用Zemax进行优化设计

各种光学口动软件最终都归结到优化*1数结构和优化过程算法的问题。

最近，本人在使用ZEMAX过程中，仔细分析了一下构成ZEMAX软件的优化函数构成以及优化过程算法，有些心得，留给入门的朋友们共享。

一、优化两数结构凡使用过SOD88软件（北京理工大学光屯工程系开发）或者ZEMAX、CODEV的设计人员都知道，优化的参数包插以下儿个种类：光学特性参数，例如焦距、入瞳距离、成像尺寸或者物高、物距，镜片间空气间距、镜片片度等等；像质参数，例如崎变、场曲、彗差等等。

ZEMAX将所有这些要求达到的丨I标都作为一个优化元附加一定的权重系数组成一个优化函数，并且通过改变结构参数使得这个优化函数趋向最小。

数学表达式为：，其中为各个优化元的权匝系数，为系统结构参数光学追迹出來的各个优化元，例如焦距、畸变、営差等等，为该优化元的目标值。

优化过程冇局部优化和全局优化两种。

局部优化是指，通过改变系统结构参数的数值（半径、厚度、光学玻璃材料）计算出各个优化元的数值，然后构成整个优化两数的值的计算过程。

该过程的思路是解决当前状态已经处丁?“『型中的某个位置，迫使其落到“U”中间的最小位置。

全局优化和局部优化不同的是，优化过程类似于一?个搜索过程，这个搜索过程在结构参数限定的某个区域内进行优化，优化函数可能经历若干过波峰和波谷（多个极值之间）进行。

山于采用的方法不同，构成了多种全局优化算法。

全局优化能够避开某个局部极值寻找到史加优良的结构形式，使得光学设计距离完全H动化更进了一步。

当然，目前的各种算法都还冇一定局限性，例如搜索能力强度、计算复杂程度，由此影响计算速度、计算资源需求量以及误差累计造成的進确度等等问题。

但是不管怎么样，现有的儿种光学设计软件基于现有的高度发达计算机水平、光学设计发展水平和数学优化算法等，已经能够很好的满足具有一定光学设计经验知识的设计者们。

二、ZEMAX的缺省优化函数结构入门的光学设计者通常知道在进行结构优化时选用default 缺省的优化函数，然后加入少量的优化目标例如焦距來进行优化分析，但是对于这个缺省结构怎么构成的常常缺乏深入分析，这在一定程度上限制了我们进一步充分利用软件优化能力的水平发挥。

各种光学自动软件最终都归结到优化函数结构和优化过程算法的问题。

最近，本人在使用ZEMAX过程中，仔细分析了一下构成ZEMAX软件的优化函数构成以及优化过程算法，有些心得，留给入门的朋友们共享。

一、 优化函数结构凡使用过SOD88软件(北京理工大学光电工程系开发)或者ZEMAX、CODEV的设计人员都知道，优化的参数包括以下几个种类：光学特性参数，例如焦距、入瞳距离、成像尺寸或者物高、物距，镜片间空气间距、镜片厚度等等；像质参数，例如畸变、场曲、彗差等等。

ZEMAX将所有这些要求达到的目标都作为一个优化元附加一定的权重系数组成一个优化函数，并且通过改变结构参数使得这个优化函数趋向最小。

数学表达式为：，其中 为各个优化元的权重系数， 为系统结构参数光学追迹出来的各个优化元，例如焦距、畸变、彗差等等， 为该优化元的目标值。

优化过程有局部优化和全局优化两种。

局部优化是指，通过改变系统结构参数的数值(半径、厚度、光学玻璃材料)计算出各个优化元的数值，然后构成整个优化函数的值的计算过程。

该过程的思路是解决当前状态已经处于“U”型中的某个位置，迫使其落到“U”中间的最小位置。

全局优化和局部优化不同的是，优化过程类似于一个搜索过程，这个搜索过程在结构参数限定的某个区域内进行优化，优化函数可能经历若干过波峰和波谷(多个极值之间)进行。

由于采用的方法不同，构成了多种全局优化算法。

全局优化能够避开某个局部极值寻找到更加优良的结构形式，使得光学设计距离完全自动化更进了一步。

当然，目前的各种算法都还有一定局限性，例如搜索能力强度、计算复杂程度，由此影响计算速度、计算资源需求量以及误差累计造成的准确度等等问题。

但是不管怎么样，现有的几种光学设计软件基于现有的高度发达计算机水平、光学设计发展水平和数学优化算法等，已经能够很好的满足具有一定光学设计经验知识的设计者们。

二、 ZEMAX的缺省优化函数结构入门的光学设计者通常知道在进行结构优化时选用default 缺省的优化函数，然后加入少量的优化目标例如焦距来进行优化分析，但是对于这个缺省结构怎么构成的常常缺乏深入分析，这在一定程度上限制了我们进一步充分利用软件优化能力的水平发挥。

