ZEMAX光学设计流程：从基础到复杂系统实战
ZEMAX光学设计流程：从基础到复杂系统实战
一、光学设计的发展脉络
（一）传统光学设计
传统设计以理想光学公式为起点，先计算初始结构，再基于初级像差（三级像差）理论（如P-W方法）确定参数。由于缺乏解析解，高级像差复杂且难预测，需通过估算和反复光线追迹补偿，像差优化平衡难以达到最优。同时，光学玻璃选择难度大，复杂优质系统的设计高度依赖设计师的经验积累。
（二）近代光学设计
随着ZEMAX等智能化设计软件的发展，近代设计理念转向“让计算机承担可自动化工作”，大幅减少人工计算量。但核心理论基础未变，仍以应用光学、理想光学为出发点，设计师需掌握像差理论。如今无需再用P-W方法计算初始结构，可直接参考手册、专利中的成熟设计，根据实际指标修改、缩放后优化即可。
二、小视场光学系统设计：双胶合消色差物镜
小视场系统（如望远物镜、准直镜）视场小，信息量主要由相对孔径或光圈数决定，焦距可通过缩放调整，以双胶合消色差物镜为例，设计流程如下：
（一）明确核心指标
焦距100mm，可见光波段（VIS），光圈数F=3.5，视场3°。
（二）系统参数设置
1. 孔径：选择“Paraxial Working F/#”类型，输入数值3.5，渐晕类型设为“Uniform”，保证光束均匀性。
2. 视场：设置3个视场（0、0.7、1视场），类型选“Angle”，对应角度分别为0°、2.1°、3°，权重均设为1.0，覆盖中心到边缘视场。
3. 波长：可见光波段选择F光（0.486133μm）、d光（0.587562μm）、C光（0.656273μm），权重均为1.0，覆盖可见光主要波长范围。
（三）初始结构与优化
1. 初始结构选择：采用H-K9L和H-ZF1玻璃组合，这是双胶合消色差物镜的经典搭配，透镜表面类型均为“Standard”，光阑（STOP）设置在第一片透镜前，关键尺寸需匹配焦距和孔径要求。
2. 评价函数与操作数设置：默认选择“RMS+Spot Radius+Chief Ray”评价函数，设置“Rings=3”“Arms=6”以全面采样光线。添加核心操作数：用EFFL控制焦距目标为100mm，权重0.1；用AXCL监视轴向色差；用TRAY分别计算不同波长、不同孔径的横向球差；再通过DIFF、PROD、SUMM等操作数，实现色差和球差校正——让F光与C光的横向球差差值趋近于0，d光不同孔径的横向球差大小接近、符号相反。
3. 优化结果：调整后透镜半径、厚度等参数微调，系统总轴长103.54484mm。从点列图和球差-色差曲线可见，d光的球差校正良好，F光与C光的球差曲线在0.7孔径处相交，完全满足消色差要求。
三、大视场光学系统设计：天塞物镜
大视场系统（如摄影物镜）需兼顾视场和分辨率，信息量由视场角和光圈数共同决定（etendue分析），设计时需先匹配结构类型，再优化参数，以天塞物镜为例：
（一）结构选型逻辑
不同物镜有固定的F-ω（光圈数-视场角）适用范围，需根据指标匹配：柯克物镜适合F=2.5-8.0、视场5°-35°；天塞物镜适合F=2.2-6.3、视场20°-35°；双高斯物镜适合F=1.0-7.0、视场15°-40°。天塞物镜因兼顾大视场和成像质量，常作为大视场系统的优选。
（二）核心设计指标
可见光波段，F=2.5，视场25°，后工作距离79.8mm，焦距100mm，物距为无限远。
（三）设计流程
1. 系统参数设置：孔径选“Paraxial Working F/#=2.5”，渐晕类型“Uniform”；视场设3个角度（0°、17.675°、25°），权重1.0；波长与小视场系统一致，选F、d、C光。
2. 初始结构与优化：初始结构采用H-ZLAF68S、H-ZLAF76S、H-ZF5S等低色散玻璃，包含光阑表面，总轴长128.56168mm。评价函数仍以“RMS+Spot Radius+Chief Ray”为基础，额外添加操作数：用EFFL控制焦距100mm（权重0.02），用TTHI+OPLT限制物镜长度不超过65mm，用CTGT保证像距大于70mm，用DIMX控制畸变不超过2.5%。将透镜半径、厚度设为变量优化后，系统总轴长128.02674mm，点列图和光线扇图显示全视场成像质量均匀，无明显像差问题。
四、复杂光学系统设计：机器视觉远心物镜
复杂系统（如远心、投影物镜）由多个组件构成，需先建立理想模型，再分组件设计、合成，以机器视觉用物方远心物镜为例：
（一）核心工作原理
常规物镜因“中心透视定律”，物距变化会导致像高改变，影响尺寸测量精度。远心物镜通过将光阑移至后焦面，使物方主光线平行于光轴，无论物距如何变化，像高始终恒定，横向放大率近似不变，因此广泛用于精密测量场景。
（二）关键设计指标
F=2.8，物方视场40mm（y=-20mm），像方视场8mm，远心度0.001（3`），放大率-0.4。
（三）设计流程
1. 理想光学模型建立：系统分为前组（L₁，场镜）和后组（L₂，主物镜），均按薄透镜设计。核心是让L₁的焦点与L₂的入瞳重合，物面与L₁的前焦点重合，像面与L₂的后焦点重合。关键参数ω（既是L₂的视场角，也是L₁的孔径角）选-11.5°，平衡系统总长与像差，最终确定整组F数1.8（前组）/2.8（后组）、焦距100mm（前组）/40mm（后组），总长度140mm。
2. 分组件设计优化：后组选用天塞物镜结构，孔径设“Image Space F/#=2.8”，视场按真实像高（0、5.7、8mm）设置，用H-ZLAF68、H-ZF52A等玻璃，优化后入瞳位置-44.4157mm，总轴长50.47136mm；前组采用“双胶合+单片透镜”结构，孔径“Image Space F/#=1.8”，视场按真实像高（0、5、7.15mm）设置，用QF8S、H-ZF62S等玻璃，优化后前焦面位置-85.897444mm，总轴长125.53608mm。
3. 组件合成：在ZEMAX的LDE（镜头数据编辑器）中合并前后组数据，将物面厚度设为85.897444mm（使物面位于前组前焦面），两组间隔设为89.07mm（前组后工作距离减去后组入瞳位置），确保前组后焦面与后组入瞳重合，实现物方远心。合成后系统孔径设“Object Space NA=0.071”，视场按物高（0、-14.1、-20mm）设置，总轴长253.45381mm，2D布局显示光线平行于光轴，完全满足远心要求。
五、参考资料
1. 《近代光学系统设计概论》，宋菲军，陈笑，刘畅
2. 《镜头设计》，Joseph M. Geary