入和设置，而取消长时间计算的技巧对于防止卡死或等待时间过长非常有用。手册还提供了一个常用快捷键的总结，帮助用户提高工作效率。最后，使用Windows剪贴板的功能让数据在其他应用程序间共享变得更加便捷。 ZEMAX的文件扩展名部分详细列出了软件使用的不同文件类型，这些文件名后缀如.ZMX、.ZOS等，分别代表了ZEMAX的设计文件、光学序列文件等，方便用户管理和识别。这份2010年版的ZEMAX中文手册是光学设计者和研究人员的重要参考资料，它不仅涵盖了软件的基本操作，还提供了深入学习和应用的路径，使得用户能够高效地利用ZEMAX进行光学系统的设计与分析。

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16 目录

体探测器物体（Detector Volume object） ................... ..... ..................... 391

有关体探测器像素数目的说明（Comments on Detector Volume pixel numbering）....... ...392

作为探测器的物体（Objects as detectors） ............... ..... ....................... 392

有关普通物体作为探测器的像素数目说明（Comments on general objects as detectors pixel

numbering）.......... .......... .......... ... ..... ..... ..... ..... ............392

光源（Sources） .................................... ..... ............................... 393

将光源置于物体内部（Placing sources inside objects）.............. ..... .............. 393

添加新的光源类型（Adding new source types） .................... ..... ................ 393

所有光源体公用的参数（Parameters common to all source objects） . ..... ............... 394

二极管光源（Source Diode） ................................ ..... .................... 394

DLL 光源（Source DLL）.................................... ..... ..................... 396

DLL 光源参数（Source DLL parameters）.................... ..... ................. 396

创建新的DLL 光源（Creating a new Source DLL）............ ..... ................... 396

DLL 光源相对强度的注释（Comments on Source DLL relative intensity） .. ..... ...... 396

DLL 光源例子（Sample Source DLLs） ..................... ..... .................... 397

椭圆形光源（Source Ellipse）............................. ..... ...................... 397

EULUMDAT 文件光源（Source EULUMDAT File）............... ..... .................... ..398

灯丝光源（Source Filament） .............................. ..... ..................... 398

文件光源（Source File） .................................... ..... ................... 398

ASCII vs.二元格式文件（ASII vs. binary format files） ........ ..... ............. 399

文件光源物体的内存要求（Memory requirements for source file objects）. ..... ...... 399

所选择光线数的限制（Restrictions on the number of rays selected）.... ..... ....... 399

二进制文件光源的格式（Binary Source File format）............ ..... ............. 399

ASCII 光源文件格式（ASCII Source File format）................. ..... ............ 400

光源文件中光强的归一化（Intensity normalization in source files）. ..... .......... 400

高斯光源（Source Gaussian） ................................. ......... ..... ......... 400

IESNA 文件光源（Source IESNA File） ................... ..... ........................ 401

输入光源（Source Imported） ......................... ..... .......................... 401

物体光源（Source Object） ........................... ..... .......................... 401

点光源（Source Point） ................................ ..... ........................ 402

辐射光源（Source Radial） .......................... ..... ........................... 402

光线光源（Source Ray） .......................... ..... .............................. 402

矩形光源（Source Rectangle） .................... ..... .............................. 403

管状光源（Source Tube） ......................... ..... .............................. 403

双角光源（Source Two Angle） ........................ ..... ........................... 403

柱体光源（Source Volume Cylinder） ................. ..... ............................ 403

椭圆体光源（Source Volume Ellipse） ............... ..... ............................. 404

矩形体光源（Source Volume Rectangle） ............. ..... ............................. 404

物体放置（Object Placement） ........................... ..... ........................... 404

物体坐标系统（The object coordinate system） ....... ..... ............................ 404

参考物体（Reference Objects） ..................... ..... ............................. 405

将物体置于其它物体内部或与其它物体相邻（Placing objects inside of ,adjacent to,or

overlapping other objects） ..................... ..... ..... ....................... 405

胶合距离（Glue distance） ................ ..... ...................................... 405

嵌套物体限制（Nesting Object limits） ......... ..... ................................. 405

