ZEMAX非序列光学系统优化策略与方法详解

在ZEMAX这款强大的光学设计软件中，优化非序列光学系统是一个关键任务，特别是在处理自由形式反射镜或需要提高性能指标如LED亮度的复杂设计时。本文针对初学者介绍了优化非序列光学系统的一些核心策略和技巧。 首先，优化的核心是通过调整设计参数（变量）来降低merit function的值，这是一个评估设计性能的关键指标。为了减少因像素化探测器造成的量化影响，建议在所有merit function计算中使用像素插值，这样可以更准确地反映实际探测效果，而不是依赖于单个像素的数据。利用诸如RMS spot size、RMS angular width和angular centroid等全局统计数据，代替局部像素数据，这种方法被称为“Moment of Illumination”，因为它平滑了优化过程，使得优化更加稳健。 在优化方法的选择上，推荐的步骤包括： 1. 使用正交下降优化法（Orthogonal Descent optimizer）作为初始阶段，它通常能快速收敛，尽管可能牺牲一些优化精度。正交下降法利用变量间的正交性来指导优化，适合于解决非连续 merit function带来的挑战。 2. 随后，可以引入阻尼最小二乘法（Damped Least Squares，DLS）和锤优化器（Hammer optimizers）来进一步精细化结果。DLS利用数值方法寻找最优方向，但在非序列系统中由于探测器像素化导致的 merit function不连续性，可能会使梯度法失效。因此，在纯非序列优化中，DLS不如正交下降法适用。 3. 当优化一个具体例子时，如提升LED亮度，通过调整参数将设计从23Cd优化至>250Cd，展示了优化的实际应用。然而，需要注意的是，每个设计的具体特性可能需要不同的优化策略。 总结来说，优化非序列光学系统在ZEMAX中需要巧妙地处理连续性和非连续性问题，结合适当的优化算法和全局统计数据，以确保找到最佳设计解决方案。对于初学者而言，理解这些原则和方法对于提高设计效率和优化结果至关重要。