ZEMAX的基本像差控制与优化ZEMAX已经成为光学设计人员最常用的工具软件了。

光学设计中，描述和控制一个光学系统的初级像差结构，通常使用轴上球差、轴向色差、彗差、场曲、畸变、垂轴色差、像散等像差参数。

当我们企图更为详细的描述和控制轴外指定视场、指定光束的像差结构时，常常会使用轴外宽光束球差、彗差和细光束场曲等三个像差参数。

然而，ZEMAX 并不能像SOD88那样直接引用相对应的像差操作数来指定像差目标大小，更没有描述高级像差数的像差操作数，这些通常都需要设计者自行分析和定义。

描述和控制系统光束结构的方法因习惯而有一定的差异，由于某些像差变量之间有某种相关性，而设置的优化权重又可以不同，因此常常都能够达到相同的效果，只是所计算的数学步骤不同而已。

到底选择多少个参数来描述一个系统，虽无统一规定，但是还是要因系统像差特性不同而区别选择。

经验表明，最少最准确的参数描述量，能够尽可能的提高优化的效率，并且减少掉入效果较差的局部优化的次数。

经验丰富的工程师，轻车熟路，在这个环节上少走了很多的弯路，从而其设计效率和设计出来的产品品质要比通常的设计人员有些得多，成功率高的多。

笔者撰写本文的目的就是企图浅显的探讨光学设计中，ZEMAX中光学结构的描述方法以及权重选择的问题。

这些都是笔者在设计当中积累的经验，可能这个文章的论断会由于经验的多寡有一定的局限性，所以希望读者当作参考，不要照搬。

一基本像差描述和控制1、轴上球差LONA 和 SPHALONA表示的是轴上物点指定波长，指定光束尺寸(光线对)的轴上成像交点到近轴焦平面之间轴向距离。

这个定义和我们定义的轴向球差相同。

光瞳尺寸(光束尺寸)在0~1之间，那么将追迹实际的光束汇交点计算轴向球差。

SPHA常用于指定面产生的像差数值。

若不指定特殊面(取值为0)，则计算所有面产生球差总和。

注意这个总合不是像差计算公式中的经过各面逐个放大之后的加权和，而是代数和(有待读者进一步验证)。

ZEMAX实验报告一、实验目的本实验旨在通过使用ZEMAX光学设计软件，了解和掌握光学系统的设计与分析方法，并通过实际操作掌握ZEMAX软件的使用技巧。

二、实验原理三、实验内容1.安装和熟悉ZEMAX软件。

首先进行软件的安装和启动，并浏览和熟悉软件的界面和功能按钮。

2.构建简单光学系统。

根据实验要求，通过添加光学元件和定义其参数，构建一个简单的光学系统。

3.分析光学系统的性能。

使用ZEMAX软件对光学系统的像差、光斑大小等性能进行分析。

4.优化光学系统的设计。

根据分析结果，对光学系统进行调整和优化，以使其性能达到要求。

四、实验步骤1.打开ZEMAX软件，并新建一个光学系统文件。

2. 添加光学元件。

点击“Add Surface”按钮，在光学系统中添加透镜、曲面、衍射光栅等光学元件。

3.定义光学元件的参数。

根据实际需求，输入光学元件的曲率、厚度、折射率等参数。

4. 设置光学系统的光源。

点击“Source”按钮，并设置光源位置和光束发散角度等参数。

5. 进行光线追迹。

点击“Ray Trace”按钮，在光学系统中发射光线并追踪光线的传播路径。

6.分析光学系统性能。

根据光线追踪结果，使用ZEMAX软件对光学系统的像差、光斑大小等性能进行分析。

7.优化光学系统设计。

根据分析结果，适当调整光学系统中的光学元件参数，使光学系统性能达到要求。

8.导出分析结果。

最后可以将优化后的光学系统性能结果导出为报告或图表。

五、实验结果和分析通过使用ZEMAX软件进行光学系统设计和分析的实验，我们可以得到光学系统的像差、光斑大小等性能指标。

通过分析结果，可以发现光学系统的设计是否满足了要求，并根据需求对光学系统进行调整和优化。

在优化光学系统设计的过程中，我们可以通过改变曲率、厚度和折射率等参数来调整光学元件的性能。

通过不断迭代优化，可以使光学系统的准确度和性能得到改善。

六、实验总结通过本次实验，我们了解和掌握了ZEMAX光学设计软件的使用方法，并通过实际操作进行了光学系统的设计和分析。

zemax基本操作流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by theeditor. I hope that after you download them,they can help yousolve practical problems. The document can be customized andmodified after downloading,please adjust and use it according toactual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types ofpractical materials,such as educational essays, diaryappreciation,sentence excerpts,ancient poems,classic articles,topic composition,work summary,word parsing,copy excerpts,other materials and so on,want to know different data formats andwriting methods,please pay attention!Zemax 是一款常用的光学设计软件，以下是基本操作流程：1. 新建项目：打开 Zemax 软件，选择“新建”创建一个新的项目。

