ZEMAX中如何优化非序列光学系统（翻译）
优化就是通过改变一系列参数值（称做变量）来减小merit function的值，进而改进设计的过程，这个过程需要通过merit function定义性能评价标准，以及有效变量来达到这一目标。本文为特别的为non-sequential 光学系统优化提供了一个推荐的方法。推荐的方法如下：
The recommended approach is:
?在所有merit function中使用的探测器上使用像素插值，来避免像素化探测器上的量化影响。
?使用这些探测器上的合计值，例如RMS spot size, RMS angular width,angular centroid, centroid location 等，而不是某个特定像素上的数据。这些'Moment of Illumination' 数据优化起来比任何特定的
像素点的值平缓的多。
?在优化开始之初使用正交下降优化法（Orthogonal Descent optimizer），然后用阻尼最小二乘法（damped least squares）和锤优化器（Hammer
optimizers）提炼结果。正交下降法通常比阻尼最小二乘法快，但得到的优化解稍差。首先使用正交下降优化法。
作为例子，我们用几分钟的时间优化一个自由形式的反射镜，最大化LED的亮度，使之从23Cd增加到>250 Cd。
Damped Least Squares vs Orthogonal Descent
ZEMAX 中有2中局部优化算法：阻尼最小二乘法(DLS)和正交下降法(OD)。DLS 利用数值计算的结果来确定解空间的方向，即merit function更低的方向。这种梯度法是专门为光学系统设计的，建议所有的成像和经典光学优化问题使用。然而，在纯非序列系统优化中，DLS 不太成功，因为探测是在像素化的探测器上，merit function是本质上不连续的，这会使梯度法失效。
如下是一个NS系统的the merit function的一条扫描线，该function 仅有一个变量。
可以看到在merit function空间的很长区域内，merit function没有改变，改变的到来是突然的，不连续的。这让基于梯度搜索技术的优化很困难。
正交下降(OD)优化法利用变量的正交规范和解空间的离散采样来减小merit function.OD算法不计算merit function的数字衍生物. 对于merit functions有内部噪声的系统，例如非序列系统，OD常常超越DLS优化.这在照明最大化，亮度增强，和对比度优化等问题上非常有用。
像素插值和NSDD
除了使用的具体的算法外，ZEMAX 还包含一些大大改善NS系统优化的特色。如上所述，由于探测器像素化，NS解空间倾向于不连续。如果给定光线的能量，仅仅分配到一个像素上，当系统改变导致光线在该像素的任意位置移动时没有量的差异。结果是，当光线穿过边界进入新的像素时，merit function产生了不连续的derivatives (衍生物)，优化困难.
这可以通过在探测器上扫描一条光线来说明。如下所示点的全局图给出了探测器的发光中心随光线位置的改变。
解决这个问题的一种方法是使用像素插值。根据光线在pixel内部相交的位置，一部分能量被分配到像素，而不是，而不是将100%的能量分配到单个像素。结果是，当系统改变导致光线移动经过一个像素时，merit function有显著的改变。Pixel interpolation可以在Object properties ->Type标签下选中.
