ZEMAX | 如何对中间面进行优化

这篇文章将示范如何使用预设的评价函数( merit function )工具和 IMSF 操作数( operand )对任意面进行优化。（联系我们下载文章中的示范档案）

简介

在模拟软体中建构光学系统时，有时会必须对特定中间面( intermediate surface )进行优化的情形。步枪上的狙击镜系统就是一个具代表性的例子。这个系统将物体放置在无穷远处，并配合人眼的位置将入射光汇聚成像。此时，為了达到最好的聚焦结果，系统会对非原始成像面的某特定光学面的影像品质有较高的要求。為了解决类似的问题，OpticStudio 提供了一个好用的工具: IMSF 操作数。

在评价函数编辑器(merit function editor)中，IMSF 重新定义了像面( image surface )。如此一来，系统的成像可以在使用者偏好的中间面( intermediate surface )进行优化，而不再被侷限於真实的像面( true image surface )。这篇文章将说明 IMSF 操作数的使用步骤及注意事项。

IMSF 操作数

位於评价函数编辑器 ( Merit Function Editor ) 中的优化精灵 ( Optimization Wizard ) 会根据现有的像面(即 Lens Data Editor 中最后的面)参数建立评价函数。举例而言，RMS 光斑尺寸( spot size )优化函数针对光斑大小进行评估时，会选择最后一面為像面。而 RMS 波前( wavefront )优化函数，则需要根据光线在出瞳( exit pupil )的表现进行计算。综合上述，在使用 IMSF 操作数时，像面不再是系统的最后一面，在这种情况下出瞳就必须被重新定义。

使用IMSF优化操作数时，我们可以针对系统中任意面进行评价函数的计算。在范例档案中，如果想对第3面( surface # 3 )进行最小RMS光斑( minimum RMS spot )的优化，并同时在像面(#6)达到最佳準直度( best collimation )，我们可以使用预设的评价函数工具(default merit function tool)和IMSF优化操作数( IMSF optimization operand )。而此时系统的优化变数為第二和第五面( surface #2, #5)的曲率半径( Radius )以及第二面的圆锥系数( Conic)。

如果你对于使用预设优化函数(default merit function)还不是很熟悉，可以先阅读这篇文章。

开啟范例档案并依照以下步骤进行模拟将会让你对 IMSF 操作数有更多的了解。

在优化(Optimize)工具列中选取优化精灵( Optimization Wizard)，接著设置RMS 光斑半径( spot radius )优化函数。

在DMFS (Default Merit Function Start)上方插入栏位并设定型态为IMSF，接者指定第3面(surface #3)为 RMS 光斑半径( spot radius )优化函数的参考对象。

在最后一个操作数下方插入空白栏位( BLNK )作為第12个操作数。

如下图，在 Optimization Wizard 中将优化目标( Criterion )设定為角度( Angular )，并从第12列开始执行。

在第二个 DMFS 上方插入另一个 IMSF 栏位，接着将表面( Surface )参数设定为6 (此表面即为像面)。

这个优化函数会针对第3面(surface #3)的最小 RMS 光斑尺寸和最佳準直度( best collimation )进行优化。同时，在第6面( image surface )也可以得到最小角光斑半径( angular spot radius )的结果。

在优化( Optimize )工具列中点选 Optimize !，最后按下 Start 。你将得到下图中的结果。

在这个范例中，OpticalStudio 同时使用两个不一样的优化目标( criteria )对系统的两个面进行优化。当光学系统的复杂度提升，如果要使用相同的优化函数对一个以上的中间面( intermediate surface )进行优化，你会发现在优化函数中设置多个 IMSF 操作数会是一个可行的办法。且在优化的过程中，每个面可以设定不同的优化目标。

使用 IMSF 操作数时的注意事项

在修改像面参数时，有几个需要特别注意的地方。

首先，如果视场型态( field type )原本是以真实( real )或者近轴( paraxial )像高定义，在有限( finite )或无限长度的共軛( infinite conjugate )系统中，视场型态的定义方式会分别变更為角度( angle )或物高( object height )。而在这裡所使用的角度及高度，是依据原始系统中的主光线( chief ray )在主波长( primary wavelength )的情况下得到的数值。

此外，如果你将新的像面位置设定在原始光栏( stop )的前方，OpticalStudio 会自行将光栏面移到第1面( surface #1)前方的一个虚拟空间。在这个情况下，除非光圈(system aperture )是「物空间数值孔径( Object space NA)」或者「物体圆锥角(Object Cone Angle)」的型态，否则光圈类型都将被更改为「入瞳直径(Entrance Pupil Diameter)」。且系统会根据原始像面的位置，将光圈更改成原始近轴入瞳的大小。注意，当「光线瞄准( ray aiming )」功能被开启时，上述的设定将不会成立。

多重组态 (multiple configuration )是另一个评价多平面系统表现的方法。在设定( Setup )工具列中点选「产生共轭系统( Make Conjugate )」。这个选项可以帮助你重新定义物体、光栏( stop )和影像等面，同时也可以根据需求改变系统的光圈( aperture )、视场定义( field definition )以及光线瞄准( ray-aiming )的使用等。