1、光学设计软件介绍ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Sequential及Non-Sequential的软件。版本等级有SE：标准版，XE：完整版，EE：专业版（可运算Non-Sequential），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。ZEMAX的主要特色：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文件，例如：*.BMP,*.JPG等，也可存成文字文件*.txt；优化：
2、表栏式meritfunction参数输入，对话窗式预设meritfunction参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用；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；报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。CODEV是OpticalResearchAssociates推出的大型光学设计软件，功能非常强大，价格相当昂贵CODEV提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、
4、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1994年，ORA公司聘请北京理工大学光电工程系为其中国服务中心。与国际上其它商业性光学软件相比，CODEV的优越性突出地表现在以下几个方面：1CODEV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或倾斜的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、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、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
5、、可逆元件的系统，扫描系统和多个物像共轭的系统。40多年来，世界各地的用户已成功地利用CODEV设计研制了大量照相镜头、显微物镜、光谱仪器、空间光学系统、激光扫描系统、全息平显系统、红外成像系统、紫外光刻系统等等，举不胜举。近几年内，CODEV软件又被广泛地应用于光电子和光通讯系统的设计和分析。光学设计的第一步是要为系统确定合理的初始结构。为此CODEV提供了独有的“镜头魔棒”功能，用户只需输入所要设计的系统的使用波段、相对孔径、视场、变倍比等参数，软件即可从自带的专利库中找出对应的结构以供选择。2CODEV软件中优化计算的评价函数可以是系统的垂轴像差、波像差或是用户定义的其它指标，
6、也可以直接对指定空间频率上的传递函数值进行优化。经过改进的阻尼最小二乘优化算法用拉格朗日乘子法提供既方便又精确的边界条件控制。除了程序本身带有大量不同的优化约束量供选用外，用户还可以根据需要灵活地定义各种新的约束量。此外，以往的优化算法无法克服存在于光学系统结构参量的高度非线性解空间中的大量局部极小，故此自动设计的结果是一个与初始参数接近的像质相对较好的结构，而不一定是全局最优设计。为解决这一问题，ORA公司在CODEV软件中加入了强大的全局优化功能（GlobalSynthesis）。这种被该公司严格保密的算法不仅可以跳出局部极小继续在解空间中寻找更佳设计，而且可以在优化结束时将找到的满足
7、设计要求的各种完全不同的结构形式一一列出供使用者根据实际需要选择。这是目前世界上唯一证实可行并已实用化的全局优化程序，其优化能力在国际上遥遥领先。四年一届的国际光学设计会议是本领域影响最大的专业技术研讨会，在90年代以来的近几届会议中，组织者每次都向世界上各有关单位和专家发出一个设计竞赛题目，而每届收到的参赛结果的前几名都是用CODEV软件优化设计出来的，充分说明CODEV的优化功能已经成为世界各地光学设计专家的得力工具3CODEV提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射
8、光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。4CODEV拥有世界上最先进、最完整的公差分析子程序，可以针对均方根波像差、衍射传函、主光线畸变或用户定义的评价指标进行公差分配。在公差计算中可以使用像面位移、倾斜、垫圈厚度等各种补偿参教来模拟系统装校过程中的调整。同时，提供了与Zygo或Wyko干涉仪的接口。如果与上述干涉仪联用，可以实现对复杂光学系统的计算机辅助实时装调。其它与系统制造有关的功能包括自动对样板、国际标准和中国国标加工图纸绘制、成本估算等。5CODEV内包含了与光学设计有关的各种功能子程序，如多层膜设计、照明系统设计
