ZEMAX中文手册2010版：深入浅出的光学设计教程

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《（中文版）ZEMAX光学系统设计软件实战教程-CN.480》是由光研科学荣誉出品的一本详细介绍ZEMAX这款在光学设计领域极具影响力的软件的手册。ZEMAX由Dr.Ken Moore博士开发，起源于美国西雅图，以其易用性、强大功能和相对低廉的价格在市场上占据显著地位，赢得了业界的良好评价。 2005年，Dr.Mark Nicolson博士的加入，提升了ZEMAX的技术支持和服务质量，公司不断推陈出新，平均每三个月就发布新版本。作为中国唯一的官方技术支持和分销商，光研科学致力于本地化服务，自2005年以来，他们不仅提供了中文手册，还通过培训、书籍出版和教育赞助等形式，为国内用户提供详尽的技术支持。本书涵盖了ZEMAX的详细介绍，特别是其核心功能——光波导设计软件PhotonDesign。该软件凭借精准的算法、集成的复杂理论和友好的用户界面，成为光纤通信系统设计和光子器件设计的理想工具。其主要特点包括： 1. FIMMWAVE：高效的三维波导搜索引擎，能够快速搜索并优化波导设计。 2. FIMMPROP：双向计算功能，支持精确的光传播分析。这本书不仅介绍了ZEMAX的基础知识，还提供了大量的实践案例和实例，帮助读者掌握软件的使用技巧，提升设计效率。无论是初次接触的初学者还是经验丰富的设计师，都能从中获益匪浅。光研科学的使命是持续推动光学技术的发展，他们期待与全球用户共同攀登光学设计技术的高峰。《（中文版）Introduction to lens design with practical ZEMAX examples-CN.480》是一本实用的指南，旨在帮助中国用户更好地理解和应用ZEMAX，促进国内光学设计领域的进步。

光研科学荣誉出品 www.wavelab-sci.com.cn

12 目录

定义各向同性材料的晶轴（Defining the crystal axis for homogeneous materials） ..........279

定义各向异性材料的晶轴（Defining the crystal axis for inhomogeneous materials）......279

决定哪根光线被追迹（Determining which ray is traced） ............ ..... .............. 280

相位旋转的说明（Accounting for phase rotation） .................. ..... .............. 280

双折射面的透射率和其它性能（Transmission and other properties of birefringent surface） 281

样例ZEMAX 文件（Samples ZEMAX files） ..................... ..... ................... 281

共轭面（Conjugate） ................................................ ..... .............. 282

坐标转折面（Coordinate Break） .......................... ......... ..... ................. 283

次序标签（The order flag）........................ .......... ..... ........ ............283

立方样条面（Cubic Spline） .......................................... ..... .............. 284

关于样条面的注释（Comments about spline surface） ........... ..... ................... 284

柱形菲涅耳面（Cylinder Fresnel） ................................... ..... ............... 284

衍射光栅面（Diffraction Grating） ................................. ..... ................ 285

椭圆形光栅面1（Elliptical Grating 1） ........................... ..... ................... 286

椭圆光栅面的形状（Elliptical Gratinq surface shape） ........ ..... ................... 286

椭圆形光栅面2（Elliptical Grating 2） ........................... ..... ................... 287

偶次非球面（Even Asphere） ............................... ..... ......................... 287

扩展非球面（Extended Asphere） .................. ..... .................................. 288

扩展立方样条面（Extended Cubic Spline） .............. ..... .............................. 288

扩展菲涅尔面（Extended Fresnel） .................. ..... ................................ 289

扩展奇次非球面（Extended odd Asphere） ............ ..... ................................ 290

扩展多项式面型（Extended Polynominal） ............ ..... ............................... 291

扩展式环形光栅面（Extended Toroidal Grating） ........ ..... .............................. 291

滤光片（Filter） ................................. ..... ................................ 293

菲涅尔面（Fresnel） ............................... ..... ............................... 293

通用菲涅耳面（Generalized Fresnel） ................. ..... .............................. 293

梯度折射率面1（Gradient 1） ........................... ..... ............................ 294

梯度折射率面型的最大步长的讨论（Discussion on maximum step size for GRIN surfaces）.... 294

对梯度折射率面后面的面的限制（Restriction on surfaces following GRIN surfaces）....... 295

梯度折射率面2（Gradient 2） ...................................... ..... ................. 295

梯度折射率面3（Gradient 3） ...................................... ..... ................. 295

梯度折射率面4（Gradient 4） ................................... ..... .................... 296

梯度折射率面5（Gradient 5） ................................... ..... .................... 296