嵌套体（Nesting volumes） .......................... ..... ........................... 405

嵌套面（Nesting Surfaces） ............................. ..... ....................... 406

NSC 物体的折射和反射（Refraction and reflection from NSC objects） . ..... ................ 406

没有定义材料（No material defined）........................ ..... ................. ..406

镜面或吸收（MIRROR or ABSORB）............................. ..... ........ ...........407

由玻璃名称定义的材料（Material defined by a glass name）..... ..... ............... ..407

由表格玻璃定义的材料（Material defined by a table glass）...... ..... ......... ..........407

由MIL数定义的材料（Material defined by MIL number）............. ..... ....... ......407

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目录 17

由玻璃模型定义的材料（Material defined by a glass model）....... ..... ....... ......407

物体材料属性（Object properties by material）...................... ..... ......... ..407

来自NSC 物体的衍射（Diffraction from NSC Objects） ..................... ..... ............ 407

物体特性对话框（The Obeject propeties dialog box） ................. ..... ................ 408

类型标签（Type tab） ............................................. ....... ............ 408

膜层/散射列表（coating／Scattering tab） ........................ ..... .............. 409

散射标签（Scatter To tab）..................................... ..... ............ ..409

面标签（Face tab） .................................... ..... ........................ 410

体散射标签（Bulk Scattering tab） ....................... ..... ....................... 410

渐变折射率标签（GRIN tab） ............................. ..... ....................... 411

衍射标签（Diffraction tab） ............................. ..... ...................... 411

光源标签（Source tab） ...................................... ..... .................. 411

随机vs.索伯采样（Random vs.Sobol sampling） ............ ..... ................... 412

模拟光源阵列（Modeling arrays of sources）............... ..... ............... ..413

定义光源颜色和光谱成分（Defining the color and spectral content of sources）........414

光谱匹配算法（ The spectrum fitting algorithm）....... ... ..... ............ .........415

定义一个光谱文件（Defining a spectrum file）........ ........ ..... .............416

光线如何从光谱中选择（How rays are selected from the spectrum）... ..... ........416

绘图标签（Draw tab） .............................................. ..... ............ 416

关于画图分辨率和边界范围的注释（Comments about drawing resolution and bounding

regions） ............................................ ..... ..... ..... ......... 416

用优先考虑物体列表定义路径（Defining paths using the Consider Objects list）. ..... ....... 417

定义一个忽略物体列表（Defining an Ignore Objects list） .................. ..... .......... 417

用户定义孔径（User defined apertures） .......................... ..... .................. 418

物体面（Objects faces） ........................................ ..... .................. 418

偏振和薄膜膜层（Polarization and thin film coatings） ........... ......................... 418

在接触表面上膜层（Coating on surfaces in contact） ......... .......................... 418

散射（Scattering） .......................................... ..... ..................... 418

散射分数和散射光线的数目（Fraction to scatter and number of scatter rays）..... ...... 418

散射模型（scatter models） .......................................... ..... .......... 419

双向散射分布函数（Bi-Directional Scatter Distribution Function）.... ..... ........ ..420

可用散射模型（Available scatter models）...................... ..... .............. ..420

无散射（No Scattering） ........................................ ..... ............... 420

朗伯型散射（Lambertian Scattering） ............................ ..... ............... 420

高斯型散射（Gaussian scattering） ............................... ..... .............. 420

ABg 散射模型（ABg model scattering）.......................... ..... ................. 421

定义ABg 数值（Defining ABg data）............... ..... ........................... 421

用户定义散射（User defined scattering） ............. ..... ........................... 422

在物体上定义用DLL 定义的面散射（Defining an object to use DLL defined surface

scattering）...................................... ... ..... ..... .......... ..... 422

DLL 参数（DLL parameters）...................... ..... ........................... 422

创建新的DLL（Creating a new DLL） ............ ..... ............................. 422

面散射例子：Two Gaussian．DLL（Sample surface scattering: TwoGaussian.DLL） ...... 422

用RI_BSDF 散射DLL模拟测量BSDF数据（Modeling measured BSDF data with the RI_BSDF

scattering DLL）......................... ..... ..... ..... .................. ....423

