常见光学设计软件介绍

1）SOD88（中国）

SOD88 光学设计软件包是由北京理工大学光学教研室研制的，是我国在光学仪器行业和高校、科研院所应用最广的具有自主知识产权的光学设计软件。它具有像质评价，如几何像差、点列图、光学传递函数等，变焦系统像差计算与像差自动校正、公差计算等功能。此外，中科院长春光机所和成都光电所联合开发的光学设计软件CIOES 的功能也很优秀。

国内的光学设计软件之所以现在不被广泛使用，其原因是它们没有很好地与Windows 系统相结合一起发展，这也是国内光学设计软件技术革新的一个方向。

2）OSLO（美国）

OSLO 是Optics Software for Layout and Optimization 的缩写。OSLO 主要用于照相机、通信系统、军事/空间应用及科学仪器中的光学系统设计，特别当需要确定光学系统中光学元件的最佳大小和外形时，该软件能够体现出强大的优势。OSLO 也用于模拟光学系统的性能，并且能够作为一种开发软件去开发其他专用于光学设计、测试和制造的软件工具。几乎任何一个涉及光波传播的光学系统都可以使用OSLO 进行设计，以下是一些典型的应用实例：常规镜头（Conventional Lenses），缩放镜头（Zoom Lenses），高斯光束/激光腔（Gaussian Beam/Laser Cavities），光纤相合光学（Fiber Coupling Optics），照明系统（Illumination Systems），非连续传播系统（Non-Sequential Propagation Systems），偏振光学（Polarization-Sensitive Optics），高分辨率成像系统（High-Resolution Imaging Systems）。

此外，OSLO 还可以设计具有梯度折射率表面、非球面、衍射面和光学全息、透镜矩阵、干涉测量仪等光学系统。OSLO 不适用于波导设计，也不适用于眼镜设计。

OSLO 的主要优点如下：

①具有以设计者为导向的设计风格。OSLO 着重交互性的光学设计，在设计过程中，计算机向设计者提供容易理解的反馈信息，这使得设计者能够及时做出取舍决定，选择最佳的解决方案。OSLO 在使用交互性设计控制方面是独特的，这使得它的用户界面尽可能直观。

②功能强大并且精确度高。OSLO 使用先进的光学设计技术，包括多重优化和公差方法，高性能非连续光线追迹和随机的光源建模与分析。OSLO 是第一个出现在桌面计算机上使用的严格的光学设计软件。

③灵活性强。OSLO 能够在世界范围内成为主导的设计工具的一个主要原因是它很容易根据用户需要进行定制，并且能够将程序改编成特殊的需要。

3）CODE-V（美国）

CODE-V 是美国著名的Optical Research Associates 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50 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。

CODE-V 是世界上应用最为广泛的光学设计和分析软件，近三四十年来，CODE-V进行了一系列的改进和创新，包括：变焦结构优化和分析，环境热量分析，MTF 和RMS波阵面基础公差分析，用户自定义优化，干涉和光学校正、准直，非连续建模，矢量衍射计算（包括了偏振），全球综合优化光学设计方法。

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（如衍射光棚、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。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、光纤和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。

目前，世界各地的用户已成功利用CODE-V 设计研制出了大量照相镜头、显微物镜、光谱仪器、空间光学系统、激光扫描系统、全息屏显系统、红外成像系统及紫外光刻系统等，举不胜举。近几年内，CODE-V 又被广泛地应用于光电子和光通信系统的设计和分析。

CODE-V 有巧妙、易用的用户界面，能快速进行设计设置，有智能的默认值和创新的算法可以从容获取精确结果，有无与伦比的优化和公差分析能力，能基于衍射的图像模拟轻松呈现光学系统性能。

CODE-V 含有数种独特、快速的算法。CODE-V 的全局优化使用了ORA 发明的算法。该算法是唯一一种能够在复杂光学系统（包括变焦镜头上）产生有用结果的商用算法。工程师们可以使用这个功能生成初始设计，或者确认最终候选设计是否确实是最好的方案。CODE-V 的MTF 优化算法与使用有限差分算法的同类方案相比，速度更快且更加精确。

CODE-V 的主要公差功能使用波前差分算法，使得公差成为设计过程的一部分，而不是在设计结束时进行分析。该算法可以比同类算法快好几个数量级，具体取决于系统的复杂程度。利用这一超凡能力，工程师们在设计周期的最早期阶段即可确定能得到最佳实际制造性能的设计概念，从而获得最佳的产品设计。

4）ZEMAX（美国）

ZEMAX 是一套综合性的光学设计软件，它使用光线追击的方法来模拟折射、反射、衍射、偏振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。ZEMAX 光学设计软件有三种版本：ZEMAX-SE（标准版）、ZEMAX-XE（扩展版）、ZEMAX-EE（工程版），其中ZEMAX-EE 版本的功能最全面。每年更新版本，现在已经是ZEMAX 2018 版。

ZEMAX 的主要特色如下：

①分析。提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图片文件（如*.BMP、*.JPG 等格式），也可存成文本文件（*.txt 格式）。

②优化表栏式。Merit Function 参数输入，对话窗式预设Merit Function 参数，方便使用者定义，且有多种优化方式供使用者使用，如Local Optimization 可以快速找到最佳值，Global/Hammer Optimization 可找到最好的系统参数。(www.xing528.com)