梯度折射率面6（Gradient 6） ................................... ..... .................... 297

梯度折射率面7（Gradient 7） .................................... ..... ................... 298

梯度折射率面

（GRADIUM

） ...................................... .......... ............... 299

梯度剖面文件格式（GRADIUM profile file format） .......... ..... ...................... 299

梯度折射率面9（Gradient 9） ................................... ..... .................... 301

梯度折射率面10（Gradient 10） ............................. ..... ........................ 302

栅格相位（Grid Phase） ....................................... ..... ..................... 302

使用修改距离（Using shear distance） ................. ..... ........................ 302

相位系数的符号规则（phase coefficients sign conventions） .... ..... .................. 303

栅格矢高（Grid Sag） ......................................... ..... ..................... 303

输入栅格数据（Importing grid data） ....................... ..... ..................... 303

双三次样条vs.线性插值（Bicubic spline vs. linear interpolation）... ..... ........... 304

使用栅格矢高的建议（Suggestions for using the Grid Sag surface）... ..... ............. 304

全息面1（Hologram 1） ................................................ ..... ............. 305

全息面2（Hologram 2） ......................................... ..... .................... 306

不规则面（Irregular） ......................................... ..... ................... 306

琼斯矩阵面（Jones Matrix） ...................................... ..... .................. 307

透镜阵列（Lenslet Array） ..................................... ..... .................... 307

非序列组件（Non-Sequential Components） ...................... ..... ..................... 307

奇次非球面（Odd Asphere） ..................................... ..... .................... 307

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目录 13

奇次余弦（Odd Cosine） ..................................... ..... ....................... 307

光学构造全息面（Optical Fabricated Hologram） ................. ..... ..................... 308

定义基底的形状（Defining the substrate shape） ............ ..... ..................... 309

定义构造光学元件（Defining the construction optics） ........... ..... ................ 309

优化构造及重现光学系统（optimizing the construction and playback optics）..... ....... 309

选择全息的类型（Selecting the Hologram type） ...................... ..... ............ 309

近轴面（Paraxial） ............................................... ..... ................ 310

设置OPD 模式（Setting the OPD Mode） ........................ ..... ................... 310

XY方向近轴面（Paraxial XY） ..................................... ..... .................. 311

周期性表面（Periodic） ........................................... ..... ................. 311

多项式面（Polynomial） .......................................... ..... .................. 312

径向光栅（Radial Grating） .................................... ..... .................... 312

径向NURBS曲面（Radial NURBS） ................................... ..... .................. 313

反向反射面（Retro Reflect） ..................................... ..... .................. 314

标准面（Standard） ................................................. ..... .............. 314

用标准面模拟椭圆面（Modeling an ellipse with the standard surface）.. ..... ........... 314

用标准面模拟轴锥体（Modeling an axicon with the standard surface）.... ..... .......... 314

超级二次曲面（Superconic） ............................................ ..... ............ 315

倾斜面（Tilted） ...................................................... ..... ............ 316

环形面（Toroidal） .......................................... ..... ...................... 316

环形光栅（Toroial Grating） ................................. ..... ...................... 317

环形全息图（Toroidal Hologram） ............................. ..... ...................... 318

环形NURBS面（Toroidal NURBS） ............................ ..... ........................ 319

用户自定表面（User Defined） .............................. ..... ........................ 319

The UDS DLL .................................................. ... ..... .............. 320

折射和反射UDS DLLs （Refractive and reflective UDS DLLs）........... ..... ............ 321

梯度折射率UDS DLLs （Gradient index UDS DLLs）..................... ..... ............ 321

衍射UDS DLLs（Diffractive UDS DLLs）.............................. ..... ............ 321

使用UDS DLLs 的透镜阵列（Lenslet arrays using DLLs）.............. ..... .............. 322

使用UDS DLLs 的自定义表面分布（User defined surface apodization using DLLs）.......... 322

偏振及镀膜数据使用DLL（Polarization and coating data ....... ..... ................... 322

错误处理与UDS （Error handing and UDS）.......................... ..... .............. 322

DLLs 的例子（Sample DLLs）....................................... ..... ............ 322

可变线间隔光栅（Variable Line Space Grating） ........................ ..... .............. 327

泽尼克边缘相位（Zernike Fringe Phase） ............................... ..... .............. 328

泽尼克边缘相位系数符号规则（Zernike Standard Phase coefficients sign conventions）..... 328

泽尼克边缘矢高（Zernike Fringe Sag） ........................... ..... ................... 329

