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Ansys Zemax | 如何对中间面进行优化

这篇文章将演示如何使用默认的评价函数（merit function）工具和IMSF操作数（operand）对任意面进行优化。

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简介

在模拟软件中构建光学系统时，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，为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质量有较高的要求。为了解决类似的问题，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，系统的成像可以在用户偏好的中间面（intermediate surface）进行优化，而不再被局限于真实的像面（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

位于评价函数编辑器（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，会选择最后一面为像面。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）达到最佳准直度（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量为第二和第五面（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： 如何设计单透镜, 第一部分：设置 。

开启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）工具栏中选取优化精灵（Optimization Wizard），接着设置RMS光斑半径（spot radius）优化函数。


在DMFS （Default Merit Function Start）上方插入字段并设定型态为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字段（BLNK）作为第12个操作数。

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


在第二个DMFS上方插入另一个IMSF字段，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光斑尺寸和最佳准直度（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）工具栏中点选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）或无限长度的共轭（infinite conjugate）系统中，视场型态的定义方式会分别变更为角度（angle）或物高（object height）。而在这里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。在设置（Setup）工具栏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。