《应用光学》第二次大作业。
题目：使用zemax设计一个单透镜。
学院：理学院（光电信息科学与工程）
班级：光科***
学号。学生姓名：**
指导教师：**
教师职称：教授。
目录。摘要 3
设计一个单透镜 3
1. 设计目的 4
2. 设计要求 4
3. 设计过程 4
i. 单透镜 4
ii. 设罝系统孔径 5
iii. 设罝视场角 6
iv. 设罝波长 7
v. 键入透镜资料 7
vi. 设罝透镜参数 8
vii. 评估系统性能 9
viii. 使用解 10
ix. 设罝优化 11
x. 建立绩效函数 11
xi. 增加限制条件 12
xii. 运行优化 12
xiii. 光线扇形图 13
xiv. 二维设计图 14
xv. 弥散斑 14
xvi. 光程差扇形图 15
xvii. 进一步分析 16
参考资料 17
zemax是美国focus software inc.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seqential及non-seqential的软件。
zemax 是一套综合性的光学设计**软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。zemax 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是 zemax 的 cad 转文件程序都是双向的，如 iges 、 step 、 sat 等格式都可转入及转出。而且 zemax可** sequential 和 non-sequential 的成像系统和非成像系统，zemax光学设计程序是一个完整的光学设计软件，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**软件。
包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。zemax功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。 zemax能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。
zemax 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。 zemax 的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。zemax 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。
同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使 zemax 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。
zemax目前已经是被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，就是可以实现序列和非序列分析。zemax 有三种不同的版本：
zemax-se（标准版）；zemax-xe（扩展版）；zemax-ee（工程版）。
关键词：zemax 简单镜头单透镜优化。
通过对设计一个简单的单透镜，学会zemax软件的基本应用及操作。
一个焦距100 mm、f/4的单透镜镜头，材料为bk7，并且使用轴上(on-axis)的可见光进行分析。
首先在运行系统中开启zemax，默认的编辑视窗为透镜资料编辑器(lens data editor, lde)，在lde可键入大多数的透镜参数，这些设罝的参数包括：
表面类型(surf：type)如标准球面、非球面、衍射光栅…等。
曲率半径(radius of curvature)
表面厚度(thickness)：与下一个表面之间的距离。
材料类型(glass)如玻璃、空气、塑胶…等：与下一个表面之间的材料。
表面半高(semi-diameter)：决定透镜表面的尺寸大小。
上面几项是较常使用的参数，而在lde后面的参数将搭配特殊的表面类型有不同的参数涵义。
首先设罝系统孔径以及透镜单位，这两者的设罝皆在按钮列中的「gen」按钮里（system->general）。点击「gen」或透过菜单的system->general来开启general的对话框。
点击孔径标签(aperture tab)（默认即为孔径页）。因为我们要建立一个焦距100 mm、f/4的单透镜。所以需要直径为25 mm的入瞳(entrance pupil)，因此设罝：
aperture type：entrance pupil diameter
aperture value：25 mm
点击单位标签(units tab)，并确认透镜单位为millimeters。单击「确认」来离开对话框。
点击按钮列中的「fie」或透过菜单的system->filed来开启场对话框，如下图所示。
zemax默认的视场角是即为近轴视场角，其中「weight」这个选项可以用来设罝各视场角之权值，并可运用于优化。
可点击按钮列中的「w**」来设罝波长，如下图所示：
在波长编辑视窗里我们可以设罝不同的波长与其weight，zemax也有内建一些常使用波长，可透过「select->」这个选项来选择。在此例子可以透过挑选「f, d, c (visible)」这个选项来设罝波长.656 (microns)，单击「ok」即可。
现在我们要键入lens的参数。在zemax是透过设罝依序排列的表面来建立出光学系统。在此建立单透镜这个例子需要建立4个表面。
the object surface（obj）：设罝光线的起始点。
the front surface of the lens(sto)：光线进入lens的位置。在这例子里，这表面的位置也决定了光阑(stop)的位置。
the back surface of the lens(2)：光线从lens出来并进入空气中的位置。
the image surface(ima)：光线追迹最后停止的位置，不可以在ima这个之后设罝任何的表面。这个位置上并非存真实的表面，而是一个哑的表面。
默认的lde视窗中只有3表面（3列），为了符合此例子需要增加一个表面。将游标移到「ima」并按下按键盘上的insert键，即可产生「2」这个面。
obj」是第0面，「sto」是第1面，「2」是第2面、「ima」是第3面。
首先设罝lens的材料为「bk7」，将游标移到第1面的glass栏，键入bk7并按enter。而此时zemax便会去查寻数据库里bk7的光学属性，来决定其各个波长下之折射率。
lens的厚度由第1面的thickness栏来设罝，这个栏是指表面的中心点沿着光轴到下一个表面的距离。孔径25mm厚度4mm的lens是合理的，直接在「thickness」栏内键入数值即可。
接下来键入lens的曲率半径，本例子使用一个左右曲率对称的lens，先将第1面的曲率半径设罝为100 mm，第2面的曲率半径设罝为-100 mm。在第1面及第2面的「radius」栏键入数据，正值表示曲率中心点在表面的右边，负值表示曲率中心点在表面的左边。
ima」的位置就是设在lens的焦距上，所以距离lens大约100 mm左右，直接在第2面「2」的「thickness」栏键入100，即表示在lens后面100 mm的位置就是下一表面的位置，也就是「ima」面的位置。
lde的设罝如下所示：
在zemax中有很多分析功能可评估系统的***坏，其中一个最常用的分析工具是光线扇形图(ray fan plot)。可以点击「ray」这个按钮或透过菜单analysis->fans->ray aberration来开启这个功能。
在点击之后会出现一个视窗，显示各光线与主光线(chief ray)的光线象差(ray aberrations)，左边的图是显示y或正切方向的光线象差，右边的图是显示x或弧矢方向的光线象差。
这个分析图表是以0.588 microns为主波长，其线型在原点附近斜率不为零，表示产生离焦现象(defocus)。
为了定标离焦(defocus)，透过调整第2面「2」到ima面的距离（焦距＝100mm）来解决这个问题。solves是一个特别的功能，主要是针对特定zemax的参数进行动态调整，以符合某些特别的情况。
先要点击第2面的thickness后，单击鼠标右键，将会出solve的设罝视窗。
在「solve type」里选择marginal ray height，然后敲点「ok」即可发现lde视窗第2面的「thickness」由100改变为96，并且会出现「m」的记号。在次点击「ray」这个选钮显示光线扇形图(ray fans plot)，可发现像差线条已由原本的斜线变为s的形状，而这表示此lens有球差(spherical aberration)。
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