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ZEMAX | 如何设计一个单透镜第一部分：设置如何设计一个单透镜第一部分：设置概述本系列共三篇文章，旨在介绍如何使用OpticStudio序列模式界面进行操作。
本文以单透镜为例，介绍了设计透镜的基本过程，包括构建系统(第1部分)、分析其性能(第2部分)，以及根据所需的指标参数和设计约束对其进行优化(第3部分)。
引言单透镜为OpticStudio中建模最简单的成像系统。
尽管如此，这个简单的成像系统的设计可以帮助您了解OpticStudio的界面，了解基本的设计概念和策略，并演示如何使用一些基本的分析功能来优化和确定光学性能。
这是由三篇文章组成的系列文章的第1部分。
首先介绍OpticStudio用户界面的序列模式(Sequential mode)，然后重点介绍如何使用系统选项(System Explorer)和镜头数据编辑器(Lens Data Editor)正确设置单透镜。
它还解释了如何使用求解(Solves)来强制设计约束。
在第2部分中，我们将讨论一些可用于评估系统性能的分析。
在第3部分中，我们将讨论如何优化单透镜，使其在设计约束下获得更好的性能。
镜头分类参数和设计约束在这个练习中，我们将设计和优化一个玻璃材料为N-BK7， F数为4的单透镜。
最终设计方案应满足以下规格和约束条件：使用给定OpticStudio的用户界面和可用的工具，可以很容易地建模和优化单透镜！镜头数据编辑器在计算机辅助序列透镜设计中，光线按其排列的顺序从一个表面追迹到下一个表面。
为此，OpticStudio使用一种名为镜头数据编辑器(LDE)的电子表格。
打开OpticStudio后，OpticStudio主窗口（工作区）中将出现一个空白的镜头数据编辑器。
除了工作区中的镜头数据编辑器，您还将看到一个标题栏，其中指定打开的窗口的类型；一个菜单(Ribbon)栏，其中提供对OpticStudio所有特性的访问；以及窗口顶部的一个快速访问工具栏(Quick Access Toolbar)。
ZEMAX | 如何设计一个单透镜第三部分：优化如何设计一个单透镜第三部分：优化概述本系列共三篇文章，旨在介绍如何使用OpticStudio序列模式界面进行操作。
本文以单透镜为例，介绍了设计透镜的基本过程，包括构建系统(第1部分)、分析其性能(第2部分)，以及根据所需的指标参数和设计约束对其进行优化(第3部分)。
引言这是单透镜设计系列文章的第3部分。
介绍了优化的基本概念、如何将参数设置为变量、如何使用评价函数向导来评估设计的质量，并解释了如何执行优化本身。
最后，本文对最终的系统性能进行了评估。
在第1部分中，我们讨论了如何使用系统选项和镜头数据编辑器设置系统。
在第2部分中，我们讨论了一些可用于评估系统性能的分析。
设置变量搭建默认评价函数单透镜的性能当然是受限的，但是OpticStudio仍然可以找到比目前更好的解。
在此过程中，确定当前设计具有多少自由度是很重要的。
也就是说，有多少参数可以作为变量自由调整？对于本练习中的单透镜，其中一个参数（表面2的曲率半径）不能再被认为是自由变化的参数，因为它是由一个求解来控制以满足特定设计的约束。
然而，透镜的中心厚度（表面1的厚度）,前表面的曲率半径（表面1的曲率半径），和后面透镜与像面的距离（表面2的厚度）都可以作为变量来使单透镜的RMS半径最小化。
为了允许OpticStudio在优化过程中将参数视为自由度，必须在镜头编辑器中表示该参数的单元格上放置一个变量求解类型。
您可以通过单击所需单元格右侧的框或高亮适当的单元格，并在键盘上按下< Ctrl+Z >来设置求解类型。
在出现的求解对话框中，选择变量(Variable)作为求解类型(Solve Type)。
