前言与目录
在光学设计领域，ZEMAX是一款被广泛使用的软件，它提供了一套完整的工具来优化光学系统的性能。本文将深入分析ZEMAX优化设计的关键步骤，从初步设计到最终优化，提供详细的操作指南。优化函数可以由多种不同形式的像差构成，具体取决于设计者的经验和偏好。将讨论几个在使用ZEMAX软件进行优化时的要点。
目录
一、常规优化方法
1、视场点平衡与光线追迹
2、求解功能的应用
3、缺省优化函数的使用
4、变量变化的监控
5、初始结构的选择
二、像差的选择和控制
1、一级像差的重要性
2、 横向像差与波像差
3、不可校正的像差
4、像质评价
三、边界条件限制
1、透镜的边界限制
2、玻璃材料的边界限制
在光学设计领域，ZEMAX是一款被广泛使用的软件，它提供了一套完整的工具来优化光学系统的性能。本文将深入分析ZEMAX优化设计的关键步骤，从初步设计到最终优化，提供详细的操作指南。
一、常规优化方法
1、视场点平衡与光线追迹
在设计的初期，ZEMAX优化时不需要追迹所有具有不同视场和波长的光线，这可以节省计算时间。对权重设置为0的视场或波长不进行追迹。以下是具体的操作建议：
-视场点平衡：选择适当的视场点数目，使视场划分为等面积的圆环。对于小视场，使用0、1两个视场；中等视场（小于20°）使用0、0.7和1三个视场；大视场使用0、0.577、0.816和1四个视场。
2、求解功能的应用
- 边界条件控制：尽量使用求解功能代替变量。例如，控制F数及有效焦距时，可以在曲率半径上使用边缘光线角或F数(F*)求解功能；在厚度上使用边缘光线高度求解功能控制焦点位置；使用拾取求解功能使不同面的对应量之间保持联系；使用位置求解功能控制长度。
3、缺省优化函数的使用
- 优化函数选择：对于入瞳为圆形（或考虑渐晕因子的椭圆形）的系统，使用高斯求积法。如果光学系统接近衍射极限，则使用RMS波前优化法；否则使用RMS光斑半径优化法。质心作为参考点通常比主光线更优。
4、变量变化的监控
- 像差与系统联系：要了解像差与系统的联系及其对系统的影响，需要查看RayFan图。MTE曲线和包围圆能量曲线可以告诉你系统的好坏，但不能告诉你哪些变化可以使系统更好。一旦知道了需要确定哪些量，就要用相应的工具去优化。
5、初始结构的选择
- 初始数据获取：新的设计通常基于已有结构，所以采用合适的初始结构很重要。初始数据可以通过参考光学设计资料、软件数据库或解析法求解出薄透镜的解来获得。
二、像差的选择和控制
1、一级像差的重要性
- 近轴特性：光学系统最重要的近轴特性，即一级像差，包括焦距、像面位置和放大率。对于无限远处的物体，焦距为一级像差；有限距离处的物体，轴放大率为一级像差；无焦系统取角放大率为一级像差。
2、 横向像差与波像差
- 像差选择：在ZEMAX软件中，光线追迹的结果通常为横向像差或波像差。横向像差是波像差的一阶微分。对于大视场、大孔径的镜头，最好使用横向像差；对于小视场、小孔径的镜头，最好使用波像差。
3、不可校正的像差
- 像差限制：不要尝试控制那些不可能校正的像差，例如共轴球面系统目镜的畸变、冉斯登目镜的色差、双胶合物镜的像散等。
4、像质评价
- 点扩散函数：点扩散函数中心峰尖锐但具有较大弥散斑的镜头的像质可能优于弥散斑虽小但中心峰较低的镜头的像质。对于视场较大的镜头，各视场的像质不可能都好，因此中心视场给定的权因子较大、边缘视场给定的权因子较小是有意义的。
三、边界条件限制
1、透镜的边界限制
- 透镜厚度与空气间隔：光学玻璃不能太薄，否则在装配机械时，应力可能会损坏镜片。空气间隔必须是正值。在设计初期，不要同时设定多个玻璃和空气间隔作为设计变量，否则会出现程序对边界限制的失控。
2、玻璃材料的边界限制
- 玻璃光学常数限制：如果把玻璃材料作为自变量加入校正，ZEMAX允许折射率和色散在一定范围内的连续变化。但自动选玻璃时，要求折射率和色散的变化不得越出规定的玻璃三角形。
通过以上分析，我们可以看到，ZEMAX优化设计是一个涉及多个方面的复杂过程，需要设计师在视场点平衡、求解功能、优化函数选择、像差控制和边界条件限制等方面进行细致的考虑和操作。通过遵循这些步骤，设计师可以有效地提升光学系统的性能，实现高质量的光学设计。
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