如果我们在pixel interpolation enabled的情况下让一条光线扫描探测器，发光中心，以及大多数其他评价标准的改变是连续的，DLS 能方便的使用。
Merit function中报告的发光中心是利用NSDD优化操作数计算的。NSDD代表non-sequential detector data, 是报告非相关探测数据最有用的操作数。NSDC 对相干的计算是等价的。NSDD 操作数的语法如下：
NSDD Surf Det# Pix# Data
Surf定义非序列组的面(在纯NSC中为1), Det#定义用于报告数据的探测器(它也可以用于清除一个或者全部探测器), Pix#定义需要返回的像素或计算值, Data定义返回flux, irradiance 还是intensity 数据. 这些变量允许一系列评价标准的优化:最小的光斑尺寸(最小的RMS空间宽度),最大能量(总的flux)，空间均匀性(所有像素的标准差-standard deviation),准直(最小RMS角度宽度),及更多其它的。NSDD 功能更细节的描述，参见ZEMAX 使用手册中的Optimization 章节。
系统设置
发光二极管(Light-emitting diodes,LEDs) 是在很多应用中是重要的光源。在汽车照明和显示照明领域，常常需要通过增加辅助光学机构修改这些光源的照明强度来提高LED的亮度。
我们从一个真实LED光源的测量数据开始。参见此文或者本blog的另一篇翻译了解LED建模的更多细节:这里需要知道的只是“source radial” 是用于输入
测量的能量作为角度的函数的.测量光源的总输出能量为27Lumens,且为峰值在627nm的单色光. 如果你不熟悉如何输入数据，参见此文How to Create a Simple Non-Sequential System. 该光源使用Sobol sampling以用最少的光线获得最好的信噪比。
在General...Units中我们设置系统单位如下:
LED光通量(uminous flux )的单位ishi流明(Lumens)因此在本模拟中我们选择该单位.因此照度(Illuminance) 以lm/m2，或称之为勒克斯Lux的单位度量。发光强度Luminous intensity ("brightness")是以每立体角的流明数lumens/steradian 或者坎德拉Candela (Cd)度量.辉度以lm/m2/sr, 或Cd/m2度量, 该单位有时候被称为nit.
初始系统建立如下:
LED光源将光线打在平面镜上，然后照明detector 表面。该文件可从本文最后的链接下载。detector 上空间和角度分布如下：
可见反射镜被LED些微过覆盖，因此空间和角度分布些微非对称.这是有意为之，以给设计增加稍许复杂性.
观察发光强度Luminous intensity点图，峰值亮度41Cd发生在极角27 degrees.接近垂直于detector表面的发光强度luminous intensity仅有27Cd(稍后会讨论该数据如何获得).这样一种轮廓不适合头灯照明系统,或投影照明系统. 经常需
要低角度的光线越亮越好，以便于投影更远。
我们将优化mirror 形状来得到轴上最大亮度. 为此，我们需执行一下步骤:
? 定义merit function描述我们的需求
? 定义mirror表面如何改变
? 执行优化
The Merit Function
Merit function定义光学设计的"质量"，即设计多大程度满足当前的特性.在这种情况下，我们希望在0度角得到最大的亮度(luminous intensity).这很容易由NSDD 和 NSTR操作数得到.在本设计中，detector 是3号对象，我们希望得到0度角的亮度.detector 查看器显示如下:
这给出了x和y方向从-90° 到+90°入射到detector 上的光线的角度范围.在大约35° 之外没有光线，因为LED在此角度之外不发光.峰值强度在约27° .我们对0° 左右的光线感兴趣.有2个评价标准针对这种分布:RMS角宽度和亮度质心luminous intensity centroid. RMS宽度瞄准将被准直的光线(例如，同样的入射角),质心瞄准瞄准该入射角为0.如下merit function取得该入射角看到的亮度luminous intensity:
第一个NSDD 操作数读出了0号detector 对象,该对象不存在;没有0号对象能存在.这是该操作数的特殊用法: ZEMAX 用之清除所有探测器.探测器可以通过定义负数来单独清除(i.e. Det# = -3 仅清除 detector 3).这在定义了多个探测器的系统中很有用.
然后,NSTR操作数告诉ZEMAX 追迹光线.第2，3个操作数读出3号detector,质心x & y (Pix# = -6, -7),data item 2,这就是power/unit立体角.注意我们对准的是发光强度(角度)质心,而不是照度(空间)质心.第4个NSDD 操作数读出所有像素数据的RMS角宽度.此外,最后一个NSDD 操作数为对照之目的报告了中心像素(5101)强度;注意到并未分配权重因此对merit function并无贡献.这个值大概是22 Cd.