如何有效模拟散射（How to model scattering efficiently）..... ..... ............. ....423

散射到列表（The Scatter To list）...................... ..... .............. ....423

重要性采样（Importance Sampling）....................... ..... ..... .......... ....423

体散射（Bulk scattering） ..................................... ..... .................... 424

无体散射（No Bulk Scattering）........................... ..... ...................... 424

角散射（Angle scattering） ................................. ..... . .................. 424

DLL 定义的散射（DLL Defined Scattering）..................... .. ..... .............. 425

采样体散射（Sample bulk scattering）: Poly_bulk_scat.DLL...... ..... .......... ..425

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18 目录

采样体散射（Sample bulk scattering）: Henyey-Greenstein-bulk.DLL... ..... ..... ..425

DLL定义的体散射来定义物体（Defining an object to use DLL defined bulk scattering）....425

DLL参数（DLL Parameters）..................................... ..... ......... ..425

创建一个新的DLL文件（Creating a new DLL）.................. ..... .. .............. ..425

相干长度建模（Coherence length modeling） ............................. ..... ............ 426

定义用于非序列光线追迹的渐变折射率介质（Defining GRIN media for non-sequential ray

tracing）..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... .....426

定义一个具有渐变折射率材料的物体（Defining an object to be of gradient index material）..

426

关于GRIN 物体最大步长的讨论（Discussion on maximum step size for GRIN objects）.. .....426

GRIN DLL 参数（GRIN DLL parameters） .................... ..... ....................... 427

创建一个新的GRIN DLL（Creating a new GRIN DLL） ......... ............................. 427

样例GRIN DLLs（Samples GRIN DLLs） .................. ..... ........................... 427

定义在衍射表面分光的DLL（Defining DLLs for ray splitting at diffractive surfaces ）..........428

用衍射DLL 定义物体（Defining an object to use the diffraction DLL） ................... 428

衍射DLL 参数（Diffraction DLL parameters） ......................... ..... ........... 429

创建一个新的衍射DLL（Creating a new Diffraction DLL） ...................... .......... 429

光线分束（Ray splitting） ................................ ..... .......................... 429

光线分束和偏振（Ray splitting and polarization） ........ ..... ....................... 430

综合所有特性（Putting it all together） ...................... ..... ...................... 430

进行蒙特卡罗光线追迹（Performing a Monte Carlo ray trace） ..... ..... .................... 430

光线追迹探测器控制（The Ray Trace/Detector Control） ...... ..... .................... 430

保存光线数据至文件中（Saving ray data to a file）........ ..... ............. ............432

损失的能量（Lost energy） ...................................... ..... ............... 432

光线数据库文件（Ray database（ZRD） files） ..................... ..................... 433

光线数据库查看器（Ray Database Viewer） .......................... ..... .................. 434

探测器查看器（The Detector Viewer） ................................ ..... ............... 436

有关面探测器物体的讨论（Comments regarding Detector Surface objects）. ..... .. ..........437

过滤字符串（The filter string） ....................................... ..... ............. 438

样例过滤字符串（Filter string examples） ....................... ...... ............... 441

定义多边形物体（Defining Polygon Objects） ............. ..... ............................ 441

注释符号：! ......................................... ..... ......................... 442

面名称符号：C ....................................... ..... ......................... 442

不可见符号：I ....................................... ..... ......................... 442

顶点符号：V ......................................... ..... ......................... 442

三角形符号：T ...................................... ..... .......................... 442

矩形符号：R ........................................ ..... .......................... 443

多边形物体中的最大三角形............................. ..... ............... ......... 443

POB 文件示例......................................... .. .... ....................... 443

定义STL 物体（Defining STL Objects） ..................... ..... ......................... 444

STL 物体中的最大三角形数（Maximum triangles in STL objects） ...... ..... ............. 444

STL 文件实例（Example STL files） ................................. ..... ............. 444

NSC 编辑工具（NSC 编辑工具） ......................................... ..... ............ 444

复制物体工具（Replicate Object Tool） .......................... ..... ............... 444

创建多边形工具（Create Polygon Object Tool） ................... ..... ............... 445