参数旁边出现字母“V”表示变量已经设置完成。
在三个参数上都放置一个变量解，这三个参数在优化过程中就可以自由变化。
一旦设置好变量，我们现在就可以构造默认的评价函数(Merit Function)。
评价函数是在一个完全独立于镜头数据编辑器的编辑器中构造的，称为评价函数编辑器(Merit Function Editor)。
单透镜设计一、设计目的：了解ZEMAX在光学设计中的作用，学会运用zemax实现建模并分析的功能，对《工程光学》的应用光学部分的主要内容进行系统的复习。
并设计一个符合要求的单透镜。
单透镜的设计结构虽然简单，但对于我们学生来说，在这种简单的成像设计过程当中，有助于我们理解Zemaxr的界面，学习基本的设计理念和策略。
初步掌握Zemax的基本操作等等,有利于以后的工作上的使用.二、设计要求：设计一个单个镜头设，其要求如下：入瞳直径:30mm,曲率半径:-75,-55,厚度8mm,材质为BK7玻璃,像面自己估算估算后代入，光源为可见光(F,d,C),视场角为0°、7°、10°三、设计思路：由于我们设计是比较简单的单个镜头，利用光学软件Zemax可以非常方便进行模拟，按照给定要求确定单个透镜的各个参数。
为了降低系统的像差，完成设计受，再进行优化，使系统达到我们预期的要求。
四、设计过程：本人使用汉化版Zemax2005 ，其操作界面如下图所示：1、设计透镜的系统的基本参数：（1）、入瞳直径设计：点击“Gen”在“General”窗口的“Aperture”选项卡中，光圈类型选择“入瞳直径”，光圈值键入“30”；在“Units”选项卡中，镜头单位选择“毫米”，其他默认选择。
如下图所示，（2）、波长设置点击“Wav”，在“Wavelength Date”窗口勾选：1、2、3，在“选择->”下拉列表中选择：F,d,c (Visible)，最后确认。
如下图所示：注;F,d,c (Visible)是红绿蓝三色可见光。
（3）、视场角设置点击：“Fie”，在“Field Data”窗口，勾选“1、2、3，并在Y--视场中键入0、7、10。
如下图所示：（4）、透镜基本参数设置如图所示，就是所谓的单透镜，是指由两个折射曲面（曲面半径分别R1、R2）围成的透明体，其中折射面可以是凹凸平。
LDE的每一行对应单独的一个面。
单透镜构建高分辨率成像系统作者：惠泽方刘长青来源：《锋绘》2018年第05期摘要：采用一片焦距35 mm的双凸透镜和特定的CMOS图像传感器对IS012233标准测试卡进行成像。
成像图片颠倒以及水平切除并随机放置枯叶图片进行测试，对成像系统的适应能力、自动识别和排除干扰能力有了更高的要求，系统的研究了摄像头硬件设计制作、光路的搭建、数字图像处理和存储以及程序算法等。
在硬件设计方面采用USB驱动芯片CY7C68013和同步动态随机存取存储器MT48LC16M16A2来传输和存储数据。
软件设计方面通过Visual studio程序的编写和Quartus Ⅱ12.1来控制EP4CE6E22C8进行主要数据的操作和处理。
光学光路方面采用景深延拓和偏振片来增强图像的采集。
算法方面使用超分辨率算法使得图像的最佳化等。
关键词：偏振片;离焦处理;算法重构1 引言利用一片焦距35mm，直径为25.4mm的凸透镜，材料为K9玻璃，曲率半径为34.86mm 的单透镜。
单透镜与前端测试卡的距离为50cm，单透镜与后端测试卡的距离为80cm。
要求成像图片颠倒以及水平切除并随机放置枯叶图片进行测试，对成像系统的适应能力、自动识别和排除干扰能力有了更高的要求。
单透镜成像会使光学系统整体结构简化、降低成本。
但是波前畸变会在单透镜成像时，影响图片成像，导致图片质量较差，因此处理好单透镜成像的像差对成像的干扰就尤为重要。