最后一个NSDD 操作数与OPGT 操作数联合来保持来保持detector上光通量flux最小.我们将它设置成25因为这是detector上初始光通量flux.如果没有此操作数,可能会通过移走mirror 得到一个为0的merit function!如果没有能量掉在detector上,强度质心和RMS半径为0,且这为我们的目标.该"解"凸显了明确定义well-defined 的重要性.在优化过程中,ZEMAX试图将merit function驱动为0,而不论这对系统结构意味着什么.
The Free Form Mirror
自由形式的表面常常由复合低阶多项式描述,例如样条或者Bezier 曲线.它们通常用于描述诸如涡轮叶片,车身和船体等形式.
在光学系统设计中,它有助于保留基本二次曲面部分的概念，而自由形式从此部分加一个微小量开始偏移.这样做的理由稍后演示.为此，我们使用Extended Polynomial Surface对象.该表面由如下形式的方程描述:
第一项是光学设计中喜爱的标准圆锥非球面,被用于设计球面,椭球面,抛物面,双曲面等反射镜.第二项代表一系列逐渐增加的高阶多项式.这些高阶多项式是x和y的高次幂.第一项是x,然后y,然后 x*x, x*y, y*y, 等.1阶有2项,2阶有3项,3阶有4项等.最大阶是20,这使得最多可有230项多项式非球面系数.坐标值x,y被半径归一化,因此多项式系数是没有量纲的.
本设计中多项式最大的阶限制在20项,因此最高自由形式偏移为x0y5和x5y0.这既非必要也非推荐:仅仅是设计过程中的一个选择.
现在如果我们使用Universal Plot来显示扫描时中心像素强度，可以看到mirror的曲率半径:
可见:
此图同时演示了优化NS系统的难度和恰当定义merit function的需要.如果我们综观评价函数值和基本半径之间的关系，我们可以看到为什么centroid 和spot radius是更好的优化目标.
既然我们的merit function恰当的定义了我们的设计标准,我们将比较DLS和OD的局部和全局算法的优化结果.
Optimization
ZEMAX软件包含两个“global”优化例程，可用于搜寻解空间很大的区域.全局搜寻算法使用遗传算法,随即出发点和局域优化算法相结合,适合在多维参数空间高效搜索低的merit function.锤优化器Hammer optimizer也使用遗传算法和局域优化器来彻底提炼一个Global Search找到的有希望的参数空间的区域结构.
merit function的初始值是14.9,0度的亮度是23 Cd.
我们将首先使用局域搜寻例程的DLS优化(Tools > Optimization > Optimization…)并与OD优化的结果比较.最后锤优化将在2种情况下进行.
既然我们已经定义了merit function和初始系统,仅剩下分配变量.我们所掌握的有22个变量:半径,圆锥曲线参数,和20个多项式系数.分配这些变量的状态,并开始使用DLS算法局域优化,循环执行次数自动选择.
不久之后(11.6 minutes),ZEMAX 得到一个解.Merit function的值降到了6.7,中心像素亮度253Cd.这个优化说明使用像素插值和恰当定义的merit function如何使甚至是DLS算法在non-sequential解空间高效工作.
将此结果以新文件名保存留作比较,并在此打开开始点的文件.这次分配所有22个变量并用OD算法优化.
基于我们之前的对两种局域优化算法比较的讨论，我们可以预期这种优化可以更
快的得到更好的解.的确，该算法所花时间低于DLS算法的2/3(7.5min)并得到很低的merit function值(6.75).
为验证我们得到了一个最佳解而不是掉在局部极小值,我们可为2个系统各跑一次锤优化器.下列表格的结果显示出在局部优化的结果上仅有很小的改进;进一步演示了两种局域优化例程的强大.
*Computer specs: Intel Quad core CPU (2.40 GHz), 4GB RAM
初始光照和辐射强度分布如下所示，接下给出了使用DLS和OD 算法优化的系统.
