[光学原理与应用-376]：ZEMAX - 优化 - 概述

在ZEMAX中，优化是光学设计的核心环节，旨在通过自动调整系统参数（如曲率半径、厚度、材料等），使光学系统性能达到设计目标。以下是ZEMAX优化的关键要点：

一、优化前的准备工作

1. 明确设计目标
   • 确定光学系统的关键性能指标，如焦距、视场角、像差（球差、彗差、畸变等）、MTF（调制传递函数）值、光斑尺寸等。
   • 例如：设计一款手机镜头，目标为焦距28mm、视场角75°、全视场RMS光斑尺寸<5μm、畸变<2%。
2. 选择初始结构
   • 从专利库、标准镜头库（如双高斯、匹兹伐物镜）或解析法（如薄透镜公式）获取初始结构。
   • 初始结构需接近设计目标，以减少优化难度。
3. 设置系统参数
   • 在System Explorer中定义波长（如F、d、C光）、孔径类型（入瞳直径或F/#）、视场（中心、边缘、中间视场）等。

二、优化方法与策略

ZEMAX提供三种优化方法，适用于不同场景：

1. 局部优化（Optimization）
   • 原理：从初始结构出发，沿评价函数梯度方向寻找局部最小值。
   • 适用场景：初始结构合理，且评价函数无多个局部极值时。
   • 局限：可能陷入局部最优解，而非全局最优。
2. 全局优化（Global Search）
   • 原理：通过多起点同时优化，探索解空间，寻找全局最小值。
   • 适用场景：复杂系统或初始结构不佳时。
   • 局限：计算量大，耗时较长。
3. 锤形优化（Hammer Optimization）
   • 原理：结合全局搜索与局部优化，先通过全局优化找到近似解，再通过局部优化精细调整。
   • 适用场景：全局优化后需进一步提升性能时。
   • 技巧：可结合专家算法（如调整玻璃类型、渐晕参数）优化系统。

三、优化函数（Merit Function）设计

优化函数是评估系统性能的数学表达式，由操作数（Operand）组成。操作数对应具体光学指标（如像差、焦距、厚度等），通过设置权重和目标值指导优化。

1. 操作数分类
   • 性能参数类：如EFFL（焦距）、FNOV（视场角）、MTFS（MTF值）。
   • 像质评价类：如RMS（光斑尺寸）、DIST（畸变）、SPHA（球差）。
   • 边界约束类：如THIC（厚度）、EDGE（边缘厚度）、MNEG（最小边缘厚度）。
2. 优化函数设计技巧
   • 分步优化：先优化曲率半径，再调整空气间隔，最后处理非球面系数或材料。
   • 权重分配：核心指标（如焦距、MTF）赋予高权重，辅助指标（如厚度）赋予低权重。
   • 动态调整：监控优化过程中的MTF曲线、光斑图等，针对性调整操作数权重。
3. 常见优化目标组合
   • 成像系统：以MTFS、RMS、DIST为核心，结合THIC、EDGE等约束。
   • 照明系统：以ENPP（光能利用率）、ILLU（照度均匀性）为核心。

四、优化流程与实战技巧

1. 标准优化流程
   • 步骤1：设置系统参数（波长、孔径、视场）。
   • 步骤2：选择初始结构并输入镜头数据。
   • 步骤3：构建评价函数，添加关键操作数。
   • 步骤4：设置优化变量（曲率、厚度、材料等）。
   • 步骤5：执行优化（局部→全局→锤形），逐步提升性能。
   • 步骤6：验证结果（光斑图、波前差、MTF曲线等）。
2. 实战技巧
   • 变量控制：初期仅释放关键变量（如曲率），稳定后再逐步增加变量数量。
   • 像差校正顺序：优先校正轴上像差（球差、轴向色差），再处理轴外像差（彗差、场曲）。
   • 透镜组合：采用正负光焦度透镜组合校正像差，避免单一透镜类型。
   • 非球面设计：对高阶像差问题，使用Even Asphere表面类型，调整圆锥系数（K）和高次项（A4、A6）。
   • 公差分析：优化完成后，通过Tolerance模块评估制造误差对系统性能的影响。

五、优化结果验证与输出

1. 结果验证
   • 光斑图：RMS半径<10μm表明光斑质量良好。
   • 波前差：<λ/4说明波前误差在可接受范围内。
   • 畸变：<2%确保图像不失真。
   • MTF曲线：全视场MTF值>0.6（55lp/mm）表明系统分辨率达标。
2. 输出文件
   • 使用Report功能生成光学特性文档。
   • 导出STEP格式模型，方便与结构工程师协作。