2 光学论证2.1 光的吸收、色散和散射（1）光的吸收。
光的吸收，就是指光波通过介质后，光强度因吸收而减弱的现象。
在实验设计中采取水管接头做为镜筒，套接单透镜，由于水管接头是白色且内壁比较光滑，补光所照射的光在镜筒内壁易产生反射，从而干扰透镜成像效果。
所以，在实验测试中，了减小单透镜被反射光干扰，采取将镜筒内壁磨砂，并且涂成黑色的方法，以最大限度让镜筒内壁吸收干扰光，并且使小部分反射光形成漫反射，以最大限度减少因镜筒内壁光滑而产生反射对透镜成像效果的干扰。
ZEMAX | 如何设计一个单透镜第二部分：分析只有经过了详细的分析，才能知道当前的系统哪里不符合我们的设计要求，才能为后续优化铺垫方向，所以让我们来详细了解：如何设计一个单透镜第二部分：分析概述本系列共三篇文章，旨在介绍如何使用OpticStudio序列模式界面进行操作。
本文以单透镜为例，介绍了设计透镜的基本过程，包括构建系统（第1部分）、分析性能（第2部分），以及根据所需的参数和设计约束对其进行优化（第3部分）。
引言这是由三篇文章组成的系列文章的第2部分。
介绍了系统的布局图(Layout)，给出了系统的可视化表示，然后重点对点列图(Spot Diagram)、光程差图(OPD Fan)和光线像差图(Ray Fan)进行了分析，对系统的像差进行了评价。
它还解释了如何使用快速聚焦工具(Quick Focus tool)来更好地定位像面的位置。
在第1部分中，我们将讨论如何使用系统选项(System Explorer)和镜头数据编辑器(Lens Data Editor)设置系统。
在第3部分中，我们将讨论如何优化单透镜，在设计约束下获得更好的性能。
在优化之前评估系统性能OpticStudio中包含了许多不同的分析功能，每个功能都可以用来评估设计的性能。
在此次练习中，我们将使用四种更基本、更常见的系统性能分析功能来评估优化之前的单透镜：•布局图(Layout)：布局图可以通过分析( Analyze)>视图(System Viewer)> 2D视图(Cross-Section)打开。
2D视图绘制了镜头的YZ截面，仅适用于旋转对称的轴对称系统。
布局图始终是当前光学系统的一种有效的可视化表示。
•点列图(Spot Diagram)：点列图可以通过分析( Analyze)>像质分析( Image Quality)>光线迹点(Rays & Spots)>标准点列图(Standard Spot Diagram)打开。
第二章 基础实例设计ZEMAX基础实例 ‐ 单透镜设计引言• 在成像光学系统设计中，主要指的是透镜系统设计，当然也有一些反射系统或棱镜系统。
• 在透镜系统设计中，最基础、最简单的便是单透镜设计。
但我们不要小看这样的单透镜系统，因为它也代表了一个光学系统设计的完整流程。
麻雀虽小，五脏俱全！• 本节中，我们通过手把手的操作，为大家展示使用 ZEMAX 进行成像光学设计的完整流程。
使初学者快速领略到ZEMAX光学设计的风采，在轻松的设计中感受到光学设计的乐趣。
• 通过单透镜设计，可以使大家学习到Z EMAX 序列编辑器建模方法，光束大小设置方法，视场设置方法，变量的设罝方法，评价函数设置方法，优化方法，像差分析方法和提髙像质的像差平衡方法等，单透镜系统参数设计任何一个镜头，我们都必须有特定的要求，比如焦距，相对口径，视场，波长，材料，分辨率，渐晕，MTF等等，根据系统的简易程度客户给的要求也各不相同。
由于单透镜最简单的系统，要求也就很少。
本例中我们设计单透镜规格参数如下：EPD = 20mmF/#=10FFOV= 10 degreeWavelength 0.587umMaterial BK7Best RMS Spot Radius首先我们需要把知道的镜头的系统参数输入软件中，系统参数包括三部分：光束孔径大小，视场类型及大小，波长。