Starting Point
DLS Optimization
OD Optimization
比较结果可得,两种优化方法都可以相似的解.然而，OD优化法可以用更少的时间得到比DLS法稍优的结果.事实上,优化一个22变量和几个不同照明目标的系统仅用了几分钟.我们从一个平面镜到一个完全优化的解所花的时间比我们容差分析和产生系统绘图的时间还短.一个有相同的变量数的以spot radius为优化目标的序列系统的优化,需要同等的时间.这个例子清楚地演示了OD算法在优化非序列系统时的效率.本文后的zip文件包含OD优化文件.
记住我们不会直接对准中心像素的亮度,但它是RMS半径和质心位置优化的副产品.我们总可以在此评价标准上加上有限的权重,然而结果是RMS半径可能增加.你将发现如果你对准中心像素强度而不是照明二阶矩,系统性能会差很多.
Summary
本文介绍了非序列优化和不同的加速过程.除了不同的算法和优化搜索的尺度,ZEMAX还有一些让非序列优化更高效的特色.总结:
? 由于机遇像素化探测器评价标准的计算,非序列解空间是内在不连续的.
? 在非序列系统优化中OD 优于DLS.
? 像素插值被用于平滑detector 数据并为优化提供更连续的解空间.
? NSDD 操作数为各种通量flux,辐射irradiance和强度intensity 评价标准提供高效的优化.
? 当目标是光束准直时,优化对准照明二阶矩(RMS angular radius)大大优于对准中心像素亮度.
? 优化一个自由形式的反射镜我们可以得到13X增强的轴上亮度.
非序列光线追迹 非序列光线追迹是 Zemax 中的核心技术。它是用于在具有多个光学路径的系统中对光线进行追迹的一种强大通用技术。典型用例包括： 1.照明系统，尤其是具有多个或复杂光源的照明系统 2.干涉仪这类系统，其中穿过几个不同光学系统的光线必须以相干方式重组 3.其他序列光学系统中的杂散光分析 非序列范式是任何光线都没有预定义路径。光线射出并投射到光路中的任意物体上，随后可能反射、折射、衍射、散射、分裂为子光线等。与序列光线追迹相比，这是一项更为通用的技术，因此在光线追迹速度方面要慢一些。 在非序列元件编辑器中提供了物体列表。此列表中的物体顺序没有意义（对此有几个例外情况：有关详细信息，请参见几何形状创建一节）。 光线从光源物体开始传播，直至投射到某个物体上，在该点可能会部分反射、透射、散射或衍射：
的 N-BK7 棱镜面反射，大约 50% 的能在此例中，大约 1% 的能量被涂有 MgF 2 量被两个棱镜相接触的直角斜边面上的膜层反射/透射。系统会发起新光线（称为“子”光线）以带走这部分能量，从而生成能量在系统中的去向的完整视图。 物体 Zemax 中的非序列光线追迹以三维物体为基础。（注意：要求所有程序均支持非序列光线追迹是不现实的。）在 Zemax 中，非序列物体完全由定义该物体所需的所有表面组成。例如，标准透镜物体由正面和背面、连接两面的柱体和边缘上的斜面组成。 多数 Zemax 物体均实现了参数化，这表示这些表面通过下列等式进行了定义。因此，创建和修改很方便，而且仅占用非常少的内存空间。此外，还可以进行优化并确定公差。 有些 Zemax 物体未实现参数化，如 CAD 物体。这些物体只是作为数据文件存在。由于 Zemax 将所有物体均视为三维体，而不是表面集合，所以很容易进行光线追迹和管理大型 CAD 文件。基于表面的代码可能需要成千上万个表面来表示复杂的 CAD 物体：在 Zemax 中，它就是一个物体。但是，不同的表面材料和膜层可应用到一个物体的任何表面，不论使用多少 CAD 实体来予以表示。Zemax 支持 80 多种物体，包括透镜、非球面透镜、棱镜、全息图、Zernike 物体、衍射光栅等。支持物体的完整列表如下所示。此外，还有一系列“运算符”物体，可以从现有物体生成复杂的几何图形。例如，您可以对本地 Zemax 物体
使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 武汉光迅科技股份有限公司宋家军（QQ：41258981）转载并修改 摘要 光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。 简介 ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout) 一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。 根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。 “序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。 大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。