Zemax入门基础之优化Zemax问题集第五章优化(Optimization)已知透镜的孔径、厚度、曲率半径皆为固定，可是边缘厚度希望为零，现在我将suf设在2和3之间，target设零，weight设100，但我发现我没有变量，不能优化，所以将厚度0.8设为变量去跑优化，没想到透镜厚度变更宽，MXEG似乎没用。

请问可以在不跑优化，也就是不设罝merit function的情形下，将透镜边缘厚度改为零吗？Answer：可以在不跑优化，也就是不设罝merit function的情形下，将透镜边缘厚度改为零：具体做法是在thickness上按右键，用solve进行Edge thickness 的设罝。

或者您也可以试着使用ETVA(edge thickness value)这个操作数。

如何使Spot Diagram中的RMS&GEO变小?Answer：在Merit Function中提供几个命令来Follow您Default的内容来做Spot Size的优化，分别是RSCE、RSCH、RSRE、RSRH，您需根据您所Default的参考依据来选择其中一个命令来使用，如Centriod、Chief Ray、Ring、Grid...etc。

Question 3：在优化过程中，如何定义在不同Pupil的地方，其Longitudinal Aberration曲线可以依照自己的意思跑吗？Answer：当在使用AXCL和LACL等命令时，无法使用Hx、Hy、Px、Py 来控制实际光线所走的路径，此时会是一类型似默认的方法来达到优化，通常在Pupil的0.8处有交点，但若当您使用REAY等命令时，您可在Py的地方给定0~1的值，即代表您希望在Pupil上的某个点所出射的光线其Longitudinal Aberration会最小，即可在不同的Pupil处依您的意思去做优化。

如何使用ZEMAX的功能来分析镜头的TV Distortion?Answer：关于TV Distortion的分析同样可使用ZEMAX的分析功能，分析功能在Anaylsis->Miscellaneous->Field Curv/Dist和Grid Distortion。

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基于ZEMAX的气体光学吸收池的设计与优化徐金凤;张玉钧;何莹;尤坤;高彦伟【摘要】The core device of gas absorption spectroscopy real-time monitoring system is open optical absorption cell. According to the transmission matrix theory and ABCD rule ofqparameter, optical absorption cell structure composed of two opposing C-Lensis designed, and its simulation and optimization is realized under ZEMAX physical optics model. Preliminary parameters obtained from the theoretical analysis of the structure are optimized in ZEMAX, and the suitable optimization function is used for correcting aberration and to get parameters of absorption cell structure with a working distanceof100.39cmafter gradually optimization. Gaussian beam waist radius from one end of the fiber output as 5.2m, after C-Lens focusing and collimating, is coupled to the other end of the fiber output with waistradius of 5.48m, and the coupling efficiency of optical absorption cell for methane near-infrared laser is up to 92%. Experiments show the stability of the optical absorption cell and a high coupling efficiency, which is suitable for methane gas open optical gas sensing and online monitoring applications.%基于光谱吸收法的瓦斯实时监测系统的核心器件是开放式光学吸收池，根据矩阵传输理论和q参数的ABCD法则，设计了由2个相对的C-Lens组成的光学吸收池结构，并在ZEMAX的物理光学模式下实现仿真与优化。

