Zemax的单透镜设计

　　“通过一系列Zemax光学设计实例，让我们快速掌握运用Zemax设计简单透镜的能力。这篇文章从简单的单透镜设计开始。”

        

　　初识Zemax

　　假设你需要使用一个F/4的单透镜，其有效焦距是100mm,光束波长为808nm，透镜材料使用BK7。让我们打开Zemax，首先看到LensDataEditor(LDE)这个窗口，即镜头数据编辑器，他是一个类似Excel的矩阵表格，通过在表格中的每一行列出每个光学表面的各种参数，例如半径，厚度，材料，镀膜，曲率半径等，来完整描述光学系统的各个细节。结合几何光学原理和计算机光线追迹，就可以呈现出你要设计的光路图。（不敢想象以前没有计算机的时候光学工程师全部用手画图有多难顶）

         

　　根据设计目标设置系统参数，在左边系统选项的波长设置中输入0.808（注意单位）。

         

　　注意到透镜的F数是F/4，这里F/#是指光的有效焦距F与入瞳直径的比值。所以这里孔径类型我们设为入瞳直径，孔径值为100/4=25mm。

         

　　接下来就可以在LDE窗口设置透镜参数了。表格的每一行代表不同的表面，按照顺序依次是OBJECT，STOP，IMAGE。OBJECT表示物面，即光源或者发光面。STOP表示停止面，即光阑，起到限制光线范围的作用。光阑可以设置在任意透镜的表面上，不一定是光线遇到的第一个透镜。IMAGE即像面，用来呈现最终的像。鼠标点击像面，然后按快捷键inset，可以在像面之前插入一个表面，也可以通过在某一行右击鼠标插入表面。（从上往下的表面顺序意味着光线从左往右依次穿过物面0，光阑1，表面2，表面3，像面4）在表格相应位置输入对应的参数，建立一个两个表面曲率半径分别是100和-100的单透镜，点击分析-2D视图，即可看到光路图。

        

　　此时有效焦距左下角显示的是EFFL：98.7549。此时通过观察光路图可以发现，透镜的焦点并不在像面的位置，而是在像面之前。

　　透镜的有效焦距是指从镜头的主平面（后主面）到对应焦点（后焦点）的距离，用于描述镜头整体汇聚或发散光线的能力。与透镜后焦距不同，下面给出区别：

       

　　在用Zemax描述出一个光学系统后，该如何优化设计呢？这里就要引入Zemax的核心功能，定义MeritFunction（评价函数），可以通过优化选项卡-评价函数编辑器呼叫出来。Zemax已经集成了基本的优化向导，对于简单系统，我们直接使用默认并点击确定。

　　可以看到这个编辑器也是一个表格的形式。如何理解评价函数呢？其实就是设定一个标准，这个标准符合你需要设计的光学系统，例如这里的标准是EFFL有效焦距=100mm。然后Zemax通过算法不断调整你在镜头数据编辑器中设置的变量，把计算获得的值和你设定的标准相减得到评价函数的值，所以评价函数的值越小，越接近你想要设计的系统。理想的评价函数值为0。在镜头数据编辑器中，我们点击两个透镜表面的曲率半径以及透镜后表面到像面的厚度，用快捷键ctrl+v将其设置为变量（Variable，所以快捷键是v）。

　　回到评价函数编辑器添加一行操作数EFFL，该操作数专门优化有效焦距。操作数有点类似excel里的公式。

　　设定好后点击优化选项卡的执行优化，可以看到优化之后评价函数变小，即是一次有效的优化。

　　此时左下角显示有效焦距为100.035。系统的参数和光路图变更为优化后的结果：

　　通过这样一个例子，我们简单地熟悉了Zemax的基本界面和功能。

　　

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