应用ZEMAX软件构造特殊面型

2024年2月9日发(作者：)

第23卷　第3期　2001年6月　　光　学　仪　器OPTICALINSTRUMENTSVol.23,No.3June,2001文章编号:1005-5630(2001)03-0023-04应用ZEMAX软件构造特殊面型王成良,李湘宁,贺莉清(上海理工大学光电学院,上海200093)Ξ　　摘要:介绍了在FocusSoftwareInc.公司的光学设计软件ZEMAX中运用UserDefinedSurface(UDS)的方法和计算机动态链接库DynamicLinkLibrary(DLL)软件技术构造特殊面型的技术,通过给出一个内接圆台网格面面型定制实例,详细介绍了在ZEMAX中定制面型的方法。该项技术的开发扩充了ZEMAX软件的功能,有效地拓宽了ZEMAX的应用范围。关键词:UDS;动态链接库中图分类号:TP319　　　文献标识码:AConstructinguserdefinedsurfaceinZEMAXWANGCheng2liang,LIXiang2ning,HELI2qing(CollegeofOpticsandElectronics,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)　　Abstract:Themethod,uputerdynami’domainsKeywords:UDS;DLL1　引　言模拟多光轴复合面型的光学系统常用方法之一是把复合面型分解、简化为多个普通面型,但只能是近似、粗糙的模拟;方法之二是自编程序进行光线追迹,但利用不了现有光学设计软件的分析、设计工具。ZEMAX软件通过让用户定制面型,很好地解决了这一矛盾。近年来,很多单位引进了ZEMAX软件,ZEMAX[1,2]是美国FocusSoftwareInc.公司的通用、高效的光学设计软件,它提供了大量可供光学系统选用的内置面型。如:球面、非球面、衍射面、变ABCD矩阵面、折射面等。除此以外的特殊面型,ZEMAX可让用户定制,它提供了友好的编程接口。这一开放功能使得设计人员几乎可以使用任意面型,甚至使用自己的光线追迹算法。由于ZEMAX软件引进的时间短,大多数光学设计人员对动态链接库(DLL)技术[3]了解、掌握不够,因而很少使用这一强大功能。本文通过一个实例介绍DLL技术,以此开拓ZEMAX软件的应用范围。Ξ收稿日期:2001203228作者简介:王成良(19752),男,湖南衡阳人,上海理工大学光电学院在读学生,从事光学镜头设计和光学软件开发研究。© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

　・24・光　学　仪　器第23卷2　定义面型对于ZEMAX的内置面型,用户可以在透镜数据编辑表单(LDE)中设置面型、半径、厚度、玻璃材料、8个参数、Conic值等;还可在附加数据编辑表单(EDE)中设置200个附加参数。ZEMAX根据不同的面型进行光线追迹及其它分析计算。UDS跟ZEMAX内置面型基本一样,用户在LDE中设置定制面型:在SURFACE对话框的SURFACETYPE列表栏中选中USERDEFINED,在SURFACEDLL列表栏中选中所需要的DLL库文件。插入用户的定制面型后,ZEMAX的常用工具仍然适用,甚至可以为建立评价函数设置变量,进行像差自动平衡工作。ZEMAX在运行中把所设置的参数值传递给用户的动态链接库(DLL),用户在编制DLL时需要这些数据。ZEMAX调用指定的DLL获得面型的基本信息:面型名称,参数列名,附加参数列名等;绘制UDS折(反)射面;进行光线追迹,先给DLL入射光数据:坐标、方向余弦,DLL则以此并根据传递的参数进行光线追迹,向ZEMAX返回折射光(反射光)坐标(投射点)、方向和光程的改变量(与一般定义不同,DLL中的光程改变量为有正负的几何长度)。对近轴光,ZEMAX认为:近轴区面形为垂直光轴的平面,法线平行光轴、方向相反,入射光与光轴共面即入射光在子午面内。ZEMAX与用户的DLL互相作用关系见图1。图1　ZEMAX与DLL互相作用3　UDSDLL在Windows应用程序中使用DLL有很多优点,可以不编译应用程序而更新应用程序的某些组件。ZEMAX调用用户UDSDLL中UserDefinedSurface(USER2DATA3UD,FIXED2DATA3FD)输出函数,它依赖下面两个结构传递参数。doublex,y,z;∥坐标。double1,m,n;∥方向余弦。double1n,mn,nn;∥法线向量doublepath;∥光程改变量。doublesag1,sag2;∥矢高,共轭矢高。doubleindex,dndx,dndy,dndz;∥折射率,折射率梯度。doublerel2surf2tran;∥相对透对率。…charstring[20];};structFIXED2DATA{inttype,numb;∥查询分类。intsurf,wave;∥面号,波长数。doublewavelength,pwavelength;∥波长,主波长。doublen1,n2;∥前后折射率。© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

