ZEMAX光学设计——单透镜设计
[*]序列模式与非序列模式
序列模式使用几何光线追迹，是对规则的可预见的光线进行追迹；即光线必须按照事先规定的表面顺序，即光线不可以跳过任何一个面或者反向。
序列模式结构
非序列模式模拟的就是真实物理光源的发光情况，光线随机生成并传播，适用于照明系统；
非序列模式结构
其次，序列模式下使用Surface表面建模，非序列模式采用实际物体建模，需要定义光源采用光线。
2. 单透镜系统参数
一． 设计参数
[*]入瞳直径EPD： 20mm
[*]相对孔径F/#: 10
[*]全视场角FFOV： 10°
[*]波长Wavelength:587nm
[*]玻璃Matcrial: BK7
[*]Best RMS Spot Radius
二． 设计步骤
[*]初始参数设置
(1)设置入瞳直径
入瞳直径设置
(2) 设置视场Fie
全视场为10°，视场角（3视场）5°，其0.7倍为2视场3.5°
视场设置
视场是什么？视场就是成像系统所能观察到的区域范围，也就是像面所能看到的物面范围（物面有多少范围参与成像）每一个视场对应一个物点，这个物点发出的锥形光束充满整个光瞳，可以简单理解成这个锥形光束的中心光线与光轴的夹角就是视场角。
(3) 设置波长Wav
波长设置
以上，基本参数设置完成
2. 单透镜初始结构
一个单透镜由两个表面组成，因为只有一个透镜，则光阑面STO就是透镜的前表面，透镜后面的设置，则我们需要在像面IMA前插入一个面（如下图中的2面）。透镜材料的设置需要在前表面（STO）中的Glass上设置（如题BK7），而且我们知道相对孔径F的公式：
\
已知，F=10，D=20，则f’自然就是200，然后我们可以根据工程光学的基本知识，通过厚透镜的焦距计算公式确定单透镜的前/后表面曲率和厚度。在这里，计算机辅助的优势就出现了，我们只需要设置目标参数，并对某些值做求解类型，zemax将会自动计算得出透镜参数
(1) 插入表面并设置Glass
还需设置半口径Semi-Diameter
lens data
(2) 设置求解类型
为了简单，我们可以先设计个平凸透镜，即STOP面平，而2面凸，并在此面上设置求解类型F/#，即这个面的曲率半径必须符合F/#=10（即焦距200）。
设置求解类型
在2面处右键鼠标，
设置后
计算的2面曲率为-101.943mm，不同版本可能有差异
参数
最下方可见焦距EFFL，相对孔径WFNO，入瞳直径EPND，系统总长TOTR
(3) 设置边缘光线高度求解类型
在2面厚度处设置，
设置边缘像高求解类型
设置后可以发现2面的厚度变为200，即像面正好在透镜像焦平面处。
可以查看2D图与光扇图：
2D Layout
Ray Fan
3. 单透镜的变量与优化目标
以上步骤后，单透镜的初始结构已经设置完成，但是光学系统不仅仅要满足最基本的孔径，焦距，视场等要求，还需要在满足这些要求的情况下拥有最佳的成像质量。因此，我们需要将lens data上的一些参数设置为变量（即告诉zemax这些参数在优化时是可以改变的），将某个参数后的类型更改为“V”（变量）即可。
(1) 将单透镜的前表面曲率半径和透镜厚度设置为变量
设置变量
(2) 优化单透镜
在上一步中我们将两个参数设置变量，让软件自行找到这些变量的最优解，但是实际设计与加工中肯定有一定的参数限制要求，并且软件还需要知道什么时候才算优化结束，就需要设置一些要求，这时候就需要评价函数Merit Function。
根据设计要求的最后一条，我们需要优化到最小光斑。
评价函数设置
优化函数optimization function中的图像质量image quality中我们可以选择光斑spot。
光瞳积分pupil integration中的两种方法，其一是高斯环形积分Gaussian Quadrature，此法多采用在系统为旋转对称结构且没有渐晕的设计中，其二矩形阵列Rectangular array就应用在存在渐晕的系统中。
边界条件boundary values规定了镜片厚度于空气间隔的取值范围。
在这里我们仅仅更改了图像质量image quality为spot，然后Apply后局部优化local optimization。
初步优化后
可以发现，透镜变得很长，实际加工和应用中肯定不能去做那么大的柱镜。因此，我们需要限定透镜的最大尺寸，可以在边界条件boundary values中进行修改。
优化限定
设置后，再次进行局部优化：
优化后
Spot Diagram
由上边的光斑图，三个市场的RMS光斑半径分布为16μm，51μm和90μm，可以发现1视场时的光斑还是挺小的，但是视场变大后光斑快速变大，这应该是由场曲（大视场光斑椭圆）的存在引起的。究其原因，我们在初始结构设计时，系统使用了边缘光线高度求解类型，这就限制了像面位置只能在近轴焦平面处，极大的限制了光斑的优化。
因此，我们将2面（透镜后表面）的厚度设置为变量，再次优化。
再次优化后的spot Diagram
优化后可以发现光斑的尺寸有了明显提高。
由上边的光斑图我们可以发现，影响单透镜成像质量的相差主要是两种：像散和场曲。如何减小这两种像差呢？我们知道像散和场曲都是视场的函数，因此我们可以通过光阑的位置来提高成像质量。
在我们的初始结构中，透镜前表面就是唯一的光阑，不可更改，因此我们可以在透镜前表面插入一个光阑，如图在原STOP面前插入新表面并设置为光阑STOP，并将厚度设置为变量
插入新光阑面
插入后2D Layout
Spot Diagram
光斑尺寸小了很多，但是光阑的引入，势必会增加系统的畸变，因此单透镜很难在进一步提高成像质量，想继续增加成像质量，就要使用非球面设计或者多透镜系统。 请问有没有非球透镜的设计和优化实例？？ 暂时还没有呢 可能等以后学到了再发吧 能帮我答道题嘛？兄弟 学习了共轴球面系统和理想光学系统后，张同学认为单透镜的等效焦距就是单透镜后表面顶点到等效焦点的距离。请问他的说法是否正确？为什么，请阐述你的理由，同时联系“基于ZEMAX的透镜设计与优化”实验的结果来分析验证。
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