[光学原理与应用-333]：ZEMAX - 序列模式的设计过程

在ZEMAX中，序列模式（Sequential Mode）是设计传统成像系统的核心工具，其设计过程遵循“定义光路→分析性能→优化参数→验证结果”的逻辑链条。

以下是序列模式设计的详细步骤及关键要点：

一、初始系统搭建

1. 创建新文件
   • 启动ZEMAX OpticStudio，选择 File → New → Sequential，创建序列模式文件。
   • 设置系统单位（如毫米、英寸）和光源的波长（如可见光范围0.486-0.656μm）。
2. 定义孔径和视场
   • 孔径类型：选择入瞳直径（EPD）、F/#（光阑数值孔径）或NA（数值孔径）。
   • 视场设置：定义物方视场角或像方视场高度，支持矩形、圆形或多视场点输入。
   • 示例：设计一个相机镜头时，可设置F/#=2.8，视场角为60°（对角线）。
3. 添加光学元件
   • 在 Lens Data Editor 中按顺序输入表面参数：
     • 标准面：定义曲率半径（Radius）、厚度（Thickness）、材料（Glass）。
     • 特殊面：如非球面（Asphere）、衍射面（Diffractive）或梯度折射率面（GRIN）。
   • 关键操作：
     • 设置光阑面（Stop Surface）以控制光束大小。
     • 使用 Insert Surface 添加新表面，或 Delete Surface 删除多余表面。
     • 通过 Surface Properties 调整表面类型（如反射镜、涂层）。

二、性能分析

1. 光线追迹
   • 运行 Ray Trace光线追踪（分析工具栏），选择追迹光线数量（如1000条）和波长，观察光线是否按预期通过所有表面。
   • 问题排查：若光线丢失，检查表面厚度是否为负（表示反向传播）或材料折射率是否合理。
2. 像差分析
   • 点列图（Spot Diagram）：评估几何像差，观察点扩散是否集中在艾里斑内。
   • 波前图（Wavefront Map）：分析波前畸变，RMS波前差应小于λ/14（λ为波长）以满足衍射极限。
   • MTF（调制传递函数）：量化系统分辨率，对比度应高于50%在奈奎斯特频率处。
   • 场曲和畸变图（Field Curvature/Distortion）：确保像场平坦且畸变小于1%。
3. 三维布局图
   • 使用 3D Layout 直观检查光路，确认元件位置、光线传播方向及系统对称性。

三、系统优化

1. 设置评价函数（Merit Function）
   • 打开 Merit Function Editor，添加优化目标：
     • 像差控制：如RMS光斑半径（RMS Spot Radius）、波前差（WAVF）。
     • 性能指标：如MTF在特定频率下的值（MTFT）、场曲（FCGS）。
     • 边界约束：限制元件厚度（THIC）、边缘厚度（MCON）或空气间隔（TTHI）。
   • 示例：优化一个显微镜物镜时，可设置MTF在50 lp/mm处大于0.6。
2. 选择优化算法
   • 阻尼最小二乘法（DLS）：默认算法，适合局部优化。
   • 全局优化（Global Search）：结合遗传算法，避免陷入局部最优（适用于复杂系统）。
   • 操作：在 Optimization Toolbar 中选择算法，设置迭代次数（如100次）。
3. 运行优化并监控进度
   • 点击 Optimize 启动优化，观察评价函数值（Merit Function Value）下降趋势。
   • 终止条件：当MFV收敛或达到最大迭代次数时停止。
   • 结果验证：优化后重新分析像差和MTF，确认性能提升。

四、公差分析与验证

1. 定义公差
   • 在 Tolerance Data Editor 中设置制造和装配误差：
     • 元件公差：曲率半径偏差（RADI）、厚度偏差（THIC）、倾斜（TILT）。
     • 材料公差：折射率偏差（ND）、阿贝数偏差（VNUM）。
     • 装配公差：元件偏心（DECE）、轴向偏移（TTHI）。
2. 运行公差分析
   • 选择 Tools → Tolerancing → Tolerancing Wizard，设置分析类型：
     • 灵敏度分析：评估各公差对性能的影响程度。
     • 蒙特卡罗模拟：随机组合公差，统计系统合格率（如90%样本MTF>0.5）。
   • 结果解读：识别关键公差（如某透镜的曲率半径偏差导致MTF显著下降）。
3. 调整设计或公差
   • 根据分析结果：
     • 优化设计以降低对关键公差的敏感性（如增加透镜厚度）。
     • 放宽非关键公差以降低制造成本（如允许次要元件的轻微偏心）。

五、设计迭代与输出

1. 迭代优化
   • 根据公差分析结果返回优化步骤，调整评价函数或约束条件，重复优化过程。
   • 示例：若发现场曲超差，可在MF中添加场曲控制项（如FCGS）。
2. 输出设计报告
   • 生成 Text Report 或 Excel Report，包含系统参数、性能数据和公差分析结果。
   • 导出 Lens Drawing（二维工程图）或 STEP文件（三维模型）用于制造。

六、关键注意事项

1. 初始结构选择
   • 避免从零开始设计，可参考专利或现有镜头（如Cooke三片式、双高斯结构）作为起点。
   • 使用 Lens Catalog 调用标准透镜库，加速初始搭建。
2. 变量控制
   • 优化时仅激活关键变量（如曲率半径、厚度），避免过度优化导致制造困难。
   • 使用 Solve Type 固定非变量参数（如像面位置）。
3. 多波长优化
   • 对于复色光系统（如白光成像），需在MF中同时优化多个波长（如F、d、C光）。
   • 使用 Glass Fit 工具选择合适材料以平衡色差。

七、设计案例：简易相机镜头

1. 初始参数
   • F/#=2.8，视场角=50°，焦距=50mm，波长=0.486/0.587/0.656μm。
   • 初始结构：三片式透镜（双凸+凹凸+双凸）。
2. 优化目标
   • MTF在100 lp/mm处>0.3，RMS光斑半径<5μm，场曲<0.1mm。
3. 优化结果
   • 经过50次DLS优化，MTF提升至0.35，RMS光斑半径缩小至3.8μm。
   • 公差分析显示，90%样本在±0.02mm曲率半径偏差下仍满足MTF>0.3。

通过以上步骤，ZEMAX序列模式可系统化地完成从概念设计到可制造方案的转化，关键在于平衡性能、公差和制造成本。