Zemax光学设计软件与其优越性价比

20世纪50年代美国开始将计算机成功运用于光线追迹计算，随着光学自动设计理论不断发展，半个多世纪以来，已经出现了许多功能完善的光学设计软件。目前主流的国外软件有美国Optical Research Associates公司的CODE−V、LightTools软件，Lambda Research Corporation的OSLO、TracePro软件，Focus Software Inc开发的Zemax软件，英国Kidger Optics公司的SIGMA软件等。国内较有影响的光学设计软件有北京理工大学研制的SOD88、Gold，以及中科院长春光机所开发的CIOES等。这些软件能够解决光学系统建模、光路追迹计算等基本问题，同时具有像质评价、照明分析、自动优化、公差分析等功能。光学自动设计软件的出现大大减轻了光学设计人员的工作强度，也有助于节省资源，缩短设计周期，为开发出高质量高效能的现代光学仪器提供有利的手段。

近几年来，Zemax由于其优越的性价比而在光学设计领域所占份额越来越大，已成为全球被最广泛采用的软件之一。在我国，使用Zemax进行光学设计的技术人员也与日俱增。本章将对Zemax光学设计软件的基本应用进行介绍。

Zemax是Focus Software公司推出的一款综合性光学设计软件。这一软件集成了包括光学系统建模、光线追迹计算、像差分析、优化、公差分析等的诸多功能，并通过直观的用户界面，为光学系统设计者提供了一个方便快捷的设计工具。十几年来，研发人员对软件不断开发和完善，每年都对软件进行更新，赋予Zemax更为强大的功能，因而其被广泛用在透镜设计、照明、激光束传播、光纤和其他光学技术领域中。

Zemax软件有两个不同版本：Zemax−SE（标准版）和Zemax−EE（工程版）。两个版本针对不同用户的要求分别制定。其中，Zemax−EE版本包含了Zemax−SE版本的所有特性，能够兼容Zemax−SE的文件，并在此基础上增加了一些高端的设计功能。

Zemax采用序列（Sequential）和非序列（Non−sequential）两种模式模拟折射、反射、衍射的光线追迹。序列光线追迹主要用于传统的成像系统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等。这一模式下，Zemax以面（Surface）作为对象来构建一个光学系统模型，每一表面的位置由它相对于前一表面的坐标来确定。光线从物平面开始，按照表面的先后顺序（Surface 0，1，2…）进行追迹，对每个面只计算一次。由于需要计算的光线少，这种模式下光线追迹速度很快。

许多复杂的棱镜系统、照明系统、微反射镜、导光管、非成像系统或复杂形状的物体需采用非序列模式来进行系统建模；同时，在需考虑散射和杂散光的情况下，也不能采用序列光线追迹。这种模式下，Zemax以物体作为对象，光线按照物理规则，沿着自然可实现的路径进行追迹，可以按任意顺序入射到任意一组物体上，也可以重复入射到同一物体上，直到被物体拦截。计算时每一物体的位置由全局坐标确定。对同一元件，可同时进行穿透、反射、吸收及散射的特性计算。与序列模式相比，非序列光线追迹能够对光线传播进行更为细节的分析，包括散射光和部分反射光。但此模式下，由于分析的光线多，计算速度较慢。(www.xing528.com)

在一些较为复杂的光学系统中，可以同时使用序列和非序列光线追迹。根据需要，可以采用序列光学表面与任意形状、方向或位置的非序列组件进行结合，共同形成一个系统结构。

Zemax中采用右手坐标系。光轴为Z轴，从左至右为正方向；X轴正方向指向显示器以里；Y轴垂直向上，如图2−1所示。通常，光线由物方开始传播，反射镜可以使传播方向反转。当经过奇数个反射镜时，光束的物理传播沿−Z方向。此时，对应的厚度是负值。

Zemax是基于Windows的应用程序。以2008年11月发布的Zemax为例，对系统的要求是：硬盘空间不能小于200 MB，显示器分辨率至少要达到1 024×768。需要的内存则与所设计的光学系统以及所采用的分析类型有关。对于传统的成像系统，最小只需256 MB内存；但在设计更为复杂的系统时（如物理光学、散射和照明分析等），至少应具备512 MB内存，如果能够达到1 GB以上则可以更好地提高软件的效率。

图2−1　Zemax坐标系统

与其他Windows应用程序类似，Zemax软件属于一种交互式操作程序。执行命令后，系统进行相应的操作并刷新内部数据。这种交互式操作是通过Zemax软件的用户界面来完成的。