混合式非序列(NSC with Ports) zemax 目录 [隐藏] ?1混合式非序列(NSC with Ports) zemax ?21-1 混合式非序列 ?31-2 例子－混合式非序列 ?41-3 出口埠 ?51-4 非序列组件 ?61-5 对象属性 ?71-6 非序列性透镜对象 ?81-7 复制对象 ?91-8 定义多焦透镜 ?101-9 表面折射 ?111-10 空气透镜 ?121-11 调整焦距参数 ?131-12 多焦透镜 ?141-13 运行优化 ?151-14 带状优化 ?161-15 目标局部 ?171-16 光线目标 ?181-17 系统性能 ?191-18 运行影像分析性能之优化 ?201-19 设罝变数 ?211-20 最终设计 混合式非序列(NSC with Ports) zemax
1-1 混合式非序列 在NSC with Port的设计中，系统使用序列性模式中所定义的系统孔径(System Aperture)与场(Field)。光线从每个被定义的场点(Field Point)射向系统孔径，并且穿越非序列性表面(NSC Surface)前的所有 序列性表面。 随后光线进入非序列性模式的入口端口(Entry Port)，并开始在非序列对象群(NSC Group)中进行传播。 当光线离开出口埠(Exit Port)将继续追迹剩余的序列性表面，直至成像面。 非序列性对象群可透过多个非序列性表面进行定义。NSC with Ports常常被用来仿真不易建立于序列性模式的光学组件。在此我们将着重在多焦透镜(Multi-Focal Lens)上：曲率半径为孔径位置的函数之 光学组件。这个透镜将有四个不同的局部。 1-2 例子－混合式非序列 在功能列中单击「New」按钮来开启新的LDE(Lens Data Editor)。 开启一般资料对话框(General Data Dialog，System->General)，在孔径页里设罝： l 孔径型态：入瞳直径(Entrance Pupil Diameter)； l 孔径尺寸：38 mm。
如何创建一个简单的非顺序系统 建立基本系统属性 我们将创造出一个带点光源的非序列系统，抛物面反射镜和一个平凸透镜镜头耦合成一个长方形光管灯，如下面的布局显示。 我们还将跟踪分析射线探测器获得光学系统中的各点照度分布。下面是我们最终将产生：
如果ZEMAX软件没有运行，启动它。 默认情况下，ZEMAX软件启动顺序/混合模式。要切换到纯非连续模式，运行ZEMAX软件，然后点击文件“>非序列模式。 一旦纯非连续模式，在编辑器窗口的标题栏将显示非连续组件编辑器而不是在连续模式时只用于连续或混合模式系统的镜头数据编辑。
对于本练习，我们会设置系统波长，点击系统>波长，指定波长0.587微米。 我们还将在系统设置单位，System>General /Unit tab “一般组标签如下（默认）(default).。
除辐射辐照装置单位如Watt.cm -2外，您可以指定光度和能源单位，如lumen.cm -2或joule.cm -2。我们将选择默认为这项工作辐射单位。 创建反射 按键盘上的“插入”（insert）插入几行非序列编辑器。 在设计的第一部分，我们将创建一个由抛物面反射镜准直的线光源。然后，我们将在+ Z上放置探测器对象和看光照在探测器上的分布。 建立第一个对象通过抛物面反射镜。在编辑器对象1列“对象类型”（Object type）双击（右击一下）下，打开对象的属性窗口。根据类型选项卡类型设置为标准的表面（Standard Surfauce），然后单击确定。
在编辑器，请在标准表面对象相应的地方列下列参数。对于某些参数，您可能需要滚动到编辑器的右方以看到标题列，显示所需参数的名称。 Material: Mirror Radius: 100 Conic: -1 (parabola抛物线) Max Aper: 150 Min Aper: 20 (center hole in the reflector在反射中心孔) 所有其他参数缺省 您可以通过“分析>布局”>NSC三维布局菜单，或NSC阴影模型（分析“布局”>NSC阴影模型）打开NSC 三维布局，看看反射镜样子。 创建源 更改对象＃2类型（目前是空对象），在编辑器第2行重复前面的步骤并在属性窗口选择线光源（Source Filament）。