泽尼克标准相位（Zernike Standard Phase） ...................... ..... ..................... 329

泽尼克边缘相位系数符号规则（Zernike Standard Phase coefficients sign conventions）..... 330

泽尼克标准矢高（Zernike Standard Sag） ............................... ..... ............. 331

波带板（Zone Plate） ............................................... ..... ............... 331

第十二章非序列元件

引言（Introduction） ............................................... ........ ............. 333

NSC 近轴数据及光线追迹（Paraxial data and ray tracing with NSC） .......................... 333

NSC 优化（Optimization with NSC） .............................. ..... .................... 334

NSC 光线追迹的两种方法（The two methods of using NSC ray tracing） ... ..... .............. 334

有接口的NSC（NSC With ports） ................................. ..... ................. 334

无接口的NSC（NSC without ports） ............................... ..... ................ 334

两类NSC 的结合（Combining NSC with and without ports） ........... .................... 334

有接口的NSC 光线追迹纵览（Overview of NSC ray tracing with ports） ... ..... .............. 335

入射接口（The entry port） ................................... ..... .............. 335

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14 目录

出射接口（The exit port） ................................... ..... ............... 335

光线入射（Getting rays in） ................................ ..... ................ 336

在NSC 组内进行光线追迹（Tracing rays within the NSC） ...... ..... ............... 336

光线的出射（Getting rays out） ............................... ..... .............. 336

无接口的NSC 光线追迹综览（Overview of NSC ray tracinq without ports） . ..... ............. 336

光线入射（Getting rays in） .................................... ..... ............ 337

NSC 内部的光线追迹（Tracing rays within the NSC） ............. ..... ............. 337

探测光线（Detecting rays） ..................................... ..... ........... 337

为分析发射的光线（Launching rays for analysis） ................ ..... ............ 337

NSC 物体（NSC objects） ............................................... ..... ............ 337

环形非球面透镜（Annualr Aspheric Lens） .......................... ..... ............. 341

环形轴对称透镜（Annualr Axial Lens） ............ ................ ..... ............ 342

环形体（Annular Volume） .......................................... ..... ............ 342

环面（Annulus） .......................................... ..... .................... 343

阵列（Array） ......................................... ..... ....................... 343

非球面（Aspheric Surface） ............................ ..... ........................ 345

非球面2（Aspheric Surface 2） ........................... ..... ....................... 346

轴锥面（Axicon Surface） ................................. ..... ..................... 346

双二次曲线透镜（Biconic Lens） ............................ ..... .................... 347

双锥面（Biconic Surface） ................................... ..... .................. 348

生成超半球面（Making a hyperhemispheric surface） ...... ..... .................... 348

双曲泽尼克透镜（Biconic Zernike Lens）..................... ..... .. ....................349

二元光学1（Binary 1） ..................................... ..... ................... 350

二元光学2（Binary 2） ....................................... ..... .................. 350

二元光学2A（Binary 2A） .................................... ..... ................... 351

布尔物体（Boolean） ........................................... ..... ............... 352

复杂抛物柱面连接件CPC（Compound Parabolic Concentrator） ........ ..... ............... 354

CPC 矩形（CPC Rectangular） ................................ ..... ................... 354

锥形体（Cone） .............................................. ..... ................. 355

柱面管（Cylinder Pipe） ..................................... ..... ................. 355

圆柱体（Cylinder Volume） ................................... ..... .................. 355

柱面2管（Cylinder 2 Pipe） ...................................... ..... .............. 356

柱面2体（Cylinder 2 Volume） .................................. ..... ........ ........ 356

衍射光栅（Diffraction Grating） ............................... ..... ................ 356

椭圆面（Ellipse） .............................................. ..... .............. 357

椭圆体（Elliptical Volume） .................................... ..... ............... 357

偶次非球面透镜（Even Asphere Lens） ........................... ..... ................ 357

扩展多项式透镜（Extended Polynomial Lens） ..................... ..... ............... 358

扩展多项式表面（Extended Polynomial Surface） .................. ..... ................ 359

挤压（Extruded） ............................................ ..... ................. 359

Freeform Z.................................................. ..... . ........ ........359

菲涅尔1（Fresnel 1） ....................................... ..... ................... 360

菲涅尔2（Fresnel 2） ........................................... ..... ............... 361

栅格矢高透镜（Grid Sag Lens）................................. ..... ............. ..362

栅格矢高面（Grid Sag Surface） .............................. ..... .................. 363

六边形透镜阵列（Hexagonal lenslet Array） ................... ..... .................. 363

