Ansys Zemax | 如何设计单透镜 第二部分：分析

专业技术文章：单透镜设计的性能分析与优化


引言

在光学设计领域，OpticStudio 是一款高效且功能丰富的软件，通常用于模拟和优化光学系统，包括但不限于透镜设计。《单透镜设计系列：从构建系统到性能优化》是关于如何通过OpticStudio进行光学设计的技术文章系列的第二部分，重点探索了单透镜设计的性能分析以及优化过程。本部分连接了系统的构建与优化间的纽带，提供了一部详细指南。

系统性能评估

在单透镜设计中，OpticStudio 提供了多种工具以辅助分析系统的性能，这些工具包括布局图、点列图、光程差图和光线光扇图。每一种工具都聚焦于特定的像差类型，并有助于透镜设计者量化和理解光学系统的表现。

布局图：这个可视化工具提供的是光学系统在 2D 平面上的截面描绘，适用于轴对称和旋转对称系统。布局图显示了系统的几何和物理结构，对掌握设计的存在性和结构特性至关重要。

点列图 (Spot Diagram)：点列图用以描绘点光源在成像面上所形成的像的分布。理想的光学系统中，点光应该成像为一个虚点，任何偏离均表示存在像差，这些像差用δ函数的标准作为度量。




光程差图 (OPD Fan)：光程差图强调光程差的随位置变化的曲线。在理想光学系统中，波前光程在出瞳和成像面上应该是相同的。这个图提供了诊断像差类型和程度的直接视觉反馈。

光线光扇图 (Ray Fan)：光线光扇图呈现出光线随通过系统的路径变化而产生的像差。理想情况下，每个光瞳位置对应的光线像差应为零，所有non零像差指示了系统中存在的像差。

快速聚焦工具

像面位置对光学系统性能有着显著影响。不恰当的像面选择可能会导致像差显著增加，影响最终成像质量。OpticStudio 中的快速聚焦工具提供了快速和精确的方法来调整像面位置，以最小化RMS像差。这个工具不仅能够自动优化像面位置以改善成像质量，而且能通过简单的操作步骤实现，使得像面在整个设计过程中保持在最佳位置。

总结与展望

通过使用上述OpticStudio提供的分析工具，透镜设计者能够深入理解他们设计中出现的像差类型和程度，从而进行有效的诊断和故障排除。而快速聚焦这一工具的运用，使得像面位置的优化变得更为简便有效，显著提高了设计的性能和成像质量。

优化过程

优化单透镜设计的目标是在实现特定性能标准的同时，进一步削减像差，尤其可关注GEO半径和RMS半径的减小问题。这一过程不仅在于上述工具的精确度量，还依赖于系统参数的调整、光学元件的迭代优化乃至高级优化策略的实施。

后续的第三部分将探讨在设计约束条件下优化单透镜的策略，包括但不限于系统参数的设定、目标性能的确定以及使用OpticStudio内在的高级优化功能来实现更优设计。读者可以期待这一部分提出解决像差问题、实现设计目标的新视角和具体步骤。