ZEMAX中如何优化非序列光学系统（翻译） 优化就是通过改变一系列参数值（称做变量）来减小merit function的值，进而改进设计的过程，这个过程需要通过merit function定义性能评价标准，以及有效变量来达到这一目标。本文为特别的为non-sequential 光学系统优化提供了一个推荐的方法。推荐的方法如下： The recommended approach is: ?在所有merit function中使用的探测器上使用像素插值，来避免像素化探测器上的量化影响。 ?使用这些探测器上的合计值，例如RMS spot size, RMS angular width,angular centroid, centroid location 等，而不是某个特定像素上的数据。这些'Moment of Illumination' 数据优化起来比任何特定的 像素点的值平缓的多。 ?在优化开始之初使用正交下降优化法（Orthogonal Descent optimizer），然后用阻尼最小二乘法（damped least squares）和锤优化器（Hammer optimizers）提炼结果。正交下降法通常比阻尼最小二乘法快，但得到的优化解稍差。首先使用正交下降优化法。 作为例子，我们用几分钟的时间优化一个自由形式的反射镜，最大化LED的亮度，使之从23Cd增加到>250 Cd。 Damped Least Squares vs Orthogonal Descent ZEMAX 中有2中局部优化算法：阻尼最小二乘法(DLS)和正交下降法(OD)。DLS 利用数值计算的结果来确定解空间的方向，即merit function更低的方向。这种梯度法是专门为光学系统设计的，建议所有的成像和经典光学优化问题使用。然而，在纯非序列系统优化中，DLS 不太成功，因为探测是在像素化的探测器上，merit function是本质上不连续的，这会使梯度法失效。 如下是一个NS系统的the merit function的一条扫描线，该function 仅有一个变量。
实验十创建一个简单的非序列系统 一、实验目的： （1）学习如何在非序列编辑器中输入和编辑非序列对象； （2）学习如何在布置图上绘制光线； （3）学习如何跟踪大量射线以获得系统性能的定量数据。 二、实验环境： （1）硬件环境：普通PC机 （2）软件环境：ZEMAX软件平台 三、实验内容： 创建一个不连续的系统，一个灯丝源，一个抛物线反射器和一个普莱诺凸透镜，把光耦合到一个长方形的光管中。 要求按组撰写实验报告，实验报告命名应规范：Optical System CAD-2015110101-Biyang-Lab2。 四、实验步骤： （1）启动ZEMAX，打开Non-Sequential模式 点击File>Non-Sequential,打开非序列模式。 （2）设置波长 设置波长为0.587μm。点击system>wavelength>d(0.587)(select->中)>select->
（3）设置单位 点击system>general>units设置如图所示参数。 （4）在非序列组件编辑器中插入几行镜面 点击insert插入三个镜面。 （5）编辑器打开对象1属性窗口将类型设置为“标准曲面”，并键入下列参数。在对象1的Object Type下双击鼠标左键，选择standard surface。
输入下列参数：Material: Mirror Radius: 100 Conic: -1(parabola) Max Aper: 150 Min Aper: 20 （6）查看NSC三维布局 点击analysis>layout>NSC 3D layout。 （7）编辑器打开对象2属性窗口将类型设置为“Source Filament”，键入下列参数，并查看三维布局。 Z position: 50 # Layout Rays: 20 # Analysis Rays: 5000000
怎样在ZEMAX非序列模式里进行公差分析 摘要这篇文章以自由形(freeform)通光管为例，详述了在ZEMAX非序列模式里进行公差分析的方法。 作者Akash Arora 发布时间2010年9月14日 译者YOng 导语 公差分析是系统地将制造、装配、材料等误差引入到光学系统，并判断它们对系统性能的影响的过程。如果你是第一次接触“公差分析”，或者你想知道更多公差分析过程背后的理论，请先阅读”How to Perform a Sequential Tolerance Analysis”。ZEMAX手册第16章也包含“公差分析”的详细内容。这篇文章的目的是介绍非序列系统里的公差分析的方法。 公差操作数及设置 在非序列系统里，三个公差操作数(TNPS，TNPA和TNMA)可以得到任意感兴趣的微扰值。它们分别被用来设置非序列物体的位置/倾斜，参数及材料特性的公差。两个补偿器操作数(CNPS和CNPA)提供了指定调节方式(allocate adjustment)的全面方法。这两个操作数允许分别指定非序列物体的位置/倾斜及参数为补偿器。另外，操作数TMCO及CMCO允许设置多重结构数据作为公差项和补偿器。你可以从ZEMAX手册第16章得到全面而详细的公差操作数介绍。 非序列公差分析使用用户自定义的绩效函数作为公差准据(toleranc
