鲍威尔棱镜Zemax建模方法与激光光束整形的应用

第十三章表面类型§1 简介ZEMAX 模拟了许多种类型的光学元件。

包括常规的球面玻璃表面，正非球面，环带，柱面等。

ZEMAX 还可以模拟诸如衍射光栅、“薄”透镜、二元光学、菲涅耳透镜、全息元件之类的元件。

因为ZEMAX 支持大量的表面类型，用常用的电子表格形式安排用户界面就比较困难。

例如，对于一个没有发生衍射的表面，开辟“衍射阶数”一列就没什么必要。

为了使用户界面尽可能不显得乱，ZEMAX 使用了不同的类型界面以便指出定义某一种类型的表面时，需要哪一些数据。

§2 参数数据一个标准的表面可以是一个紧随着一均匀介质（如空气，反射镜或玻璃）的平面、球面或圆锥非球面。

所要求的参数仅仅是半径（半径也可以是无穷大，使之成为一个平面），厚度，圆锥系数（缺省值为0，表示是球面），和玻璃类型的名字。

其他的表面类型除使用一些其他值外，同样使用这些基本数据。

例如，“偶次非球面”表面就是使用所有的“标准”列数据再加上八个附加值，这些附加值是用来描述多项式的系数的。

这八个附加值被称为参数，且被称为参数1，参数2，等等。

要理解的参数值的最重要特性是它们的意思会随着所选择的表面类型的不同而改变意思。

例如，“偶次非球面”表面类型用参数1 来指定非球面近轴抛物线项的系数，而“近轴”面则用参数1 来指定表面焦距。

两个表面同样使用参数1，但用途却不同，因为这两个表面类型永远不会同时在同一个面上使用。

数据存储的共享性简化了ZEMAX 界面，也减少了运行程序时所要求的总内存。

但由于你必须去记每一个参数的作用，是否这样的共享反而会使ZEMAX 用起来变得麻烦呢？回答是否定的，因为ZEMAX始终掌握着你所定义的每一面上的每一个参数代表什么的记录。

当你将一个表面从“标准的”改成其他的表面类型后，ZEMAX 会自动改变参数列的列头以使你知道你对表面上的每一个参数作了什么改动。

所有需要你做的只是在正确的格子中键入适当的数据。

当你将光标从一个格子移动到另一个时，列头会一直显示该格是用来作什么的。

目录绪论 (2)第一章激光原理 (4)1.1激光的产生 (4)1.2激光的特点： (4)1.3激光的应用 (6)第二章高斯光束 (6)2.1、高斯光束的特性 (6)2.2、高斯光束的传播 (7)2.3、高斯光束的透镜变换 (9)2.4、高斯光束的聚焦和准直 (12)第三章ZEMAX软件介绍 (13)3.1ZEMAX简介： (13)3.2传统的镜头设计，和大多数成像系统; (14)3.3R AY T RACING的3种方式 (14)3.4软件界面介绍 (16)第五章结论 (23)Zmax关于激光高斯光束波形仿真绪论在时代发展的今天；激光作为目前应用领域不论是在工业切割还是在医学光子领域各种各样的场合越来越需要引进这种光源。

但由于激光具有单位面积能量高不易进行实物实验；还有就是各种光学元器件价格昂贵为了减少损失各种光学模拟软件应运而生。

光学模拟软件可以极大程度的还原真实的实验过程可以做各种各样的光路模拟波形仿真。

ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起。

ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其他软件不同的是ZEMAX 的CAD 转档程序都是双向的，如IGES 、STEP 、SAT 等格式都可转入及转出。

而且ZEMAX可仿真Sequential 和Non-Sequential 的成像系统和非成像系统，ZEMAX 当前有：SE 及EE 两种版本。

Zmax作为一款光学模拟软件其具有上手容易功能强大基本可以满足光学设计的要求，目前市面上主要的光学辅助设计软件有■Zemax （光学设计软件）■TracePro（光学仿真软件）■ASAP（光学仿真软件）■LightTools（光学仿真软件）■CODEV (Optical Research Associates )■OSLO （Lambda光学设计软件）•ZEMAX 是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。

