应用的光学自动设计原理与方法

第15章　应用ZEMAX的光学自动设计原理与方法

所谓光学系统设计即根据使用性能要求与条件，来决定光学系统的性能参数、系统原理方案、外形尺寸和各光组的具体结构。光学系统设计大体上可以分成两个阶段：第一阶段是根据仪器总的技术要求（性能指标、外形体积、重量以及有关技术条件），拟定光学系统的原理图，并按理想光学系统的理论和计算公式进行系统外形尺寸计算，确定系统的基本光学特性，如放大倍率、焦距、视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、工作距离、光阑位置和外形尺寸等参数，并确定部件的合理选型。这一阶段的设计通常称之为光学系统的“总体设计”、“初步设计”或“外形尺寸计算”。第二阶段是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级像差理论来求解满足成像质量要求的初始结构，或根据已有设计资料中的相近结构选择初始结构，然后进行光路计算，从像差数据中分析主要是哪些像差影响光学系统成像质量，确定修改方案，进行像差综合校正与平衡，并最终确定各透镜组的具体结构参数（如半径、厚度、间隔和玻璃材料等），使之满足系统光学特性和成像质量的要求。这一阶段称为“光学设计”或“像差设计”。上述两个阶段既有区别又有联系，其中初步设计是关键，合理的选型与好的初始结构确定是光学设计成功的基础。如果初步设计不合理，即选型不当或初始结构不好，则再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功。当然在初步设计合理的条件下，如果像差校正方案不当，同样也可能会设计不成功。另外，评价一个光学系统设计的好坏，一方面要看它的性能和成像质量，另一方面还要看系统的复杂程度。一个好的设计应该是在满足使用要求（光学性能、成像质量）的情况下，结构应尽可能简单。

随着计算机技术的发展，光学自动设计软件的用户界面已日趋完善，使用软件对用户的要求也越来越低。虽然像差自动校正软件可以极大地减轻设计者的劳动强度和时间，但它也仅仅是一个工具，只能完成整个设计过程中的一部分工作，而人工的智能干预判断更为重要。如果设计人员使用得当，可以加速设计进程和提高设计质量；而如果使用不当，则不能发挥其效率。因此，设计者不仅需要一套强有力的光学计算机辅助设计（CAD）软件，还需要有丰富的像差理论知识和设计经验；不仅要懂得光学设计方面的基本知识，还需要了解光学自动设计的原理以及光学CAD软件编程方面的有关知识。

以下本章介绍有关应用ZEMAX软件进行光学自动设计（像差设计）的原理与方法。