在这个单透镜的规格参数中，入瞳直径(EPD)为20mm，全视场(FFOV)为10度，波长0.587微米，分别如下说明。
1、点击System » General或点快捷按扭Gen打开通用设置对话框：入瞳直径即到还有其它像空间F 数互转换。
物空间数值直接定义物随光阑尺寸用这种类型本例中，我2、点击打开即用来直接确它几种光束孔(Image Space 值孔径(Object 物点发光角度寸漂移(Float B 型来计算入瞳我们只需选择开视场对话框定进入系统光孔径定义类型e F/#)，用于t Space NA)，来约束进入系By Stop Size)，瞳的大小。
单透镜——应用光学课程设计报告广东海洋大学《工程光学》课程设计题目：单透镜设计姓名：李力飞学号：201211911114学院：理学院班级：电科1121指导老师：陈劲民广东海洋大学一.设计目的查阅光学设计软件ZEMAX资料，初步了解ZEMAX在光学系统设计中实现建模、分析的功能；对上学期《应用光学》课程作一扼要系统的复习。
根据设计要求，运用ZEMAX进行辅助设计按要求给出设计结果及撰写设计报告和个人心得总结。
二.设计要求入瞳直径:30mm曲率半径:75,-85mm厚度5mm材质为BK7玻璃光源为可见光(F,d,C)视场角为0°、7°、10°三.设计思路直接将要求作为初始结构参数，输入ZEMAX，并得出初始结果选取透镜两面半径，焦距作为变量进行优化对第一次优化结果进行像质评价，针对不同像差用对应的评价函数优化，直到像差符合要求1李力飞四.设计过程1）入瞳设置入瞳直径为30mm2）视场设置视场角为0度，7度，10度2广东海洋大学3）波长设置波长为F光（0.486），D光（0.587），C光（0.656）单位：um4）透镜参数设置OBJ 和IMA分别为物面，像面。
物面厚度（Thickness）为无穷远，即物距为无穷远。
1.在光阑面（STO）后插入一个新的面2，作为透镜的第二个面。
2.透镜第一面，第二面半径分别为75mm和-85mm。
3.由公式f’=nR1R2/(n-1)[n(R2-R1)+(n-1)d],得出透镜焦距f’=78mm，并将f’作为第二面厚度；透镜厚度d=5mm作为第一面厚度。
（BK7玻璃折射率：1.5168）3李力飞5)评估系统性能1. 3D草图图中可明显看到轴外和轴上的光线都没有聚焦在高斯像面上，这主要是因为系统存在严重的球差，场曲。
4广东海洋大学2.光线像差曲线（RAY FAN）从曲线中可看出主要存在球差，场曲，子午慧差球差：0视场图曲线离轴较严重，特别是全孔径处场曲：7，10视场图原点处曲线斜率不为0子午慧差,7，10视场子午曲线弯曲较严重，或者曲线两端连线与纵轴交点和原点不重合像散：10视场图子午，弧矢曲线不重合，即子午焦面与弧矢焦面不重合5李力飞3.点列图（Spot Diagrams）主要存在球差，慧差，像散球差：0视场RMS（弥散斑半径的方均根）GEO（弥散斑半径）都很大慧差：7，10视场图形形状可看出存在慧差像散：10视场图形呈椭圆状，说明子午像面和弧矢像面不重合子午场曲：10视场图呈椭圆状6广东海洋大学6）优化系统一.设置变量将STO面和2面半径，2面厚度设为变量。
实验一：单透镜系统一.实验目的熟悉 ZEMAX软件，学习单透镜的设计方法及原理过程，及透镜的优化方法；二.单透镜结构性能要求1）相对孔径为1/4（F/#为4），焦距为100mm；2）视场角为0︒；3）厚度为3mm；4）相对波长为可见光波长；5）玻璃材料为BK7 ；三.实验步骤1.打开ZEMAX软件，在 LDE 中显示的有三个面：物平面以 OBJ 表示,光阑面以STO 表示,像平面以 IMA 表示；2.对于我们的单透镜来说，我们共需要四个面：物平面（OBJ），前镜面（同时也是光阑面）（STO），后镜面（2），和像平面（IMA）；3.