单透镜的初始结构设计优化

接下来创建透镜的初始结构。单透镜由2 个面组成，需要在透镜数据编辑器（LD）中插入1 个表面，并设置材料属性及参数，创建出单透镜的初始结构。

第4 步：在透镜编辑栏内输入参数。

打开LD 编辑器窗口，将光标放在像面上，点击右键，选择“Insert Surface”，表示在像面前插入1 个表面。在“STOP”对应的“Material”栏中输入透镜材料“K5”，如图7-8 所示。

图7-8　输入透镜编辑器

要求透镜的F/#=10，它表示有效后焦距与入瞳直径的比值为10，这一数值也是间接控制有效后焦距的方法。通常直接在最后一个光学面的曲率半径上设置F/#求解类型，在透镜后表面曲率半径上单击右键，选择F/#=10。

第5 步：将最后一个光学表面的曲率半径设置F/#求解。

如图7-9 所示，点击在序号为2 的曲率半径后的小框，弹出对话框“Curvature solve on surface 2”，并在“Solve Type”中选择“F Number”，设置“F/# ”的值为“10”。

注意：软件最底下的状态栏4 个参数EFFL（有效后焦距）、WOFNO（工作F 数）、ENPD（入瞳直径）、TOTR（系统总长）。

在初始结构中并不知道透镜的曲率半径、透镜厚度，这些参数需要让软件自动优化帮助找到。也可以使用最后一个面上边缘厚度求解得到近轴焦平面的位置。单击最后一个表面的厚度栏后的小框，选择边缘光线高度求解类型，它表示近轴边缘光线会自动在下个面上聚焦，并找到这段距离值。

图7-9　曲率半径设置F/#求解

图7-10　边缘光线高度求解

第6 步：边缘光线高度求解类型。

在透镜数据编辑器内，点击在序号为2 的厚度右的小框，弹出对话框“Thickness solve on surface 2”，其中“Solve Type”选择“Marginal Ray Height”，“Height”和“Pupil Zone”的值都设置为“0”，如图7-10 所示。

经过边缘光线高度求解，软件系统会自动计算透镜的曲率半径-104.498 mm，系统的焦距为200.000 mm。下面就查看透镜的初始结构图与像差是否满足设计要求。

第7 步：查看单透镜初始结构图。

执行命令“Analyze→Cross-Section”或者“Analyze→System Viewers→3D Viewer”，并打开图形显示设置对话框“Settings”，修改“Color Rays By”为“Wavelength”，得到如图7-11 所示的初始结构示意图。从图中虽然看不到透镜形状（由于透镜的厚度为0），却能看到系统目前有聚焦，但聚焦状态不好。

图7-11　单透镜初始结构示意图(www.xing528.com)

第8 步：设定单透镜的变量及优化目标。

已经完成了单透镜的初始结构设置，想让软件辅助找到最佳曲率半径和厚度值，这时就需要告诉软件透镜的哪些参数需要优化，就将这些参数设置为优化变量。当将参数设置为变量时，透镜编辑器栏该参数右边会出现一个“V”字符。

（1）设置单透镜的变量

在透镜数据编辑器中，透镜的前表面“STOP”栏内，单击“Radius”和“Thickness”右边的小框，并选择“Solve Type”都为“Variable”，可看到这两个参数右边出现了“V”字符，如图7-12 所示。

设置好变量后，需要告诉软件这些变量变化后得到什么样的结果，也就是在优化前还需要设置优化目标，在ZEMAX 中用评价函数来体现。对本例中的单透镜，只需要优化到光斑最小就可以了。

（2）评价函数

图7-12　单透镜的变量设置

按路径“Optimize→Merit Function Editor”，将弹出一个表格式的评价函数编辑器。在上方功能菜单中打开“Wizards and Operands”对话框，选择“Optimization Wizard”，弹出是默认评价函数对话框，如图7-13 所示。从图中可以看出，评价函数分为三个部分：优化函数、光瞳采样、边界值。

图7-13　默认评价函数设置窗口

优化目标是设计的核心，它直接告诉软件需要得到的结果，可以是光程差、光斑、发散角为目标。通常优化镜头的分辨率是以光斑最小为标准，即最小的RMS Spot Radius。

光瞳采样即优化时的光线采样，分两种方法：高斯环形积分采样和矩形阵列采样。当系统为旋转对称结构且没有渐晕存在的情况下，使用高斯环形积分，追击最少的光线数得到较高的优化效率。当系统存在渐晕时，只能使用矩形阵列采样，需要追击大量光线才能得到精确结果。

边界值的设定是用来控制优化过程中镜片厚度或者镜片与空气间隔大小的，保证得到的镜片不会太厚或太薄，镜片的中心厚度不能为负值，或者可以避免空气厚度出现负值等。按照图7-13，对默认评价函数进行设置，点击“OK”，在评价函数编辑器中便自动插入所设置的系统评价目标操作数，如图7-14 所示。

到此，就可以进行单透镜的优化了。

（3）优化

图7-14　评价函数编辑器

点击“Optimize→Optimize！”，将打开“Local Optimization”对话框，单击“Start”，软件自动开始优化，如图7-15 所示。当图中的“Current Merit Function”值不再变化时，优化完成，点击“Exit”，就得到了优化后的结果。

图7-15　优化对话框