第3期王成良等:　应用ZEMAX软件构造特殊面型　・25・doublecv,k,sdia;∥曲率,conic,通光口径。～8。doubleparam[9];∥参数1～200。doublexdata[201];∥辅助参数1};charglass[20];∥玻璃材料名。ZEMAX在UserDefinedSurface函数中使用了类似Windows应用程序中窗口回调函数的消息处理机制,DLL使用switch2case结构检查UD2TYPE和UD2NUMB,就可知道ZEMAX所要获取什么数据,见表1:　　　　　　　　　　表1　TYPE01234567UDSDLL类型编码ZEMAX需要DLL提供面型名,对称状态,栅格状态参数列名附加参数列名矢高和共轭矢高近轴光线追迹实际光线追迹折射率,渐变型折射率微分缺省数据(初值)　　根据以上需要编制程序,使用32位的编译器编译、链接成32位的动态链接库。将此库文件拷贝到ZEMAX应用程序所在目录下的DLL子目录下。在ZEMAX的LDE中插入面型;在SURFACE对话框的SURFACETYPE列表栏中选中USERDEFINED,在SURFACEDLL列表栏中选中所拷贝的DLL库文件;在LED的参数列上输入所定义的参数。其它操作就如普通面型一样。4　特殊面型——内接圆台网格面定制实例我们设计了一个大视场、小焦距的红外光学探头,采用了空间排布的阵列球面塑料透镜,这些透镜阵列的基面为圆台内接面,我们称之为内接圆台网格面,它分外表面和内表面。外表面分底面和边沿面:底面是一个圆内接正多边形;边沿面以圆台为基面,为多个等分的等腰梯形面,见图2。内表面亦分底面和边沿面:底面为球面阵列,其基面为平面,分多个小区域,每个区域生长一个球面;边沿面为球面阵列,其基面为等腰梯形平面,与外表面边沿面相同,球面对称轴垂直于等腰梯形面,并过等腰梯形面的中心,见图3。这两个特殊面型配合可获得大视场、小焦距效果,其制造采用模压成型技术。然而,一般的光学设计软件不能模拟这两种面型,ZEMAX的内置面型也无能为力。因为它们每个小球面都有自身的光轴,底面上小球面的每条光轴平行于中心轴,但都有偏心;边沿面上小球面的每条光轴都是倾斜的。而且,通光区域也复杂,难以模拟,所以使用UDSDLL技术,定制面型。我们以基本圆台的上下底面半径、高、网格数等为参数,编制UDSDLL,在ZEMAX中进行模拟,对以上参数进行优化,获得了满意结果:视场达90°,焦距仅为10mm。这里给出一些关键数据:内接圆台上底面直径为1215mm、下底面直径为7mm、高为212mm,所有小球面半径为515mm,底面中央4个小球面的光轴在两个方向的偏心都为01875mm,底面外围8个小球面的光轴在两个方向的偏心分别为01875mm、21625mm。编制UDSDLL实现网格面型光线追迹有几个关键步骤:确定入射光投射点所在区域,以此区域的面型建立局部坐标空间,把全局坐标变换到局部坐标,在局部坐标空间下进行光线追迹,把局部坐标还原到全局坐标。5　结束语设计工具ZEMAX的开放性使得设计人员能构造复杂特殊面型,从而可利用ZEMAX的强大的分析、© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

　・26・光　学　仪　器第23卷处理特殊面型,极大地方便了设计人员。对ZEMAX的二次开发将有助于设计高质量的复杂镜头。(a)主视图　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)左视图图2　外表面(a)主视图　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)右视图图3　内表面6　参考文献[1]　FocusSoftwareInc..ZEMAXOpticalDesignProgramUser′n6.0[Z],Arizona:FocusSoftwareInc.,1997.[2]　～gnmentmodesinhigh2performanceoptical[J].OpticalEngineering,July2000,39(7):1737[3]　同志工作室1VisualC++6.0[M].北京:人民邮电出版社,20001消　　息多媒体液晶投影板继生产彩色薄膜晶体管液晶显示屏(TFT-LCD)和显示模块后,吉林彩晶公司又在国内率先推出多媒体液晶投影板。该产品的问世,标志着吉林省液晶工程建设取得阶段性成果。多媒体液晶投影板作为普通投影器的配件,实现了光学投影器向数字投影器的跨越。多媒体液晶投影板作为配件可与多机合作。将它放在普通投影器上,和计算机显示卡接口连接后,即可以显示电脑存储的图文信息;采用VGA接口,它可与286以上的各种台式计算机、笔记本电脑配套使用;当通过电视盒与它联机后,即可播放电视影像、VCD图像。所有显示画面色彩鲜艳,高度清晰。(摘自)《科学时报》© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.