杭州电子科技大学本科毕业论文
作为变量，本设计中有三个变量可以供我们利用，分别是：镜片的前、后曲率，和第二面的厚度。将光标移到第1面的半径这一列，然后按Ctrl-Z（也可以在“半径”上双击，得到一个下拉的选择列，其中包括了变量状态）。这样，出现一个“V”，表示这是一个可变的参量。再在第2面半径以及第2面的“Thickness”上设置变化的标志，第2面的“Thickness”变化时，它的值会替换先前用求解定出的值。
接下去我们需要为镜片定义一个评价函数（Merit Function）。评价函数从数学理念上指出什么样的镜片是好的，对于一个理想的镜头它的评价函数的值应为0。
定义评价函数，首先从主菜单中选择“Editors”菜单下的“Merit Function”。然后选择“Tools”菜单下的缺省评价函数。再在出现的对话框中，点击“Reset”，确定即可。这样Zemax会自动决定一个合理的缺省评价函数。
这样，Zemax就已经构建了一个缺省的评价函数，它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追迹光线组成。但这样还不够，因为除了使弥散斑尺寸最小外，我们还需要使得镜头的焦距为100mm。如果不限定镜头的焦距，Zemax会很快得到，设定焦距无穷大会得到很好的波前像差。
鼠标单击第一行中的任何一处，使光标移动到评价函数编辑的第一行，按下INSERT键插入新的一行。现在，在“TYPE”列下，输入“EFFL”然后按回车键。此操作数控制有效焦距。然后在“Target”列，输入“100”然后再回车。其“Weight”输入一个值1，这样我们就完成了评价函数的定义。
现在从主菜单条中选择“Tools”菜单下的“Optimization”选项，会显示优化工具对话框。注意“Auto Update”复选框，如果这个选项被选中，屏幕上当前所显示的窗口（如光学特性曲线图）会按最佳化过程中镜头的改变而被自动更新。在该复选框中单击选择自动更新，然后再单击“Automatic”，Zemax会很快地减少评价函数。单击“Exit”关闭最佳化对话框。
最优化的结果是使镜片弯曲。设计结果所得出的镜片曲率使得焦距大致为100mm，并且使这个简单的系统具有了一个尽可能小的RMS波前差。Zemax也许不会很确切地将焦距优化到100mm，因为EFFL限制是一个被看作与其他的像差一样的“权重”目标。
现在可以再用光线特性曲线图来研究计算结果，如图所示：
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图3-11 优化后的光特性曲线图
由上图我们可以得出优化的设计结果最大的像差约为200μm，与此前350μm的相差有了明显的降低。
另一个有用的判断工具是OPD图。这是以光瞳坐标为函数的光程差分布图，可理解为《应用光学》中的波像差，它的光瞳坐标与光学特性曲线图中相同。同样可以按快捷键，点击Opd按钮就可以直接得到OPD图，如图3-12所示。
图3-12 OPD图
由图我们可以看出这个系统中有大约20个波长的波像差，大部分为焦面上，
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球差，色球差和轴上色差。
最后我们得到数据图如下：
图3-13 最终数据图
3.3双透镜的设计
双透镜是由两片玻璃组成，它们有一个共同的曲率，所以使用两片具有不同的色散特性的玻璃可以矫正一阶色差。我们日常接触的双透镜多为双胶合透镜。对于双透镜而言，我们需要得到抛物线的多色光焦点漂移图，来得到较好的像质。根据上一节单透镜的介绍，在先前100mm焦距和在轴上的设计要求，引入视场角来设计一个双透镜。
对于玻璃的选择，可以通过初级像差求解来得到的结构参数，再根据“双胶合薄透镜参数表”来选择相应的适用的玻璃。根据计算查表，本设计中直接选取BK7和SF1这一对玻璃来设计双透镜，此处厚度都选择3mm。
根据上几节的操作，输入波长以及孔径。设计双透镜，必须插入新的面，在LDE窗口上输入数据，如图3-14，同时可以选择第一面作为光阑面，只需双击所需成为光阑面的那行，选择表面类型，点击“Make Surface Stop”即可。
图3-14 原始数据图
由于Zemax软件自身不能模拟双胶合镜片，因此选择简单地模拟两片玻璃相互接触。再创建一评价函数，其中包括EFFL的操作数，其操作如同上节例子。