9、、变焦系统凸轮设计、系统整体光谱响应分析等等，是一个集大成的大型光学工程软件包。6CODEV软件带有一个功能强大的宏语言，叫做Macro-PLUS。这是一个可在软件内部使用的现代高级编程语言，用户可以用它根据需要对软件进行扩充和修改；访问程序中的各种数据；定义自己的变量、数组和函数；设计各种新的运算功能；实现独特的文字和图形输出；以至进行磁盘读写等等，从而使用户得到最大限度的灵活性。CODEV提供了一个不断增加的宏程序库。此外，CODEV还可以通过IGES或DXF图形文件实现与机械CAD软件的接口。针对不同用户的需要，CODEV提供图形界面和指令模式两种可以同时使用的运行方式。软件配有
10、详尽的用户指南（共三卷，其中含有大量应用实例）；方便的屏幕提示和大量精美的、可直接用于设计报告的图形输出，使用非常方便。从8.50版起，北京理工大学协助ORA公司将中国玻璃库的国标数据加入了CODEV软件，用户可以直接调用。OSLO是一套标准建构系统及最佳化的光学软件。最主要地，他是用来决定光学系统中最佳组件的大小和外型，如照相机、客户产品、通讯系统、军事/外层空间应用以及科学仪器等。除此之外、他也常用于仿真光学系统性能以及发展出一套对光学设计、测试和制造的专门软件工具。1OSLO概述OSLO是OpticsSoftwareforLayoutandOptimization的
16、，但是它在本质上是一个面对对象的windows程序，具有唯一的内置应用程序管理器/编译器，在桌面计算机上能够提供非常高的性能。5OSLO的主要优点l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作出取舍决定，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的直观。l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，并且与其
19、踪速度和准确度。ASAP精确地仿真在汽车车灯光学系统、生物光学系统、相干光学系统、屏幕展示系统、光学成像系统、光导管系统、照明系统及医学仪器设计上的真实世界实际表现预测。设计能力：ASAP经过了超过20年的持续发展，和其它光学设计软件相比，是一个可以仿真更多光学系统上更广泛的真实物理现象。ASAP是一个联结了几何光学和物理光学的全方位3D光学及机械系统的模型建立软件。ASAP内建的绘图工具功能让所有的几何模型、光线追迹的细节和模拟结果的分析都充分可视化。ASAP几乎可以处理所有的光学仿真分析，包括了散射效应、衍射效应、反射效应、折射效应、光吸收效应、偏极光效应和高斯光速传导之模
21、lutions结合一起，还可以用一种智能型的方式来处理宏光学系统和微量结构光学。没有其它的软件组合可以跨越此一大光学上的鸿沟。运算速度：运算速度最佳化的ASAP非续列光线追迹引擎是现有最快速的运算引擎，而且没有像其它的软件为了加快运算速度而用准确度折衷性的对象表面的近似值来作光线追迹运算。ASAP几乎可以在一个单一工作模型里，来模型化任何一个可想象的几何形状，然后在几个小时内，而不是几个星期内，来完成分析你的光学系统的行为模式。准确度：在全球35个国家的光学系统工程设计师，有信心地仰赖ASAP作准确地虚拟的原形设计。ASAP可以模型化到非常细微的细节层面，它表示你可以仰赖你的仿真结
24、且这个灯源数据库还在持续扩充当中，这些灯源资料都可以被直接输入进去ASAP的项目中。藉由免除扫描、测量和模型化工业用的灯源，这个灯源数据库减低了作开发计划和原形所需的费用。ASAP使用者可以用新的灯源数据库Wizard，来控制灯源的坐标轴位置和轴的校直调整。精准灯源：BRO的灯源模型在几何形状和发光度上是非常精准的，当使用适切时并包括了完整的光谱数据。这个灯源模型包含了从灯源所得的实际光学和机械的几何模型，这是精确和彻底完整的分析所必需具备的。光可被灯源几何模型反射、折射或是散射。BRO的灯源模型适切地考虑了这些光学的交互作用，这些光学交互作用在光学系统上可能造成不要的杂散光
25、。灯源类别：新的冷阴极荧光灯(CCFLs)；灯丝为基础的灯泡；(LEDs)弧形灯ASAP功能：ASAP是现有最精巧熟练的光学应用软件程序，有必须的功能可以解决最难办的光学设计和分析问题。可模型化每一个从简单的反光镜、镜片到复杂的成像和聚光的仪器系统，并考虑了相干光学效应。可利用灯源影像、点光源、平行光源和扇形光创造高准确的的光源模型，或是模型化完整的光源几何模型和其结合的光学特性来仿真白热灯炮、(LEDs)、冷阴极荧光灯(CCFLs)，和高强度的放电弧形灯炮。在ASAP的核心是非续列光线追迹引擎，此非续列光线追迹引擎以它的效率和准确度闻名整个光学软件界。它可以将光线以任何