系统参数设置：相对孔径：F/#是相对孔径的倒数，即为4（system一general）；视场角为0︒（system一field）；相对波长为可见光波长（system一wavelength）；4.结构参数设置：曲率半径为100mm；材料为 BK7；厚度为3mm；如下图所示：单透镜系统如下图所示：如下图所示点列图：四．透镜优化过程1.将曲率半径设为变量，权重为1，厚度设为Marginal Ray Heigh，在评价函数在“TYPE”列下，输入“EFFL”然后Tools一最佳化Optimization。
如下图所示：2.单击菜单栏Tools一最佳化Optimization，如下图所示：五．优化后的光学系统分析1.观察光线特性曲线图。
从光线特性曲线窗口菜单，单击“更新（Update）”（窗口任何地方双击也可更新），其光线特性曲线图。
现在，离焦已消失，主要的像差是球差，单透镜校正不了色差，如下图所示：2.对于点列图，优化后的系统弥散斑越来越小，如图所示：3.对于wavefront Map图，像差从42.2减小到3.5，如下图所示：4.对于多色光焦点漂移图，纵坐标表示波长范围，覆盖了所定义的波长段，焦距的最大变化范围约为1522微米。
对于单透镜镜片来说，其曲线的单调变化类型是很典型的，如下图所示：。
摘要本文研究了单透镜高分辨成像系统的设计和实现。
首先介绍了传统成像系统的原理和一些影响分辨率的因素，并分析了单透镜成像系统的优点和不足。
随后详细介绍了单透镜成像系统的组成以及成像原理，并给出了系统的设计方案和实现流程。
最后通过实验验证了单透镜成像系统的高分辨率成像效果。
关键词：单透镜高分辨成像系统；成像原理；设计方案；实现流程；成像效果1.引言高分辨成像系统在现代工业、医学、科学等领域中有着广泛的应用。
传统成像系统通过引入复杂的光学元件来实现高分辨成像，但是这类系统存在着检校困难、结构复杂等问题。
近年来，越来越多的研究者开始关注单透镜高分辨成像系统的研究，这类系统具有结构简单、轻便易携带等特点。
本文主要研究单透镜高分辨成像系统的设计和实现，并验证了其高分辨率成像效果。
2.传统成像系统及影响分辨率的因素传统成像系统主要由镜头、物件、传感器组成。
其成像原理是通过光线经过凸面透镜后，形成实像投射到传感器上。
在实际应用中，成像质量受到诸多因素的影响，如衍射、散射、像差等。
影响成像分辨率的主要因素有光学系统的孔径、焦距和传感器的像素大小等。
3.单透镜成像系统的优点和不足单透镜成像系统是相对于传统成像系统而言的，其主要特点是结构简单、轻便易携带。
通过一个透镜可以实现高分辨成像，省去了传统成像系统中的复杂镜头。
但是单透镜成像系统也存在一些不足，例如图像的畸变和噪点等问题。
4.单透镜成像系统的组成单透镜成像系统的主要组成部分包括一根单透镜、光学对焦模块、CCD 摄像机等。
具体而言，单透镜可以将物体的投影分成不同深度的层次，光学对焦模块可以完成景深的调节，而通过CCD 摄像机可以将实际图像数据输出为数字信号。
5.单透镜成像系统的成像原理在单透镜成像系统中，采用的是透镜的光学成像原理。
透镜可以将投影物体成像到光学成像平面上，而图像的大小和位置可以通过调节透镜的位置和焦距来完成调节。
透镜组件能够定位物体的深度并应用对应的光学消减条件。
单透镜设计
一、设计目的：了解ZEMAX在光学设计中的作用，学会运用zemax实现建模并分析
的功能，对《工程光学》的应用光学部分的主要内容进行系统的复习。
并设计一个符合要求的单透镜。
单透镜的设计结构虽然简单，但对于我们学生来说，在这种简单的成像设计过程当中，有助于我们理解Zemaxr的界面，学习基本的设计理念和策略。
初步掌握Zemax的基本操作等等,有利于以后的工作上的使用.