-ing criterion)，包括绩效函数和使用一系列已保存绩效函数的用户脚本。这种做法的优势是绩效函数极有可能被用于优化过程，对于评估系统系能而言，这些已经足够。关于非序列优化及绩效函数的构建，请阅读文章“How to Optimize Non-sequential Optical Systems”。 下面是非序列公差分析需要注意的事项： ?忽略补偿器的最小/最大边界限制，因为绩效函数和用户脚本是唯一的准据。 作为替代，使用绩效函数边界操作数(NPGT，NPLT等)限制补偿器的边界值； ?操作数TOLR可以用于非序列模式里的优化，但是用户脚本始终是唯一的合 法准据。选择绩效函数作为准据将会导致无限循环。因此，需要确保由用户脚本加载的绩效函数不包含操作数TOLR； ?在非序列系统里没有意义的公差设置(光线瞄准，不同视场/结构等)不适用； ?当对多重结构系统的进行公差分析时，为了考虑每一重结构，绩效函数一定 要包含CONF操作数； ?加速公差分析的小提示： a.NSDD对计算RMS宽度、质心等总体数据(aggregate data)的采样噪声相 对不敏感，因此分析光线不要超过必须数量； b.如果可以，对光源使用Sobol采样； c.简化系统：如果可以，不要使用散射或者CAD/布尔物体； 对自由形物体进行公差分析 作为样例，我们将使用文章“How to Perform Freeform Optical Design”里创建并完成优化的freeform-z通光管。这个完成优化的系统包含一个OSRAM LED 及自由形通光管，并且在探测器上得到了最大的准直功率。这个系统包含在文章
使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 摘要 光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。 简介 ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout) 一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。 根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。 “序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。
大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。 序列性系统需定义视场角(field of view)、波长范围（wavelength range）和表面数据（surface date）。序列性设计的最重要参数之一，为系统孔径(system aperture)。系统孔径，常指入瞳(entrance pupil) 或孔径光栏（STO），它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。光学表面可以是折射、反射或绕射。透镜可以是由均匀或渐变折射率材质所制成。表面的下弯(sag) 可以是球面、圆锥面(conic)、非球面(aspheric)或藉由多项式或其它参数函数
ZEMAX笔记 这儿放置本人在学习ZEMAX时的笔记和心得 一、在zemax中添加棱镜 (2010-04-25 20:46更新) 最近项目zemax建模需要添加一个达夫棱镜组，但因为界面全是E文我只会添加球面和平板等类型，斜面就不会了。在网上找了找，发现zemax自带的例子中包含一个“ZEMA XSamplesNon-sequentialPrismsDouble dove prism.zmx”可以使用。 原来非序列部件可以在“Lens Data Editor”(镜头数据编辑)窗口插入 Non-sequential曲面后，使用“Non-sequential Component Editor”(非序列部件编辑)窗口设计。 二、常用评价函数操作数 (2010-09-13 20:21更新) 这儿只是简单的索引，详细信息可以参考《ZEMAX中文使用说明书》 Operand Definitions ZEMAX supports optimization operands which are used to define the merit function. Each operand may be assigned a weight which indicates the relative importance of that operand, as well as a target, which is the desired value for that operand. The operands are listed below. ABSO EFLY LPTD NPZL PETC SFNO