26、次序或是次数投射在表面，而且光分裂会自动发生。ASAP的每一个功能可以在一般桌上型记算机上快速的最佳化运用。你可以在几分锺内透过简单的系统追踪数百万的光线。可以向前、向后、连续地或是阶段性地追踪光线。ASAP包含了一套丰富的分析工具，和所有必须的绘图工具能使分析结果可视化并产生高质量呈现的图形。模型化能力：模型化光学和机械的组件、镜筒表面、支撑结构和文件光板；而此镜筒表面可以是ASAP的曲线校正或是使用者自己写程序所产生的表面。可和其它软件包括CAD套装软件和其它光学软件交换数据以及交换系统几何模型。模型化任何型态的光源，包括弧形灯、LEDs、冷阴极荧光灯(CCFLs)，和白
27、热灯。模拟可见光、紫外线和红外线在非同调成像和非成像的照明系统的物理现象。模型化相干光学系统(光学功能模块)。模型化在光纤和光纤耦和器中的传导现象(光学功能模块)。模型化在复杂系统中的辐射现象。模型化LCD背光组件和其它显示系统。以ASAPvoxels方法来模型化光及生理组织的交互作用、非均质物体体积和荧光。模型化光学系统中的光之表面迹象。模型化光学地主动的媒介。更进步的模型化单轴的双折射晶体。模型化光学系统中的偏极光现象(光学功能模块)。模型化随机的数组。以APAS预先定义的轮廓来模型化表面(BRDF)和体积的散射现象，或是创造你自己的表面和体积的散
29、现象。模型化相干光学系统(光学功能模块)。模型化在光纤和光纤耦和器中的传导现象(光学功能模块)。模型化在复杂系统中的辐射现象。模型化LCD背光组件和其它显示系统。以ASAPvoxels方法来模型化光及生理组织的交互作用、非均质物体体积和荧光。模型化光学系统中的光之表面迹象。模型化光学地主动的媒介。更进步的模型化单轴的双折射晶体。模型化光学系统中的偏极光现象(光学功能模块)。模型化随机的数组。以APAS预先定义的轮廓来模型化表面(BRDF)和体积的散射现象，或是创造你自己的表面和体积的散射现象。当你的分析在交互作用的显示功能中进行时，会揭露出潜在的问题区
32、鸟瞰图，以及360度的极图。新的3种预先定义的"、扩散表面Sheet"、散射模型，可供任意使用在光学系统仿真中。更进步的分析功能，可执行数字和图形的CIE/色差分析。更进步的完整的光谱数据在BRO灯源数据库中，可供使用。用ASAPBSDF的曲线校正来制作Harvey和多项式的散射模型。计算和绘制扩展光源的照明能量分布图。使用通过/失败的指示，来指示预先定义的或是使用者自己定义的照明测试结果(ELTM功能模块)。SAE(SocietyforAutomotiveEngineering)测试，根据SAE陆地交通工具照明标准手册，SAEH
33、S-34进行测试(ELTM功能模块)。FMVSS(FederalMotorVehicleSafetyStandards)照明测试(ELTM功能模块)。ECE(EconomicCommissionforEurope)照明测试(ELTM功能模块)。以高斯光束分解来做波前传导分析(Optical功能模块)。以有限差分(FD)光束传导法(BPM)在微量结构中做传导分析(Optical功能模块)。以双精准(Double-precision)光线追迹来做个别光线历史数据的分析(光学功能模块)。使用者接口：新的BRO灯源数据库Wizard
34、。更进步的ASAP展开窗体形式的建构器或是在写程序的过程中，使对象可视化。更进步的ASAP智能型的程序语言"，和指令技巧Tips"。更进步的展开窗体形式的建构器接口有自动写入和指令技巧的功能。更进步的ASAP更先进的绘图套装软件，可批注并输出图示的结果。整合的程序化支持多种不同的语言，例如Python,VBscript,和Jscript。ASAP远程遥控(透过公司内部网络上的记算机来执行光线追迹)(PRO功能模块)。可从目录选单中，下拉多种的灯源、镜片、玻璃特性、散射模型和光学镀层。可在ASAP创造你自己惯用的工作区。开始Sta
36、。LENSVIEW为搜集在美国以及日本专利局申请有案的光学设计的数据库，囊括超过18,000个多样化的光学设计实例，并且每一实例都显示它的空间位置。它搜集从1800年起至目前的光学设计数据，这个广博的LensVIEW数据库不仅囊括光学描述数据，而且拥有设计者完整的信息，摘要，专利权状样本，参考文件，美国和国际分类数据，和许多其它的功能。LensVIEW并能产生各式各样像差图，做透镜的快速诊断，和绘出这个设计的剖面图。SOD88是北京理工大学光电工程系研制的微机用光学设计软件，它适用于共轴光学系统，系统中的面型可以是球面，也可以是非球面，系统可以是折、反或折反射系统。软件包所包括的主要功能有：
37、几何像差计算和图形输出；像差自动校正：软件包提供了两种像差自动校正功能：适应法和阻尼最小二乘法。对于适应法像差自动校正，程序使用独立的几何像差作为系统的质量指标，采用各个受控像差分别趋于各自的目标值的方法来进行像差自动校正。可控制的像差（包括某些近轴参数）共有48种，校正可以分阶段进行，并提供了三种公差给定方法，使得系统的潜力得以充分挖掘。对于阻尼最小二乘法，程序采用垂轴像差或波像差的加权像差平方和构成评价函数，通过求评价函数的极小值解来实现像差自动校正。程序对不同的系统设置了不同的抽样光线和不同的权因子，并可控制十种边界条件，使用者可根据不同要求选择；光学传递函数计算：软件包提供了两种传函计