③公差分析。表栏式Tolerance 参数输入和对话窗式预设Tolerance 参数，方便使用者定义。

④报表输出。多种图形报表输出，可将结果存成图片文件及文本文件。

ZEMAX 软件应用的领域包括：传统相机镜头、数码相机镜头、显微镜、望远镜及目镜等镜头设计等；各种变焦镜头、手机摄像头等；各种夜视系统、光学发射天线等；LCD 背光板和LED 建模；光管、光纤连接器等通信系统和元器件；车灯等各种照明系统设计和分析；DVD 和VCD 激光读写头；LCOS 和DLP 等各种投影仪及光学引擎设计；干涉仪、全息光学；各种激光器谐振腔等。

ZEMAX 中采用右手坐标系。光轴为Z 轴，从左到右为正方向；X 轴正方向指向显示器里面；Y 轴垂直向上。通常，光线由物方开始传播，反射镜可以使得传播方向反转。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 软件界面友好、简洁，稍加练习就能很快地上手进行设计使用。在软件中可以建立反射、折射、衍射及散射等模型，也可以进行偏振、镀膜和温度、气压等分析，具有强大的像质评价和分析优化功能。最值得称道的是，ZEMAX 软件自带大量现成的镜头和玻璃、样板数据库，可供学习者选择和使用。

在所有的商业软件中，ZEMAX 软件是最早进入中国市场的。到目前为止，ZEMAX软件也是所有商业软件中性价比最高的光学设计软件之一，本教研室购买了ZEMAXEE 版，本书就选择以ZEMAX 软件为基础来介绍光学设计实用技术。

5）TracePro（美国）

TracePro 是美国Lambda Research 公司研制的一套符合工业标准的ACIS 固体模型绘图软件，也是功能非常强大的专业级光学设计和光学分析软件。它给用户提供了一个非常友好的交互式使用平台，更偏向于非成像光学系统的设计和照明设计。它的主要应用领域非常广泛，包含了使用照明的很多方面，如灯光照明设计、非成像镜头设计、光导管设计、杂散光分析，以及很多光学研究等方面。并且相比于同类型的其他光学设计软件，TracePro 是更加高效和直接的计算机辅助光学设计软件。

TracePro 的应用范围包括：非成像光学系统（如投影仪）；LED 光源和LED 照明；日光灯、平板灯和格栅；建筑和展示照明；消费产品照明；车灯和航空照明；医疗设备和舞台照明；运输和应急照明。

TracePro 在光学设计中偏向于照明设计，是一套功能强大、准确可靠、界面友善、易学易用的光线追击模拟软件。TracePro 可以进行光学成像分析、辐照度分析及人眼视觉成像分析等，几乎涵盖了所有光线追击的问题。

TracePro 拥有完整成熟的视窗界面，其直接友善的设计架构，可以非常快速地让使用者熟悉软件的操作。TracePro 使用ASIC 实体绘图引擎作为其CAD 的运算核心，能轻易地新建或汇入光学模拟所需的固体模型。TracePro 独家研发的RepTile 功能，可方便地建构重复性的光学组件，特别像LCD 的背光模组导光板上的网点结构设计，可以大幅减少建模时间，加速产品的开发生产过程。

TracePro 的光线追击运算核心属于非序列性描光，除了可以自行建立光源与几何物体的材料属性外，也可以使用内建的光源及材料资料库来进行光学材料的设定。TracePro 可以同时或个别考虑反射、折射、吸收、双向散射、体散射、渐变折射、光学薄膜、荧光粉及偏光膜等光学材料的模拟。结合Monte Carlo 的统计采样计算方式，其光线追击的结果十分可靠，能够准确地预测光学行为。

基于以上优点，TracePro 在国内照明设计行业，是一款非常流行的光学设计软件。

6）LightTools（美国）

LightTools 软件是由美国Optical Research Associates（ORA）公司于1995 年开发而成的光学系统设计软件。LightTools 是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件系统，提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、反射镜、分束器、衍射光学元件、棱镜、机械结构以及光路。由于LightTools 把光学和机械元件集合在统一的体系下处理，并配有放置光源、发射光线的非顺序面光线追击的强大功能，使它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光分析、照明系统设计分析等方面发挥重要的作用，成为人们理想的光学设计辅助工具。

LightTools 软件具有以下特点：

①提高光学设计效率。

②高精度和准确的计算结果。与机械和光学CAD 软件不同，LightTools 中的表面形状是用参数公式来定义的，以对所有计算保持表面形状、位置和交点的光学精度。因此，这种光学精度确保了LightTools 模型能像真实系统一样工作，保证了计算结果的准确性。

③支持复杂的几何图形。照明子系统的设计难点不仅包括通过系统取得光线，还包括为系统形状怪异的光学组件或几何上复杂的固定部分建模。LightTools 这一灵活的三维实体建模设计工具能够很好地解决这些难题。

④强大的设计和分析能力。LightTools 有许多专门针对照明光学系统设计的独特功能。和其他光学设计软件一样，LightTools 软件具有优化、互动光线追击、编程扩展、参数编程、面向任务的实用工具等强大的设计功能。而且LightTools 还具有其他软件所不具备的分析能力，如数据图过滤、互动式重新分区、动态转动照度计角度、随机数产生、完全集成的绘图包等重要分析能力。

光学设计的软件非常多，以上介绍的是几款常见软件。如前所述，光学设计软件各有千秋，读者可根据设计需要和条件选择使用。