Ansys Zemax | 如何设计单透镜 第三部分：优化

深度解析OpticStudio序列模式界面：单透镜的设计优化


引言

OpticStudio作为高级光学设计软件，提供了强大的工具用于设计和分析光学系统。本系列文章的第三部分致力于探索如何通过OpticStudio的序列模式界面优化设计，以达到特定性能指标。本文重点将深入讲解如何构建变量，选择合适的评价函数，执行优化过程，并最终评估系统的最终性能。

设置变量与搭建默认评价函数

在详细讨论透镜优化过程前，首先定义变量是关键。对于单透镜系统而言，尽管其性能受限，OpticStudio仍能寻找改进的设计。识别哪些参数可以定义为自由变量是关键，这里包括透镜的中心厚度（表面1的厚度）、前表面曲率半径（表面1的曲率半径）和后表面到像面的距离（表面2的厚度）。

将这些参数激活为变量以便于OpticStudio进行调整，通过镜头编辑器执行此操作，选择目标单元上右侧的方框并按键，将求解类型设置为“变量”（Variable），结果参数旁将显示字母“V”，表明该参数已被设置为变量。

接着，构建默认的评价函数是优化过程的重要步骤。创造一个评价函数编辑器用于组织镜片的约束和目标。通过点击优化（Optimize）> 评价函数编辑器，打开评价函数编辑器。在这个环境中，标准评价函数是通过默认设置简化参数排序的最优选项之一。




优化向导与评价函数构建

对于当前优化目标，单透镜系统关注其相对于中心点的RMS半径最小化。开启优化向导或者从评价函数编辑器（Merit Function Editor）主菜单选择“优化向导（Optimization Wizard）”，进行默认评价函数定义的参数配置。这里应选择评价函数类型为RMS，像质标准为点列图（Spot），参考点设为“中心”。

在厚度约束方面，对透镜厚度设置边界条件以防止过薄或过厚，可通过优化向导（Optimization Wizard）中的厚度边界（Boundary Values）进行手动输入，保证最优设计参数保持在合理范围内。对于系统设定的要求，例如中心厚度不大于12 mm，不小于2 mm，边缘厚度至少2 mm以上，需在对话框中准确输入相应数值。

优化与性能评估

优化过程开始执行后，OpticStudio会自动调整参数以减小评价函数值，从而实现与预期性能目标的接近。系统性能在优化对话框中可视化展示，初始和当前评价函数值的报告提供了优化进展的实时跟踪。

评估优化结果时，系统完成了在设计约束条件下的优化调整。相对于初始性能分析，RMS半径和GEO半径均显著下降，达到预期性能提升目标。同时，为保障设计符合初步需求，OpticStudio为透镜厚度给出了适宜的建议，并通过边缘厚度不小于2 mm的条件保证了边缘性能的稳健性。

结论与实践指引

本系列三篇文章描写了OpticStudio中透镜设计、性能分析与优化的全过程。实践指导如下：

1. 系统设置：从系统选项开始，根据特定设计要求输入相应的系统参数。

2. 数据输入：在镜头数据编辑器中输入镜片数据和基于实验/理论猜测的未知参数，保证了优化的可靠起点。

3. 变量定义与优化：明确哪些参数可以作为自由变量，并允许OpticStudio在优化过程中进行调整。

4. 评价函数构建：使用评价函数编辑器定义优化目标和约束条件，调用OpticStudio的优化向导以简化设置流程。

5. 性能评估：执行优化调整，监控性能参数变化，确保优化结果满足设计需求。

通过本系列文章的深入阅读与实践，读者不仅掌握了OpticStudio序列模式界面的操作技巧，还深刻理解了优化设计背后的理论与实践细节，为从事光学设计工作的工程师提供了宝贵的资源与指导。