现在，从“Tool”菜单下选择“Optimization”，然后再选择“Auto Update”，则当在运行优化时，所有开启的分析视窗如“Ray fans plot”以及LDE的数据将及时变动。再点击“Automatic”这个按钮来进行优化。然后可以在主菜单下的“Analysis”选项点击“Fans”，然后选择“Ray Aberration”，如图所示：
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图3-15 扇形图
由图可以看出最大的横向光学像差已经被减小到约20μm。这对于单透镜在200μm处来说是一个质的提高。可以看出光学特性曲线图原点处的斜率对于每一个波长是大致相同的，这表示每一个波长相对离焦是很小的，但是斜率不为0。这意味着离焦被用来平衡球差。
判断设计的镜片是否具有良好的性能特征，我们可以选择主菜单选的“Analysis”选项下的“Layout”，点击“2D Layout”，我们就可以看到所设计的镜片的二维图，如图3-16所示。
图3-16二维图
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上图显示了从第一面到像平面的镜片，同时还有三条（缺省情况下）主波长光线从每个视场到像平面。这三条光线分别为入瞳——本设计也就是第1面——的上边缘、中心和底部的光线。由图可以清楚地看出第1个镜片有较尖的边缘，但是根据图形很难判断出边缘厚度是正的或负的。此外，如果镜片尺寸稍微大一点会更好，这样可使诸如抛光和装配等提供边缘空间。
因此可以通过考虑调整这些因数来提高设计。为了决定实际的边缘厚度，可将光标移动到第一面的任意一列，然后选择“Reports“选项下的“Surface Data”将会出现一个窗口，可以得到该面的边缘厚度。本设计中所给出的值是0.17，偏小，所以可以稍微调大。
在修整偏小的边缘厚度之前，可以先将镜片放大。移动光标到第一面的半口径“Semi-Diameter”列，输入“14”替代所显示的12.5，Zemax就会消去12.5并显示“14.000000U”。“U”标志着这个孔径是用户自定义的。如果“U”没有显示，表示Zemax允许此孔径可随要求定义。可以直接键入Ctrl-Z来取消“U”标志，也可以在半口径上双击，并为求解类型选择“Automatic”。然后，选择“System”选项下的“Update”来更新孔径值。14这个值为半口径，所以全口径为28mm。同样，在第二面和第三面中也输入14。
更新完图可以发现孔径已经被放大了，但是第一个边缘厚度是负的。更新表面数据窗口查看新的边缘厚度，它会变成一个负数。为了得到一个更为合理的边缘厚度，可以增加中心厚度。此外还有一个更有用的保持边缘厚度为一个特定值的方法。
假设需要保持边缘厚度为3mm，在第一面的厚度列中双击，会出现“Solve Control”屏幕，从所显示的求解列表中选择“Edge thickness”，两个值会被显示，一个是“厚度（Thickness）”，另外一个是“半径高（Radial Height）”。设厚度为3，半径高为0（如果半径高是0，Zemax使用所定义的半口径），然后单击“OK”。在LDE窗口中，第一面的厚度已被调整过，字母“E”显示在框中，表示这个参量为一个活动的边缘厚度解。
再次更新表面数据窗口，边缘厚度3就会被列出。通过调整厚度，已经对镜片的焦距作了一点改变。再进行最佳化，选择“Tools”，然后选择“Optimization”下的 “Automatic”即可。最佳化后，单击“Exit”，然后选择“System”，“Update All”，来再一次刷新图形。
现在来测试一下双透镜的离轴特性。从主菜单选择“System”，“Field”得到“Field Data”对话框，然后单击第2和第3行的“Use”选择3个视场。在下面的y视场列的第2行，输入7，在第3行输入10。使对于轴上的第1行保持为0，使x视场的值也为0，因为一个旋转对称系统，其x视场的值很小，单击OK关闭对话框。现在选择“System”，然后“Update All”，光学特性曲线图如图3-17中。
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