如何设计一个单透镜
如图所示，所谓单透镜，是指由两个折射曲面围成的透明体。其中一个折射面可以是平面。
本资料包括8个方面的内容：
? 确定系统参数，包括孔径大小，透镜单位，视场，以及波长； ? 输入透镜性能参数；
? 用solve强化设计约束条件； ? 在优化前，分析系统性能； ? 确定系统自由度，设置系统变量； ? 设置缺省的评价函数； ? 优化并分析最终的设计性能。
一、引言，透镜的性能，及设计约束条件
单透镜(英文专用词singlet)，在定义上有争论，但它是ZEMAX所能仿真的最简单的成像系统。单透镜的结构虽简单，但这种简单成像系统的设计过程，有助于我们认识ZEMAX的界面，学习基本的设计理念和策略，初步掌握ZEMAX的基本分析工具。
下面，我们将设计并优化一个F/4单透镜，材质选用N-BK7玻璃。设计完成的单透镜需满足如下要求：
? 焦距100mm； ? 单视场角5?； ? 波长??632.8nm；
? 中心厚度介于2mm~12mm间； ? 边缘厚度大于2mm；
? 在限定波长下，在全视场范围内，对单透镜进行优化，保证RMS Spot Size最小；
? 物位于无穷远。
在给定的ZEMAX界面内，利用ZEMAX的各种工具，可便利地对单透镜进行仿真和优化。
二、透镜数据编辑器
在用计算机进行序列模式下的透镜设计时，对所有的面预先指定一个顺序，然后按照这个顺序从一面到下一面对光线进行追迹。在追迹的过程中，ZEMAX采用了一种称为Lens Data Editor (LDE，透镜数据编辑器)的电子表格结构。
打开ZEMAX，在主窗口内，马上会出现一个空白的LDE。ZEMAX的主窗口有一块很大的空白区，空白区的上端是标题栏、菜单栏和工具栏。透镜的大部分数据都要送入到LDE中，这些数据包括： Surf: Type
表面类型(可以设为Standard，Even Asphere，Diffraction Grating，等等)
描述表面性质的注释项，用户可自由填写
表面的曲率半径(即曲率的倒数)，单位取透镜的单位 厚度，单位取透镜的单位，是指从当前面的顶点到下一面的顶点间的距离
材料类型(可设为glass, air, 等等)，是指从当前面到下一面间的介质所用的材料
面在横向尺寸的一半，单位取透镜的单位
Comment Radius
Thickness
Glass
Semi-Diameter
LDE的每一行对应单独的一个面。ZEMAX在序列模式下，每个光学系统的第一面都是物(OBJ)，最后一面都是像(IMA)。除物面和像面外，还必须定义一个孔径光阑面(STO)。
要想把某一数值填入LDE的某一单元格内，只需用左键单击该单元格，然后直接手动输入。可通过鼠标或光标的移动改变所选定的单元格。
三、定义系统参数
Each of these types are defined in more detail in the following section of the ZEMAX User's Guide: “Chapter 6: System Menu > General > Aperture.”
通常，在开始设计一个新系统时，定义的第一个参数是系统孔径。在ZEAMX中，系统孔径的作用有两个方面，一是规定在整个光学系统中，ZEMAX需要追迹的的光束的宽度；二是规定在OBJ面上，由每个场点所发出的光线的初始方向余弦。系统孔径可用不同的方式定义，可心定义为Entrance Pupil Diameter (EPD，入瞳直径)，Image Space F/#(像空间F数)，Object Space NA(物空间数值孔径)，Float By Stop Size(大小可变的浮动光阑)，等等。关于这些系统孔径的详细信息用户可查阅ZEMAX用户手册第6章，System Menu > General > Aperture中的相关内容。
Entrance Pupil Diameter是最常用的一种系统孔径，对我们这个单透镜设计实例而言也是最便利的一种形式。在ZEMAX中，EPD定义为光瞳在物空间的直径值，以透镜单位为单位。
对我们这个单透镜，确定其EPD值很容易。如前所述，这是一个F/4透镜，意即F#?4。同时，有效焦距为100mm。F#定义为，当物和像都位于无穷远时，近轴有效焦距同近轴入瞳直径之比。据此，我们这个单透镜的EPD应为25mm：
F#?efl EPD又从哪里将该值送入ZEMAX中呢？系统孔径，以及其他的系统参数，都是由System General dialog(系统总体性能对话框)控制的。要访问System General dialog，可从ZEMAX主菜单上，选择System > General，或者单击工具栏(通常叫作按钮栏)上的“Gen”按钮。
打开System General dialog后，就可输入当前设计方案的系统孔径的类型和数值大小。对我们这个单透镜，可在System General dialog的Aperture框内，将 \孔径类型)设为Entrtance Pupil Diameter，并且\孔
径值)设为25。
孔径值的单位是透镜的单位。ZEMAX的多数电子表格编辑器都以透镜单位定义有关尺寸的测量值。这些尺寸包括半径，厚度，EPD，以及ZEMAX的多数其他参数值。这里提醒用户注意，在开始具体的方案设计前，必须先定义系统单位。用户必须确保，系统的透镜单位刚好是自己所需要的值。
在ZEMAX中，透镜单位有millimeters(毫米)、centimeters(厘米)、inches(英寸)，或meters(米)四种选择。对我们这个单透镜，将采用millimeters。在System General dialog的Units框内，选择Millimeters作为透镜单位。
单击\退出System General dialog。对我们这个单透镜，其他参数可忽略，就了ZEMAX给定的缺省值。
四、在ZEMAX中定义视场
在ZEMAX中，视场是在Field Data dialog中定义的。要进入Field Data dialog，可从主菜单中选择System > Fields，或在按钮栏单击“Fie”按钮。
在ZEMAX中定义视场有四种途径。 Angle (Deg) 角度(单位度)
主光线与物空间的Z轴所成的角，以度为单位。需要强调的是，按定义，主光线会通过入瞳的中心，视场角是沿入瞳中心测量的。正的视场角表示，沿传播方向，光线的斜率是正的，与此相对应，物的坐标是负的。当物和像分别位于无穷远时，建议采用此方案。 物面上，X和Y方向物的直接高度。物高采用透镜单位。当物和像均位于无穷远时，此方案无效。 像面上，像的近轴高度。此方案适于画面格式和大小固定的情形，例如摄影机中的摄影胶片。如果一个光学系统满足近轴光学的要求，则可以采用此方案。 像面上的真实像高。此方案也适于前面的固定画面情况。但在此方案下，光线的追迹速度有些慢，因为ZEMAX必须以交互方式决定主光线在像面上的坐标。
Object Height
(物高)
Paraxial Image Height (近轴像高)
Real Image Height (真实像高)
对我们这个单透镜，我们将以角度来定义其视场。因为透镜的单视场大小是
5?，因此需设置3组视场角，(0, 0)，(0, 3.5)，和 (0, 5)。
在Field Data dialog内，一共可输入12组视场值。每组视场值都可设置一个权，这个权主要是在优化过程中使用。对我们这个单透镜，可将所有视场值的权都缺省设为1。将上述3组视场值送入Field Data dialog的前3行，如下图所示：