如何创建一个简单的非顺序系统 Setting up Basic System Properties建立基本系统属性 We will create a non-sequential system with a filament source, a parabolic reflector and a plano-convex lens that couples light into a rectangular lightpipe, as shown in the layout below.我们将创造出一个带点光源的非序列系统，抛物面反射镜和一个平凸透镜镜头耦合成一个长方形光管灯，如下面的布局显示。 We will also trace analysis rays to the detectors to obtain the irradiance distribution at various points in the optical system.我们还将跟踪分析射线探测器获得光学系统中的各点照度分布。Here is
what we will finally produce:下面是我们最终将产生： If ZEMAX is not running, please start it now.如果ZEMAX软件没有运行，启动它。 By default, ZEMAX starts in sequential/mixed mode.默认情况下，ZEMAX软件启动顺序/混合模式。To switch to pure non-sequential mode, open ZEMAX and click File>Non Sequential Mode. 要切换到纯非连续模式，运行ZEMAX软件，然后点击文件“>非序列模式。 Once in pure non-sequential mode, the window title bar of the editor will display the Non-Sequential Component Editor instead of the Lens Data Editor when in sequential mode.一旦纯非连续模式，在编辑器窗口的标题栏将显示非连续组件编辑器而不是在连续模式时只用于连续或混
实用标准文案 精彩文档ZEMAX中如何优化非序列光学系统（翻译） 优化就是通过改变一系列参数值（称做变量）来减小merit function的值，进而改进设计的过程，这个过程需要通过merit function定义性能评价标准，以 及有效变量来达到这一目标。本文为特别的为non-sequential 光学系统优化提供了一个推荐的方法。推荐的方法如下： The recommended approach is: 在所有merit function中使用的探测器上使用像素插值，来避免像素化 探测器上的量化影响。 使用这些探测器上的合计值，例如RMS spot size, RMS angular width,angular centroid, centroid location 等，而不是某个特定像素 上的数据。这些'Moment of Illumination' 数据优化起来比任何特定的 像素点的值平缓的多。 在优化开始之初使用正交下降优化法（Orthogonal Descent optimizer），然后用阻尼最小二乘法（damped least squares）和锤优化器（Hammer optimizers）提炼结果。正交下降法通常比阻尼最小二乘法快，但得到的 优化解稍差。首先使用正交下降优化法。 作为例子，我们用几分钟的时间优化一个自由形式的反射镜，最大化LED的亮度，使之从23Cd增加到>250 Cd。 Damped Least Squares vs Orthogonal Descent ZEMAX 中有2中局部优化算法：阻尼最小二乘法(DLS)和正交下降法(OD)。DLS 利用数值计算的结果来确定解空间的方向，即merit function更低的方向。这种梯度法是专门为光学系统设计的，建议所有的成像和经典光学优化问题使用。然而，在纯非序列系统优化中，DLS 不太成功，因为探测是在像素化的探测器上，merit function是本质上不连续的，这会使梯度法失效。 如下是一个NS系统的the merit function的一条扫描线，该function 仅有一个变量。