组合物体工具（Combine Objects Tool） ........................... ..... ............... 445

修改参考物体工具（Modify Reference Objects Tool） .............. ..... ................ 446

从最后一个几何错误创建光源光线工具（Create Source Ray From Last Geometry Error Tool）.. 447

插入/删除Z点工具（Insert/Delete Z Point Tools）...... ..... ..... ............. ..........447

面元物体的特殊考虑（Special considerations for faceted objects） .... ..... ............... 447

关于DLL 的注释（Comments about DLLs） ............................ ..... ................. 448

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目录 19

󲂡十三章解

引言（Introduction） ......................................... ..... ..................... 449

曲率：边缘光线角（Curvature：Marginal Ray angle） ........... ..... ....................... 450

曲率：主光线角（Curvature：Chief ray angle） .................. ........................... 451

曲率：跟随（Pick up） ........................................ ..... ...................... 451

曲率：边缘光线法线（Curvature：Marginal ray normal） ...................................... 451

曲率：主光线法线（Curvature：Chief ray normal） ........................................... 451

曲率：等光程的（Curvature：Aplanatic） ............................. ...................... 451

曲率：器件光焦度（Curvature：Element power） ........................ ..................... 451

曲率：同心面（Curvature：Concentric with surface） ................. ...................... 451

曲率：同心半径（Curvature：Concentric with radius） ................ ...................... 451

曲率：F 数（ Curvature：F number） ................................. ....................... 451

曲率：ZPL 宏（ Curvature：ZPL Macro） ...................... ..... ......................... 452

厚度：边缘光线高度（Curvature：Marginal ray height） ...................................... 452

厚度：主光线高度（Thickness：Chief ray height） .............. ............................ 452

厚度：边缘厚度（Thickness：Edge thickness） ................. ............................. 452

厚度：跟随（Pick up） ...................................... ..... ........................ 452

厚度：光程差（Thickness：Optical path difference） ........................................ 452

厚度：位置（Thickness：Position） ........................... ..... ....................... 453

厚度：补偿器（Thickness：Compensator） ..................... ..... ........................ 453

厚度：曲率中心（Thickness：Center of curvature） ............ ............................. 453

厚度：光瞳位置（Thickness：Pupil Position）............... ..... .............. ..............453

厚度：ZPL宏（ ZPL Macro）........................................... .. ...... ..............453

玻璃：模型（Glass：Model） ................................... ............................ 453

玻璃：跟随（Pick up） ......................................... ..... ..................... 453

玻璃：替代物（Glass：Substitute） ............................. ........................... 453

玻璃：偏移（Glass：Offset） ................................... ........................... 454

半直径：跟随（Semi-Diameter：Pick up） ......................... ..... .................... 454

半直径：最大值（Semi-Diameter：Maximum） ....................... .... ..................... 454

半直径：ZPL宏（ZPL Macro）.................................... ..... ....................454

二次曲面系数：跟随（Conic：Pick up） ...................... ............................... 454

二次曲面系数：ZPL宏（ ZPL Macro）......................... ..... ...........................454

参数：跟随（Parameter：Pick up） ......................... ................................ 454

参数：主光线（Parameter：Chief ray） ...................... ............................... 455

参数：ZPL 宏（ Parameter：ZPL Macro） ................. ..... .............................. 455

TCE:跟随（TCE:Pickup） ................................ ..... ........................... 455

附加数据值：跟随（Extra Data Value：Pickup） ........... ..... ............................ 455

附加数据值：ZPL 宏（Extra Data Value：ZPL Macro） ........ ..... .......................... 455

解限制（Solve restrictions） ........................... ..... ........................... 455

使用ZPL 宏解（Using ZPL Macro solves） .................. ..... ........................... 455

ZPL 宏的重要思考（Important consideration for ZPL Macro solves） .... ..... ........... 456

数据栏序号的编码（Integer codes for column numbers） .............. ..... ................. 456

使用建议（Suggestions for use） .................................. ..... ................. 456

󲂡十四章优化

引言（Introduction） ................................ ..... ............................. 457

选择变量（Selecting variables） ........................... ..... ........................ 457