全息透镜（Hologram Lens） .................................... ..... ................ 363

全息面（Hologram Surface） .................................... ..... ................ 364

输入物体（Imported） ......................................... ..... ................ 365

输入物体和ZOF 文件（Imported objects and ZOF files） ...... ..... ................. 366

关于输入物体的说明（Comments about imported objects） ....... ..... ............... 366

输入物体光线追迹的准确性（Ray tracing accuracy for imported objects）. ..... ...... 367

输入物体的光线追迹速度（Ray tracing speed for imported objects）.... ..... ........ 367

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目录 15

输入物体的局限性（Limitations on imported objects） .............. ..... .......... 367

琼斯矩阵（Jones Matrix） ............................................ ..... ......... 367

透镜阵列1（Lenslet Array 1） ......................... ..... ......................... 368

透镜阵列2（Lenslet Array 2） ............................ ..... ...................... 369

微机电系统（Micro Electro Mechanical System；MEMS） ....... ..... ..................... 369

空白物体（Null Object） .................................... ..... ................... 370

奇次非球面透镜（Odd Asphere Lens） ........................ ..... .................... 370

近轴透镜（Paraxial Lens）................................... ..... ............. .....370

多边形物体（Polygon Object） ............................... ..... ................... 371

光线旋转体（Ray Rotator）.................................... ..... ........... ......371

矩形角（Rectangular Corner） .................................... ..... .............. 372

矩形（Rectangle） ............................................... ..... .............. 372

矩形管（Rectangular Pipe） ...................................... ..... .............. 372

矩形管光栅（Rectangular Pipe Grating） ......................... ..... ............... 372

矩形顶（Rectangular Roof） ....................................... ..... ............. 373

矩形环面（Rectangular Torus Surface） ............................ ..... .............. 373

矩形环体（Rectangular Torus Volume） ............................. ..... .............. 373

矩形体（Rectangular Volume） ..................................... ..... ............. 374

有关倾斜面的注释（Comment about tilted faces）.............. .. ....... .............374

矩形体光栅（Rectangular Volume Grating） ..................... ..... ................. 374

幻灯片（Slide） ............................................. ..... ................. 374

球（Sphere） .............................................. ..... ................... 375

标准透镜（Standard Lens） ................................... ..... .................. 375

标准表面（Standard surface） ................................. ..... ................. 376

STL 物体（STL Object）....................................... ..... .................. 376

扫场物体（Swept Object） ..................................... ..... ................ 377

列表径向面元（Tabulated Faceted Radial） ..................... ..... .................. 378

列表面元超环面（Tabulated Faceted Toroid） ................... ..... .................. 379

列表径向菲涅尔面（Tabulated Fresnel Radial） ...................... ..... ............. 379

环形全息（Toroidal Hologram） .................................. ..... ............... 380

环形透镜（Toroidal Lens） ....................................... ..... .............. 380

环形面（Toroidal Surface） ................................... ..... ................. 381

环形面（Torus Surface） ....................................... ..... ................ 382

环形体（Torus Volume） ......................................... ..... ............... 382

三面角（Triangular Corner） .................................... ..... ............... 382

三角形（Triangle） ........................................... ..... ................ 383

用户定义物体（User Defined Object） ........................... ..... ................. 383

物体DLL 范例（sample Object DLLs） .......................... ..... ............... 384

泽尼克面（Zernike Surface） .............................. ..... .................... 384

探测器（Detectors） ........................................... ..... ................... 385

颜色探测器物体（Detector Color object）..................... ..... ................ ..386

有关颜色探测器像素数目的说明（Comments on Detector Color pixel numbering）...... ..387

有关添加像素的说明（Comments on Pixel Interpolation）.. .. . ..... ...... .. .. ..387

极探测器物体（Detector Polar object）.......................... ..... . .............. ..387

有关极探测器像素数目的说明（Comments on Detector Polar pixel numbering）........ ..388

有关添加像素的说明（Comments on Pixel Interpolation）....... .. ........ .......... ..388

矩形探测器物体（Detector Rectangle object） ................... ..... ................ 388

相干数据的计算的注释（Comments on coherent data computations） .. ..... ........... 389

有关矩形探测器像素数目的说明（Comments on Detector Rectangle pixel numbering）......390

像素添加的注释（Comments on Pixel Interpolation）............ ..... .............390

面探测器物体（Detector Surface object） ........................ ..... ................ 390

关于探测三角形的注释（Comments about detector triangles）..... ..... ............. 391

有关面探测器像素数目的说明（Comments on Detector Surface pixel numbering）...........391

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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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