Zema和Tracepro光学仿真软件的教学实践与探索.docx

Zemax和Tracepro光学仿真软件的教学

实践与探究

摘要：以三片式照相物镜的设计为例，简洁介绍了Zemax和Tracepro两种光学仿真软件，对这两种仿真软件的输出结果进展了具体的比较分析，给出了这两种光学仿真软件的优缺点，提出了对于一个简单的光学系统的仿真设计，可以结合这两个软件进展综合设计，比方，对于一个光学系统，可以先使用Zemax软件进展优化，完成后再使用TracePro软件进展光线追踪，最终在成像面进展成像质量分析，光照度/辐照度分析及人眼视觉成像分析等。对相关的专业教学人员和软件使用人员有肯定的参考价值。

关键词：Zemax;Tracepro;光学仿真软件;教学探究基金工程：华南农业大学校级教改工程〔JG21137〕

引言

光学仿真软件的教学是光学、光电、光机电等专业课教学工作的重要组成局部。常见的光学仿真软件有CODE-V、LightTools、Zemax、Tracepro等[1-5]。这些光学仿真软件都有自己的优势和缺乏之处。ZEMAX目前是光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广范的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。ZEMAX有三种不同的版本：ZEMAX-SE

〔标准版〕；ZEMAX-XE〔扩展版〕；ZEMAX-EE〔工程版〕。ZEMAX应用领域有Projector，Camera，Scanner，Telescope，光纤耦合，照明系统、夜视系统等。Tracepro也是一款功能强大、准确性高、介面友善、易学易用的光线追迹光学仿真软件，TracePro拥有完整成熟的视窗介面，其直觉友善的设计架构，可以格外快速地让使用者生疏软体的操作。TracePro使用ASIC实体绘图引擎作为其

CAD的运算核心，能轻易地建或汇入光学模拟所需的固体模型。目前主流的CAD软体均有支援ACIS规格(SAT档)，故其几何转档上的相容性极高。

作者多年来担当光学仿真软件的教学工作，特别是Zemax和Tracepro这两种光学仿真软件的教学，具有丰富的教学阅历，对这两种软件的使用也有一些探究和思考。查阅了大量的资料，很少有相关的资料和文献对这两种软件的教学进展比较争论。因此，期望本文的内容对相关的专业教学人员和专业人员有肯定的参考价值。

Zemax光学仿真软件

Zemax软件介绍

Zemax是FocusSoftware公司推出的一款综合性光学设计软件。软件集成了光学系统建模、光线追迹计算、像差分析、优化、公差分析等诸多功能，并通过直观的用户界面，为光学系统设计者供给了一个便利快捷的设计工具。几十年来，研发人员对软件不断开发和完善，每年都对软件进展更，赐予Zemax更为强大的功能，因而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。

像质评价

Zemax的像质评价包括〔1〕球差曲线〔2〕轴外细光束像差曲线〔3〕点列图

〔4〕调制传递函数MTF。1.3.Zemax仿真实例

三片式照相物镜的系统参数为：，

三片式照相物镜的系统参数

为：

，

，

。镜头参数如表1.

面

玻璃

号

128.25

1

28.25

3.7

ZK5

2

-781.44

6.62

3

-42.885

1.48

F6

4

28.5

4.0

5

〔光阑〕

4.17

6

100.972

4.38

ZK11

7

-32.795

优化后到达的设计要求为：系统焦距 ，

场在

处MTF0.4。

整个设计和完成过程，感兴趣的读者可以查阅参考文献[6].本文由于篇幅的限制只供给优化后的3D图如图1、MTF图如图2。Zemax软件优化后的3D图可以作为后续图纸加工的几何构造图。在几何光学的成像中，某物点发出的很多条光线经光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面的交点不再集中于一点，而是形成一个分布在肯定范围内的弥散图形，称之为点列图。一般来说，点列图的密集程度反响了光学系统的成像质量。MTF是调制传递函数的简称，也称为光学传递函数。MTF是从傅里叶变换的角度来衡量光学系统的成像质量的。由于光学传递函数既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，故用它来评价光学系统的成像质量，具有客观和牢靠的优点，可以用于全部光学系统。在MTF图上，全部视场的曲线越靠近1，系统的成像质量越好，或者MTF值越大

〔越接近1〕，系统的成像质量越好。

图1表示0、0.3、0.5、0.707、1这5个视场的光线成像状况，其中蓝色的表示0试场，绿色表示0.3试场，红色表示0.5试场，黄色表示0.707试场，粉红色表示1试场。