二、设计要求：
设计一个单个镜头设，其要求如下：
入瞳直径:30mm,曲率半径:-75,-55,厚度8mm,材质为BK7玻璃,像面自己估算估算后代入，光源为可见光(F,d,C),视场角为0°、7°、10°
三、设计思路：
由于我们设计是比较简单的单个镜头，利用光学软件Zemax可以非常方便进行模拟，按照给定要求确定单个透镜的各个参数。
为了降低系统的像差，完成设计受，再进行优化，使系统达到我们预期的要求。
四、设计过程：
本人使用汉化版Zemax2005 ，其操作界面如下图所示：
1、设计透镜的系统的基本参数：
（1）、入瞳直径设计：
点击“Gen”在“General”窗口的“Aperture”选项卡中，光圈类型选择“入瞳直径”，光圈值键入“30”；在“Units”选项卡中，镜头单位选择“毫米”，其他默认选择。
如下图所示，
（2）、波长设置
点击“Wav”，在“Wavelength Date”窗口勾选：1、2、3，在“选择->”下拉列表中选择：F,d,c (Visible)，最后确认。
如下图所示：
注;F,d,c (Visible)是红绿蓝三色可见光。
（3）、视场角设置
点击：“Fie”，在“Field Data”窗口，勾选“1、2、3，并在Y--视场中键入0、7、10。
如下图所示：
（4）、透镜基本参数设置
如图所示，就是所谓的单透镜，是指由两个折射曲面
（曲面半径分别R1、R2）围成的透明体，其中折射面可以
是凹凸平。
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)（可看成是发光
的位置），最后一面都是像(IMA)（光线追迹最后停止的位
置，这个面并非真实存在的表面，其后不可以设置任何的
表面，）。
除物面和像面外，还必须定义两个孔径光阑面(STO)（即单透镜的两个面）。
对于简单的单透镜，共需要四个面：物平面，前镜面（同时也是光阑面），后镜面，和像平面。
要插入一个光阑面：只需移动光标到下图的单击变黑位置（或改行任意地方），然后按“Insert ”键。
这将会在那一行插入一个新的面，并将像平面往下移。
新的面被标为第2面。
注意物体所在面为第0面（标为OBJ ），然后才是第1（面标为STO ），第2面（标为2）和第3面（标作IMA ）。
输入镜头参数：第一面（STO ）的曲率半径（Radius ）键入-75, 厚度（Thickness ）键入8，玻璃材质（Glass ）键入BK7；第二面曲率半径为键入-55。
如下图所示：
注：ZEMAX 默认默认情况下，长度单位为毫米（mm ）.
估算像面位置：由于我我们在OBJ （即物面）设置的thickness （即厚度）为infinity （即无穷远），（注意：厚度：是指从当前的面到下一面的距离），这样无穷远的物体经透镜系统成像的位置就在系统的焦点位置，因此我们可以求出该透镜的焦距f`，这焦距可以看成第二面的厚度（即第二面到IMA 像面的距离）。
课本《工程光学》P36 ，式（2-48），即f`=nR1R2/（n-1）[n(R2-R1)+(n-1)d]
单位Mm 单透镜的焦距
n'透镜折射率
1.5168 351.2234017 R1（前面曲率半径）
-75 R2（后面曲率半径）
-55 d （透镜厚度） 8 注：BK7的折射率为：1.5168。
在这按：insert ，即插入
或者：点击“Sys ”，在该窗口中的“有效的焦点长度”即为透镜的有效焦距。
这里取第二面离像
面的距离为
351mm ，即
第二面
“Thickness ”键入“351”，因为这是理论计算出来的像面位置，难免存在很大的像差，因此可利用像面的位置作为变量进行优化，从而降低像差。
这样透镜参数完全设置右下图所示：
2、评估系统性能
（1）轮廓图（Layout ）：渲染模型（Shaded Model ）、3D 轮廓图（3D layout ）、Zemax 格式绘图（Zemax Element Drawing ）
对我们这个简单的单透镜，layout 是一个有效的视觉描述。
分析：从Shaded Model 和layout 图可见，红绿蓝三条光线并没有完全汇聚到一点，存在一定像差，像差主要表现在场区和像散。
（2）特性曲线（Fans ）：入瞳像差(Pupil Aberration)、光线像差（Ray Aberration ）、光路(optical path)
分析：从Ray Fan 图可知，MAXIMUM SCALE （最大刻度）：+5000.000um ，出现交大的离轴现象。
从OPD fan 图可知，MAXIMUM SCALE （最大刻度）：+100.000waves ，波前的光程差较大。
注：Ray Fan 描述的是光线像差与光瞳坐标间的函数关系。
一般来讲，一条由物点发出，穿过光学系统，一直传到像面的光线，其与像面的交点，总是会偏离主光线与像面交点一段非零距离。
另外，对一个理想光学系统，在光瞳面上的该单透镜的有效焦距。