zemax激光光学设计实例与应用
ZEMAX是一种用于光学系统设计和分析的软件工具，它可以应用于激光光学设计与优化。

以下是一些激光光学设计实例及应用。

1. 二极流CO2激光器的光路设计
二极流CO2激光器是一种常见的光学器件，其光路设计需要考虑到多种物理效应。

使用ZEMAX进行二极流CO2激光器光路设计，可以优化光路的效率和性能。

例如，通过添加适当的激光束扩展器可以提高光束质量和稳定性；优化反射镜的性能可以提高激光器的输出功率和效率。

2. 红外光学系统的设计
使用ZEMAX进行光学系统设计可有效提高系统的性能和光学吸收率。

例如，在红外激光器中，设计合适的焦距和两个镜头之间的距离，并对光学系统进行优化，可以显著提高系统的分辨率和成像质量。

3. 光束仿真
另一种常见的激光光学设计应用是光束仿真。

ZEMAX可以用于模拟光束在特定光学系统中的传播和焦聚。

这可以帮助设计师更好地理解光线如何在光学系统中传播。

例如，在激光切割中，设计师可以使用ZEMAX来仿真光束的传播路径和聚焦质量，以优化切割效果。

4. 激光雕刻机的光路设计
激光雕刻机是一种常见的激光光学器件，用于刻蚀或切割材料表面。

在设计激光雕刻机时，需要考虑到多种物理效应，例如材料的吸收率和光束的聚焦度。

使用ZEMAX进行光路设计和优化，可以改善雕刻效果和机器的精度。

设你需要设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃，你该怎样开始呢？首先，运行ZEMAX。

ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）。

你可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸，以适合你自己的喜好。

LDE由多行和多列组成，类似于电子表格。

半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。

LDE中的一小格会以“反白”方式高亮显示，即它会以与其他格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。

如果没有一个格子是高亮的，则在任何一格上用鼠标点击，使之高亮。

这个反白条在本教程中指的就是光标。

你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE，使光标移动到你想要停留的地方，或者你也可以只使用光标键。

LDE的操作是简单的，只要稍加练习，你就可以掌握。

开始，我们先为我们的系统输入波长。

这不一定要先完成，我们只不过现在选中了这一步。

在主屏幕菜单条上，选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。

屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。

ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供你选择。

用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。

现在，在第一个“波长”行中输入486，这是氢（Hydrogen）F谱线的波长，单位为微米。

ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。

现在，在第二行的波长列中输入587，最后在第三行输入656。

这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。

在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。

这个指示器指出了主要的波长，当前为486微米。

在主波长指示器的第二行上单击，指示器下移到587的位置。

主波长用来计算近轴参数，如焦距，放大率等等。

ZEMAX一般使用微米作为波长的单位“权重（Weight）”这一列用在优化上，以及计算波长权重数据如RMS点尺寸和STREHL 率。

zemax的基本操作流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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zemax 2005 指南zemax 2005呀，这可是个挺有趣的光学设计软件呢。

一、入门小知识。

这个软件一打开，界面可能会让你有点小懵，但别怕呀。

它的界面布局其实是很有逻辑的。

你看那菜单栏，就像是一个宝藏地图，里面藏着各种各样的功能选项。

比如说，文件菜单，这里就是你打开、保存和打印文件的地方，就像我们平时用的办公软件一样基础又重要。

再看那编辑菜单，这里面有很多对已经创建的东西进行修改的功能，像是移动呀、复制呀之类的。

在zemax 2005里创建一个新的光学系统设计项目也不是很难的事儿。

你就像搭建积木一样，一步一步来。

先确定好你的光学系统的基本参数，像是什么样的透镜呀，光线的传播介质之类的。

这就好比你盖房子，得先确定是用砖头还是木头，是在平地上盖还是在山上盖一样。

二、光学元件的操作。

说到光学元件，那可太多花样了。

透镜是最常见的啦。

在zemax 2005里添加一个透镜就像是从魔法口袋里掏出一个小道具一样。

你可以设置透镜的各种参数，像焦距、直径、折射率这些。

而且呀，你还能把不同的透镜组合起来，创造出更复杂、功能更强大的光学系统。

这就像是把不同的小零件组装成一个超级厉害的机器人一样。

除了透镜，还有反射镜呢。

反射镜的操作也有它自己的小窍门。

你得注意它的反射面的方向呀，还有反射率这些参数的设置。

这就好比你在布置一面镜子，得让它朝着正确的方向，才能把光线反射到你想要的地方。

三、光线追迹。

光线追迹可是zemax 2005里超级酷的一个功能。

你想象一下，你就像一个小小的光线精灵，跟着光线在光学系统里跑来跑去。

通过光线追迹，你可以看到光线是怎么在你设计的光学系统里传播的。

是直直地穿过透镜呢，还是在反射镜上被反射到别的地方去了。

这能让你直观地了解你的设计是不是合理。

如果光线在某个地方走得很奇怪，那可能就是你的设计有问题啦，就像小火车在轨道上突然出轨了一样，你就得赶紧去检查检查是哪个地方出了岔子。

四、优化设计。

当你初步搭建好你的光学系统后，就到了优化的环节啦。