光学系统的优化.docx

第四章光学系统的优化

§4.1简介

ZEMAX供给了格外强大的优化功能，它可以改善给出一个合理起点的和一系列参变量的镜头设计。参变量可以是曲率，厚度，玻璃，圆锥系数，参数数据，特别数据，和一些多种构造的数值数据。

ZEMAX有一些不同的默认评价函数。在评价函数编辑界面中可以很简洁地转变这些评价函数。

优化的参数包括以下几个种类：光学特性参数，例如焦距、入瞳距离、成像尺寸或者物高、物距、镜片间空气间距、镜片厚度等等；像质参数，例如畸变、场曲、彗差、像散等等。

ZEMAX将全部这些要求到达的目标都作为一个优化元附加肯定的权重系数组成一个优化函数，并且通过转变构造参数使得这个优化函数趋向最小。

评价函数〔MF〕定义如下：

这里，Wi是权重，Vi是当前值，Ti是目标值。优化过程有局部优化和全局优化两种。

局部优化是指，通过转变系统构造参数的数值(半径、厚度、光学玻璃材料)计算出各个优化元的数值，然后构成整个优化函数的值的计算过程。该过程的思路是解决当前状态已经处于“U”型中的某个位置，迫使其落到“U”中间的最小位置。

全局优化和局部优化不同的是，优化过程类似于一个搜寻过程，这个搜寻过程在构造参数限定的某个区域内进展优化，优化函数可能经受假设干个波峰和波谷(多个极值之间)进展。由于承受的方法不同，构成了多种全局优化算法。全局优化能够避开某个局部极值寻找到更加优良的构造形式，使得光学设计距离完全自动化更进了一步。

§4.2优化四步骤

一个可以进展光线追迹的合理光学系统变量的设定

评价函数的构建执行优化

★合理光学系统

初始构造确实定有两种方法：

1、依据初级象差理论求解初始构造这种求解初始构造的方法就是依据外形尺寸计算得到的根本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始构造。

2、从已有的资料中选择初始构造〔也可借鉴专利〕

这是一种比较有用又简洁获得成功的方法。因此它被很多光学设计者广泛承受。但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计阅历，只有这样才能从类型繁多的构造中选择出简洁而又符合要求的初始构造。

初始构造的选择是透镜设计的根底，选型是否适宜关系到以后的设计是否成功。一个不好的初始构造，再好的自动设计程序和有阅历的设计者也无法使设计获得成功。

§4.3变量的选择

在镜头数据编辑界面中，当高亮条在要转变的参数上时，按Ctrl-Z可设定变量以供优化使用。也可以用鼠标右键选择Variable设定变量。

多重构造和特别数据的编辑界面中也包含可用Ctrl-Z设成变量的数值数据。玻璃不能直接设成变量，由于它们是不连续的。

§4.4默认评价函数的建立

评价函数是一个如何使一个光学系统接近一组指定的目标的数值表示。ZEMAX使用了一系列操作数，它们分别代表系统不同的约束和目标。操作数代表的目标如像质，焦距，放大率等等。

评价函数应当是你想让系统到达的结果的一种表示。也不是非要用默认的评价函数不行，你可以依据需要构建评价函数。

默认的优化函数大体上可以解决两个问题：

第一个是光线的集中性，即通过各种优化模式使得物点发出的各条光线集中到像点上；其次个是工程问题，为了工程实现而限定镜片的厚度、空气厚度以及边缘厚度等，便于保证像质状况下留有固定镜片位置的余量。

1、构建默认评价函数：

在编辑菜单栏中选择:DefaultMeritFunction

设定厚度边界值：

2、评价函数的修改MeritFunction

可以使用插入或删除键来添加的操作数或者删除一些操作数。

§4.5优化操作数

★常用操作数：

一、根本光学特性操作数：

1、EFFL

2、ENPP

3、EXPP

4、EPDI

二、像差操作数：

1、SPHA 2、COMA

3、ASTI 4、FCUR

5、DIST 6、DIMX

7、AXCL 8、LACL

9、TRAR 10、TRAX

11、TRAY

三、MTF数据操作数：

1、MTFT

2、MTFS

3、MTFA

四、镜头数据的约束操作数：

1、TOTR

2、CVVA，CVGT，CVLT

3、CTVA，CTGT，CTLT

4、ETVA，ETGT〕，ETLT

5、MNCT，MNET，MXCT，MXET

6、MNCG，MNEG，MXCG，MXEG

7、MNCA，MNEA，MXCA，MXEA

8、TTGT，TTLT，TTVA

五、约束玻璃数据的操作数：

1、MNIN

2、MXIN

3、MNAB

4、MXAB

六、数学操作：

1、SUMM

2、DIFF

3、OPGT

4、OPLT

5、CONS

◆运算操作数〔SUMM，DIFF，〕连同参数操作数〔CVGT，CVLT，CTGT，CTLT等〕一起可以用来定义格外一般而又简单的优化操作数，将在“复合操作数”一节中论述。七、多重构造数据操作