Ansys Zemax | 如何對(duì)中間面進(jìn)行優(yōu)化

這篇文章將演示如何使用默認(rèn)的評(píng)價(jià)函數(shù)（merit function）工具和IMSF操作數(shù)（operand）對(duì)任意面進(jìn)行優(yōu)化。

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簡(jiǎn)介
在模擬軟件中構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)會(huì)必須對(duì)特定中間面（intermediate surface）進(jìn)行優(yōu)化的情形。步槍上的狙擊鏡系統(tǒng)就是一個(gè)具代表性的例子。這個(gè)系統(tǒng)將物體放置在無(wú)窮遠(yuǎn)處，并配合人眼的位置將入射光匯聚成像。此時(shí)，為了達(dá)到最好的聚焦結(jié)果，系統(tǒng)會(huì)對(duì)非原始成像面的某特定光學(xué)面的影像質(zhì)量有較高的要求。為了解決類似的問(wèn)題，OpticStudio提供了一個(gè)好用的工具：IMSF操作數(shù)。

在評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器（merit function editor）中，IMSF重新定義了像面（image surface）。如此一來(lái)，系統(tǒng)的成像可以在用戶偏好的中間面（intermediate surface）進(jìn)行優(yōu)化，而不再被局限于真實(shí)的像面（true image surface）。這篇文章將說(shuō)明IMSF操作數(shù)的使用步驟及注意事項(xiàng)。

IMSF 操作數(shù)
位于評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器（Merit Function Editor）中的優(yōu)化精靈（Optimization Wizard）會(huì)根據(jù)現(xiàn)有的像面（即Lens Data Editor中最后的面）參數(shù)建立評(píng)價(jià)函數(shù)。舉例而言，RMS光斑尺寸（spot size）優(yōu)化函數(shù)針對(duì)光斑大小進(jìn)行評(píng)估時(shí)，會(huì)選擇最后一面為像面。而RMS波前（wavefront）優(yōu)化函數(shù)，則需要根據(jù)光線在出瞳（exit pupil）的表現(xiàn)進(jìn)行計(jì)算。綜合上述，在使用IMSF操作數(shù)時(shí)，像面不再是系統(tǒng)的最后一面，在這種情況下出瞳就必須被重新定義。

使用IMSF優(yōu)化操作數(shù)時(shí)，我們可以針對(duì)系統(tǒng)中任意面進(jìn)行評(píng)價(jià)函數(shù)的計(jì)算。在范例檔案中，如果想對(duì)第3面（surface #3）進(jìn)行最小RMS光斑（minimum RMS spot）的優(yōu)化，并同時(shí)在像面（#6）達(dá)到最佳準(zhǔn)直度（best collimation），我們可以使用預(yù)設(shè)的評(píng)價(jià)函數(shù)工具（default merit function tool）和IMSF優(yōu)化操作數(shù)（IMSF optimization operand）。而此時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)化變量為第二和第五面（surface #2， #5）的曲率半徑（Radius）以及第二面的圓錐系數(shù)（Conic）。

如果你對(duì)于使用預(yù)設(shè)優(yōu)化函數(shù)（default merit function）還不是很熟悉，可以先閱讀：如何設(shè)計(jì)單透鏡, 第一部分：設(shè)置。

開啟范例檔案并依照以下步驟進(jìn)行模擬將會(huì)讓你對(duì)IMSF操作數(shù)有更多的了解。

在優(yōu)化（Optimize）工具欄中選取優(yōu)化精靈（Optimization Wizard），接著設(shè)置RMS光斑半徑（spot radius）優(yōu)化函數(shù)。

在DMFS （Default Merit Function Start）上方插入字段并設(shè)定型態(tài)為IMSF，接者指定第3面（surface #3）為RMS光斑半徑（spot radius）優(yōu)化函數(shù)的參考對(duì)象。

在最后一個(gè)操作數(shù)下方插入空白字段（BLNK）作為第12個(gè)操作數(shù)。

如下圖，在Optimization Wizard中將優(yōu)化目標(biāo)（Criterion）設(shè)定為角度（Angular），并從第12列開始執(zhí)行。

在第二個(gè)DMFS上方插入另一個(gè)IMSF字段，接著將表面（Surface）參數(shù)設(shè)定為6 （此表面即為像面）。

這個(gè)優(yōu)化函數(shù)會(huì)針對(duì)第3面（surface #3）的最小RMS光斑尺寸和最佳準(zhǔn)直度（best collimation）進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，在第6面（image surface）也可以得到最小角光斑半徑（angular spot radius）的結(jié)果。

在優(yōu)化（Optimize）工具欄中點(diǎn)選Optimize！，最后按下Start。你將得到下圖中的結(jié)果。

在這個(gè)范例中，OpticalStudio同時(shí)使用兩個(gè)不一樣的優(yōu)化目標(biāo)（criteria）對(duì)系統(tǒng)的兩個(gè)面進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜度提升，如果要使用相同的優(yōu)化函數(shù)對(duì)一個(gè)以上的中間面（intermediate surface）進(jìn)行優(yōu)化，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化函數(shù)中設(shè)置多個(gè)IMSF操作數(shù)會(huì)是一個(gè)可行的辦法。且在優(yōu)化的過(guò)程中，每個(gè)面可以設(shè)定不同的優(yōu)化目標(biāo)。

使用IMSF 操作數(shù)時(shí)的注意事項(xiàng)
在修改像面參數(shù)時(shí)，有幾個(gè)需要特別注意的地方。

首先，如果視場(chǎng)型態(tài)（field type）原本是以真實(shí)（real）或者近軸（paraxial）像高定義，在有限（finite）或無(wú)限長(zhǎng)度的共軛（infinite conjugate）系統(tǒng)中，視場(chǎng)型態(tài)的定義方式會(huì)分別變更為角度（angle）或物高（object height）。而在這里所使用的角度及高度，是依據(jù)原始系統(tǒng)中的主光線（chief ray）在主波長(zhǎng)（primary wavelength）的情況下得到的數(shù)值。

此外，如果你將新的像面位置設(shè)定在原始光欄（stop）的前方，OpticalStudio會(huì)自行將光欄面移到第1面（surface #1）前方的一個(gè)虛擬空間。在這個(gè)情況下，除非光圈（system aperture）是「物空間數(shù)值孔徑（Object space NA）」或者「物體圓錐角（Object Cone Angle）」的型態(tài)，否則光圈類型都將被更改為「入瞳直徑（Entrance Pupil Diameter）」。且系統(tǒng)會(huì)根據(jù)原始像面的位置，將光圈更改成原始近軸入瞳的大小。注意，當(dāng)「光線瞄準(zhǔn)（ray aiming）」功能被開啟時(shí)，上述的設(shè)定將不會(huì)成立。

多重組態(tài)（multiple configuration）是另一個(gè)評(píng)價(jià)多平面系統(tǒng)表現(xiàn)的方法。在設(shè)置（Setup）工具欄中點(diǎn)選產(chǎn)生共軛系統(tǒng)（Make Conjugate）。這個(gè)選項(xiàng)可以幫助你重新定義物體、光欄（stop）和影像等面，同時(shí)也可以根據(jù)需求改變系統(tǒng)的光圈（aperture）、視場(chǎng)定義（field definition）以及光線瞄準(zhǔn)（ray-aiming）的使用等。