光学设计软件ZEMAX实验讲义光学设计软件ZEMAX是一款广泛应用于光学设计和仿真的工具。

它通过建立光学系统模型、进行光学分析和优化，来实现光学元件的设计和性能评估。

本实验讲义将介绍使用ZEMAX进行光学系统设计的基本流程和方法，以帮助读者快速上手使用该软件进行实验。

实验目的：1.掌握ZEMAX软件的基本操作方法；2.学习使用ZEMAX进行光学系统的建模和分析；3.能够使用ZEMAX进行光学系统的优化和性能评估。

实验仪器和材料：1.计算机（安装有ZEMAX软件）；2.光学元件（例如透镜、棱镜等）；3.光源（例如激光器、光纤等）；4.探测器（例如光电二极管、CCD等）。

实验步骤：1.启动ZEMAX软件，并加载需要的光学元件模型。

可以通过导入现有的元件文件，也可以自己创建新的模型。

2.在光学系统中定义光源和探测器。

选择合适的光源类型，并设置光源的参数，例如波长、光强等。

同样，选择合适的探测器类型，并设置其参数。

3.在光学系统中添加光学元件。

选择需要的元件类型，例如透镜、棱镜等，并设置其参数，例如焦距、角度等。

4.运行光学分析。

可以选择进行光线追迹分析，用于确定光线在系统中的传播路径和光学性能。

还可以进行波前分析，用于评估系统的像差情况。

5.进行光学系统优化。

根据实际需求，调整光学系统中的参数，例如透镜的位置、曲率等，以优化系统的性能。

可以使用自动优化功能，也可以手动调整参数进行优化。

6.进行光学系统性能评估。

通过分析光线传播路径、像差情况等，评估光学系统的性能。

可以使用图像质量指标，例如MTF（传递函数）和PSF（点扩散函数），来评估系统的成像能力。

7.导出结果。

根据需要，将优化后的光学系统结果导出为文件。

可以导出光学系统的参数、光线路径图、波前图等。

实验注意事项：1.在进行光学系统设计前，需要确保熟悉光学基础知识，并了解所使用的光学元件的特性和性能。

2.在使用ZEMAX软件时，需要注意模型的准确性和合理性。

光束整形算法
光束整形算法是一种用于优化3D模型表面拓扑的算法。

它采用了光束追踪技术，将光束作为一个逐点的扫描器，利用扫描器与表面相交的点来重构表面拓扑。

该算法的主要思想是，通过在表面上扫描光束来检测表面的曲率和变化。

当光束与表面相交时，可以通过计算交点周围的点和法向量来获得表面的一些信息。

然后，根据这些信息，可以选择重建或精化当前点的邻域，以优化表面拓扑。

在整个算法中，光束的形状和方向是非常关键的。

光束的形状可以根据表面的曲率和变化来调整，以保证能够准确地检测到表面的细节。

而光束的方向则可以根据需要进行调整，以便在不同的区域内进行不同的操作。

光束整形算法具有许多优点。

首先，它可以自动地检测表面的曲率和变化，从而使拓扑重建更加准确。

其次，它可以自适应地调整光束的形状和方向，从而适应不同的表面形状。

最后，它可以对模型的拓扑进行优化，从而提高模型的质量和效率。

总之，光束整形算法是一种非常有用的算法，可以用于优化3D 模型的表面拓扑。

它可以自动地检测表面的曲率和变化，自适应地调整光束的形状和方向，并对模型的拓扑进行优化，从而提高模型的质量和效率。

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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。

018：光纤输出光斑整形光源的选择问题（非序列模式）前面，我们已经用序列模式（实际是混合模式）描述过光纤输出光斑整形的例子，为何又要在非序列模式中再次描述呢？因为笔者在应用中发现，混合模式在某些情况下仿真的效果不佳。

下面举例来说明这个问题。

随便举个例子，如图18-1所示，先将系统波长设为0.808、0.850、0.880、0.910、0.950、0.980多波长系统（多几个波长或者少几个波长都没关系），光纤作为非序列元件插入到序列模式中，光纤芯径为0.1mm；光纤输出后经消色差透镜准直，再经过一个柱面镜和一个消色差透镜聚焦成为一个椭圆形光斑。