定义默认的评价函数（Defining the default merit function） ... ............................. 457

选择优化的类型（Selecting the type of optimization） ..... ............................ 457

物理意义上的RMS 评价函数的（Physically significant RMS merit functions）. ..... ....... 459

选择瞳面积分方法（Selecting the pupil integration method） ........... ..... .............. 459

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20 目录

圆环（Rings） ................................................... ..... ............. 460

辐条（Arms） ....................................................... ..... .......... 460

对圆环和辐条的采样考虑（Sampling considerations for Rings and Arms） ... ... .............460

栅格（Grid） .............................................. ..... ................... 460

删除渐晕（Delete Vignetted） ................................ ..... .................. 460

设置边缘厚度值（Setting thickness boundary values） ........ ..... .................... 461

起始点（Start At） ......................................... ..... ................... 461

假设轴对称（Assume Axial Symmetry） .......................... ..... .................. 461

忽略横向色差（Ignore Lateral Color） ......................... ..... .................. 461

相对X 权重（Relative X Weight） .............................. ..... .................. 462

整体权重（Over all Weight） .................................... ..... ................ 462

默认评价函数的缺陷（Pitfalls with the default merit function） ..... ...................... 462

用有分布的光束优化（Pitfalls with the default function） ......... ..... .................. 462

修改评价函数（Modifying the merit function） .................. ........................... 462

HX，Hy,Px 和Py ............................ ..... ................................... 462

目标，值和权重（Targer，Value，and weight） ........ ..... ........................... 462

贡献百分比（Percent Contribution） ................ ..... ............................ 463

操作数的权重小于零（operand weights less than zero） ...... ........................... 463

操作数的权重等于零（Operand weights equal to zero） ......... ......................... 463

操作数的权重大于零（Operand weights greater than zero） .. ............................ 463

评价函数的定义（Merit function definition） ............... ..... ..................... 463

优化操作数（Optimization operands） ....................... ..... ........................ 463

理解边界操作数（Understanding boundary operands） ........ ..... ........................ 498

使用MTF操作数（Using MRF Operands） ........................ ..... ........................ 498

进行优化（Performing and Optimization） ................... ..... ......................... 499

定义复杂的操作数（Defining Complex Operands） ............. ..................... ......... 500

优化玻璃的选择（Optimizing glass selection） ...................... ..... ................ 501

使用模型玻璃（Using model glasses） ......................... ..... ................... 501

使用玻璃替换（Using glass substitution） ..................... ..... .................. 503

优化变焦和多重结构镜头（Optimizing zoom and multi-configuration lenses）. ..... .......... 503

优化附加数据（Optimizing extra data） .................................... ..... .......... 503

优化公差敏感度（Optimizing tolerance sensitivity） ................... ..... ............. 503

用序列光线优化非序列组中的物体（Optimizing objects in a non-sequential group with sequential

rays） .................................................. ..... ..... ..... .............. 504

在非序列模式中优化光源和探测器（Optimizing with sources and detectors in non-sequential

mode） ................................................ ..... ..... ..... ..... ........... 504

随机数和NSTR 的注释（Comments about random numbers and NSTR） ... ..... .............. 505

探测器上的像素编号（Pixel numbering for detectors） ............... ..... ............. 505

用IMAE操作数进行优化（Optimizing with the IMAE operand） .................. ............... 505

使用梯度折射率操作数（Using gradient index Operands） ................ ..... .............. 505

DLTN ........................................................... ..... ............. 505

LPTD ........................................................ ..... ................ 506

用户定义的操作数（User defined Operands） ......................... ..... ................. 506

用ZPL 宏优化（Optimizing with ZPL macros） .................... ..... ................. 506

在ZPLM宏中改变镜头数据（Change made to the lens from within the ZPLM macro）.....507

ZPLM和默认评价函数（ZPLM and the default merit function）..... .... ...... ...........507

用外部汇编程序优化（optimizing with externally complied programs） .... ............... 508

使用建议（Suggestions for use） .......................................... ..... .......... 510

全局优化（The global optimum） .......................................... ..... ........... 510

󲂡十五章全局优化

引言（Introduction） ......................................... ..... ..... ................ 511

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