39、结构参数和计算像差变化量表等功能。软件包还提供了变焦系统的适应法像差自动校正功能。它可以使各焦距的像差同时趋于零；也可以使具有后固定组的系统各焦距的像差趋于一致，然后再利用定焦系统的适应法像差自动校正程序进行校正；公差分析计算：软件包所提供的公差分析计算功能以给定的若干条光线的垂轴像差平方和作为系统的质量指标，根据使用者给出的系统类型、要求精度等数据，按一定规律对曲率、厚度或间隔、面偏角分配一组公差，然后用MonteCarlo法对指定公差内一定数量的产品进行模拟的随机抽样检验，得到以当前公差生产时预期的良品率，然后重复此过程，直到公差和良品率达到最合理的匹配为止；半径标准化：本功能可以把像差
40、校正完成以后的曲率半径换成标准半径。程序提供了两种方法，一种是从标准半径库中找出和设计半径最接近的值进行直接代换；另一种是利用阻尼最小二乘法，从标准半径库中的离散半径值中选择合适的半径，使得半径标准化后系通的评价函数不降低或降低最小，同时还把系统中的间隔、厚度归整到指定的小数点后有效位数。除以上功能以外，软件包还提供了出图计算功能，可以计算出绘制光学图纸时所需要的数据。同时软件包还具有完善的辅助功能。TRACEPRO是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析的光线仿真软件。它是第一套以ACISSolidModelingKernel为基本的光学软件。也是第一套结合真实固体模型、强
41、大光学分析功能、数据转换能力强及易上手的使用接口的仿真软件。TracePro多变化的应用领域包括：照明（Illumination）；导光管（LightPipes）；薄膜光学（TissueOptics）；光机设计（OptomechanicalDesign）；杂散光和激光泵浦。TracePro是一套可以设计几乎所有的光学或照明系统的软件，并可以很容易地作为设计及分析的3D虚拟原型系统。3.2版新增功能有Irradiance检视功能，将Healinghusk结合入TracePro，逆向光线追踪，scheme编辑，ACISR12核心，加强绘图能力，全新的CAD输入输出转档器，如相片般真实
44、RA又研制成功与LightTools主体程序配套使用的Illumination模块，圆满地解决了照明系统的计算机辅助设计问题。其中的主要功能简单介绍如下：系统建模提供多种展现系统光机模型的方式和人机交互的手段。使用者可直接在系统的二维、三维线框图或三维实体模型图上进行各种操作。方便易用的图形交互式建模和修改功能包括元件或元件组的放置、移动、旋转、复制和缩放。操作时既可用鼠标以实时观察修改造成的效果，也可用键盘以输入准确的数据。透镜、反射镜和棱镜等光学元件及各种机械件可以极快地以图形方式“画入”系统。系统数据可以用表格和元件详情对话框的形式列出和修改。所有上述各种输入方式同时并存，可交替
46、人员完全可以摒弃过去为了简化问题而采用的一些传统技巧，如符号规则、用多通道定义模拟变焦功能、把反射镜和棱镜展开成平板、略去非光学面和机械结构的影响、人为简化光瞳形状，等等。杂光分析：非顺序面光线追迹功能可以直观地描述在系统中任意表面上或介质中发生的任何光学现象，如折射、反射、全反射、散射、多级衍射、振幅分割、光能损耗、材料吸收等，并根据需要自动实时衍生出多路光路分支。杂光分析、光能计算、鬼像预测等从此变得轻而易举、一目了然。设计中可能存在的各种潜在问题将被及时发现和预防照明系统设计分析：LightTools中可以精确地定义各种实际光源（如发光二极管、白炽灯、弧光灯、卤素灯等）的形状和发光
47、特性，利用其照明模块(IlluminationModule)可实现蒙特卡洛法(MonteCarlo)光线追迹，以便确定某个（或某几个）指定表面上的光照度、强度或亮度。对比实验表明，计算结果与实际光度测量结果精确吻合。对非人眼接收的照明系统，可以把结果转换成辐射度单位。计算结果的输出形式可以是二维线图、等高线图、灰度图、伪彩色图或三维分布图。利用LightTools已成功地设计了多种照明系统，包括投影系统、平板显示器、仪表盘照明、内窥镜照明、报警灯、汽车前灯、车厢内部照明、指示牌照明等等，从而结束了照明光学系统没有可靠的计算机辅助设计工具的历史。ODIS浙江大学华光光电使用的照明光学系设计软件光学薄膜设计TFCALC一个著名的光学薄膜设计软件，有超过35个国家的工程师和科学家用它进行膜系设计。许多光学元件需要多层膜系设计，如棱镜、显示器、眼镜片等。为了控制从X射线到远红外线的波长范围内的光的反射和透射，光学薄膜取决于它需要如何控制光的干涉和