CODE V ? 光学工程软件包简介
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 公司聘请上海欧熠光电科技有限公司代理国内销售,北京理工大学光电工程系为其中国服务中心，我们希望与国内同行精诚合作，让CODE V 这一国外的科研硕果为我国光学事业的发展服务。
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。
一. 包罗万象的适用范围
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和／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。
图1. 带有非顺序面的系统及梯度折射率元件示例 二. 空前强大的自动设计能力
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。
CODE V 软件中优化计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。
图2. 全局优化结果示例 三. 复杂变焦镜头的理想设计工具
CODE V 提供了多重结
构（广义变焦）同时优化
的能力。多重结构指光学
系统在设计过程中有一个
或多个参数变化，这些参
数可以是镜片之间的距
离，镜片的半径、材料，
也可以是设计波长，光瞳
大小，视场范围等。参数
在每个不同的值时系统称
为一重结构。当变化的参
数仅为镜片之间的空气间
隔时就是传统的变焦镜头
（狭义变焦）。比较常见
的多重结构有插入拔出元 图3. 手机变焦镜头多重结构同时优化示例
件系统（比如光路分光系统和在平行光路中起变倍作用的伽利略望远系统）、分色系统（波长作为变化）、扫描系统（元件的空间角度位置作为变化）、头盔显示系统（观察眼的位置作为变化）。CODEV 在设计这些多重结构的光学系统时，可以设置99重结构，最重要的是可以同时分析和优化所有的结构，避免了系统在某种参数时成像质量很好，但在参数变化时成像质量很差的情形。对于传统的变焦镜头，在整个变焦过程中则可以保持成像质量平稳。
四. 齐全可靠的系
统分析手段
图4. 各种像质分析结果的图形输出示例 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。
五. 卓越超群的公差分配功能
CODE 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、国际标准和中
国国标加工图纸绘制、成
图5. 光学系统的计算机辅助实时装调
本估算等。
六. 独树一帜的环境因素影响计算
对于空间光学系统，环境因素的影响已绝非可以忽略的因素。CODE V 软件的一个重要功能是可以分析计算压力变化、温度变化以及非均匀温度场对系统像质的影响，以便在设计阶段对其加以控制。
七. 可详可简的鬼像和冷反射(Narcissus)分析控制
系统中的鬼像是经常困扰光学设计人员的问题，而冷反射则是带有低温接收元件的红外扫描成像系统所特有的一种像质缺陷。CODE V 提供了基于近轴光线追迹和实际光线追迹的两种不同计算方法，用户可用前者快速地找出造成较严重鬼像或冷反射的问题面，再用后者对其进行进一步分析，并可在优化过程中自动减小或消除其影响。
八. 完整独立的光学工程软件包
CODE 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。
九. 随心所欲的开放式程序结构
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 还可以通过IGES 或DXF
图形文件实现与机械CAD 软件的接口。
图6. 用宏语言编写的查找镜头库和全视场畸变分析程序 十. 方便易学的用户界面
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。
图7. 系统的三维图形和实体建模 十一. 灿若繁星的独有功能
上述许多功能都体现了CODE V 的鲜明特色。其中大部分为其它商品化光学程序所不具备，或者说在CODE V 中这些功能的实现要完整、有效得多。它们包括： ? 帮助用户确定系统初始结
构的“镜头魔棒”
图8. 偏振对点扩散函数的影响 ? 寻找全局最优解的全局优
化算法
? 直接针对衍射光学传递函
数的优化
? 针对用户定义的评价函数
（如泽尼克波像差系数或
光纤耦合效率等）的优化
? 用拉格朗日乘子法在优化
中实现精确约束控制
? 优化中的用户定义的各种
复杂约束
? 用户定义面型
? 带有衍射效率计算的全息元件处理功能
? 梯度折射率材料（包括用户定义的梯度方程）的处理功能
? 部分相干照明下像质分析
? 偏振影响分析
? 在指定的光学表面上进行衍射光束传播计算
? 温度和压力等环境因素影响分析
? 扫描红外系统冷反射分析
?级联频谱响应计算
?系统透过率（包括相对照明度）计算
?对平视显示系统的双眼效果分析
?基于传递函数、均方根波像差或用户定义的评价指标的公差分配
?自动对样板功能
?变焦镜头的凸轮设计
?中国国标加工图纸的自动绘制
?与干涉仪联用实现系统实时装调的功能
?照明系统的分析设计
?多层膜系设计
? 精美的可直接用于设计报告的图形输出
?含有表格功能的Macro-PLUS内部宏程序
十二. 便捷优异的售后服务
北京理工大学光电工程系作为ORA公司在国内的技术支持中心，有关专家可以为用户解答绝大多数技术问题。此外，ORA公司的美国总部也有多名技术人员专门负责通过E-mail或传真解答用户的技术咨询。ORA公司世界首屈一指的技术人员阵容将保证您永远拥有国际上最先进的光学设计与工程技术。
十三. 国际公认的标准光学软件
CODE V软件不但在美、欧、日本等工业化国家得到极为广泛的应用，在我国也有广大的用户群。国内许多著名光学单位如中国科学院长春光机所、西安光机所、成都光电所、上海技物所，以及航天、航空、兵器、船舶、电子领域的主要光学研究所均引进了该软件，许多大型国营、外资和合资光学企业也在利用CODE V研制开发新产品。这些都说明CODE V不仅是国际上的，也已成为国内光学设计的标准软件，是同行间进行各种学术交流的最佳媒介。
上海欧熠光电科技有限公司代理国内销售和提供技术支持
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