然后打开点列图，查看光斑形状。

如图18-2和18-3所示，在光线数目设置为不同的条件下，光斑形状、几何尺寸会有较大差异。

有时候就会怀疑，光线数目到底多少是合适的，是否光线数目越多越准确呢？不过，光线数目太多的话，会影响显示效果，刷新图像时间比较长（切换一下窗口就会刷新），内存小的话就比较讨厌了。

甚至有时候光线数目差异不大（奇数或偶数差异），但也会导致显示效果差异明显。

于是，我们来看看完全在非序列模式下，仿真效果又会怎样。

图18-1 光学组件列表（参数较多分段显示）图18-2 点列图离焦列表（光线数目7）图18-3 点列图离焦列表（光线数目79）图18-4 3D光路结构图（混合序列模式）为了减少麻烦，用不着重新在非序列模式中编辑所有组件；我们可以将上述例子直接转换到非序列模式下。

步骤为，主菜单Tools→Miscellaneous→Convert to NSC Group，在弹出的对话框中，选择要转换的序列范围，比如，这里是从Surface 2到Surface 13，同时注意勾选Convert file to non-sequential mode，确定后即可转换为非序列模式，透镜元件都在。

不过，你会发现，原来已有的非序列组件不能转换过来，自动消失了。

不过没关系，重新编辑缺失的组件即可。

第二章 基础实例设计ZEMAX基础实例 ‐ 单透镜设计引言• 在成像光学系统设计中，主要指的是透镜系统设计，当然也有一些反射系统或棱镜系统。

• 在透镜系统设计中，最基础、最简单的便是单透镜设计。

但我们不要小看这样的单透镜系统，因为它也代表了一个光学系统设计的完整流程。

麻雀虽小，五脏俱全！• 本节中，我们通过手把手的操作，为大家展示使用 ZEMAX 进行成像光学设计的完整流程。

使初学者快速领略到ZEMAX光学设计的风采，在轻松的设计中感受到光学设计的乐趣。

• 通过单透镜设计，可以使大家学习到Z EMAX 序列编辑器建模方法，光束大小设置方法，视场设置方法，变量的设罝方法，评价函数设置方法，优化方法，像差分析方法和提髙像质的像差平衡方法等，单透镜系统参数设计任何一个镜头，我们都必须有特定的要求，比如焦距，相对口径，视场，波长，材料，分辨率，渐晕，MTF等等，根据系统的简易程度客户给的要求也各不相同。

由于单透镜最简单的系统，要求也就很少。

本例中我们设计单透镜规格参数如下：EPD = 20mmF/#=10FFOV= 10 degreeWavelength 0.587umMaterial BK7Best RMS Spot Radius首先我们需要把知道的镜头的系统参数输入软件中，系统参数包括三部分：光束孔径大小，视场类型及大小，波长。

在这个单透镜的规格参数中，入瞳直径(EPD)为20mm，全视场(FFOV)为10度，波长0.587微米，分别如下说明。

1、点击System » General或点快捷按扭Gen打开通用设置对话框：入瞳直径即到还有其它像空间F 数互转换。

物空间数值直接定义物随光阑尺寸用这种类型本例中，我2、点击打开即用来直接确它几种光束孔(Image Space 值孔径(Object 物点发光角度寸漂移(Float B 型来计算入瞳我们只需选择开视场对话框定进入系统光孔径定义类型e F/#)，用于t Space NA)，来约束进入系By Stop Size)，瞳的大小。

在Zemax中，可以通过以下步骤估算扩束光斑直径：
1. 打开Zemax软件，创建一个新的光学系统。

2. 在光学系统的界面中，添加一个光源（例如激光源）。

3. 在光源的设置中，选择所需的波长和功率。

4. 在光学系统的界面中，添加一个透镜或光纤等光学元件，用于对光源进行扩束。

5. 在光学元件的设置中，调整其参数以实现所需的扩束效果。

这可能包括调整透镜的焦距、曲率半径等参数。

6. 在光学系统的界面中，添加一个探测器（例如光电二极管），用于测量扩束后的光斑直径。

7. 在探测器的设置中，选择所需的探测方式（例如成像探测或光强探测）和灵敏度。

8. 运行光学系统的仿真，观察探测器接收到的光斑大小。

9. 根据探测器接收到的光斑大小，可以估算出扩束后的光斑直径。

这可以通过测量光斑的直径或使用光学软件中的测量工具来完成。