光学设计中的优化思路

众所周知，光学设计，结构是最重要的，一个合适的结构，往往很容易优化出结果，一个不好的结构，就算加再多像差操作数，也只会越跑越糟。

如果确定一个结构是否正确，这个篇幅太长，后续会整理成视频。

本文主要讲述在得到一个合适的初始结构的情况下，如何正确地优化出我们想要的结果。

相信不少人听到过，先优化曲率半径，然后优化正透镜厚度和大的空气间隔，然后优化负透镜的厚度，这个按部就班的方法，有利有弊。好处在于这个方法不容易把结构跑坏，这对于初学者来说可能是个办法。但是不好的地方在于，对于初学者，你会很难知道这个结构中最重要的那一片或那几片玻璃是什么，导致的结果就是虽然偶尔碰碰运气优化出了比较好的解，但是始终得不到进步。光学设计中，要想优化得到进步，一定要一眼能够看出各个镜片在一个结构中起到什么作用，贡献什么像差，没有这片镜片会有哪些坏处，这个镜片该厚还是该薄，到底是用两个双胶合还是用一个三胶合。

光学设计中的优化，始终记住一个点，操作数越少越好。一个正确的结构，是不需要那么多操作数的，操作数其实就代表了约束，约束太多，难免会起冲突，就像做手机镜头的时候，你把空气边缘控制得太死，那么永远无法优化出一个好的结果。而一个错误的结果，就算加一百个像差操作数，那像差也下不去。

所以要想理明白优化思路，一定要去选择一个合适的结构。就比如说有这样一个指标：

光圈F2，焦距35mm，半视场20°，畸变＜1%。

那么这个最合适的结构，或许就是双高斯了。看到这么低的畸变，首要想到对称结构，然后根据其他的参数来判断对称结构是否可行。如果优化过程中发现结构不对，那不要犹豫，马上换。

用朋友给我说过他的方法，先加很多镜片，优化出差不多了，再慢慢减少弱光焦度的镜片，其实这也是个方法，不过呢，每次减少镜片，那镜片的材料可能就不怎么搭配了，得重新锤一次，不过这个方法挺适用初学者，可以一试。

现在假设结构完全正确，开始讲优化。

变量

边界条件里面，把所有镜片，空气的中厚和边厚先约束死，空气中厚留个0.2，边厚给个0.3，最小玻璃中厚给个0.6，边厚给个0.8。然后把所有的曲率半径和厚度设置为变量。

值得注意的是，像密接正透镜这种空气间隔只有0.1、0.2的地方，先不要动了，优化过程中如果发现某个空气间隔很大了，那就把它固定下来，再开始优化，因为软件这种东西，不知道你想要的是什么结果，它只管你像差的最（极）优解，可不管你镜头是否漂亮，不管你各部分公差是否灵敏。

评价函数

自动评价函数呢，选PTV-光斑半径-主光线，然后RMS-光斑半径-质心，然后RMS-波前-质心，这个方法虽然不是所有系统都适用，但是也算是个通用的方法。对于那种目视系统，用PTV就很好，对于那些对弥散斑收敛要求高的系统，用RMS就很好。主光线还是质心，这个优化过程中可以去切换。

操作数

对于操作数，越少越好，EFFL、TOTR、RAID等等一阶光学参数约束就够了，不需要假如很多操作数如SPHA、COMA、ASTI、FCUR、DIMX等。首先，这些操作数是三阶像差，其次，强行约束一个像差，会给其他像差带来更不好的影响。

优化过程

在优化过程中，始终关注光线的走势。光线在某一镜片过于陡峭，这会给公差带来致命的影响，光线在某一镜片偏转极小，这说明该镜片为弱光焦度，这个时候需要考虑是否还需要这枚镜片。

优化过程中，不要让正透镜玻璃边厚过薄，不要让负透镜中厚过薄，不要让光线过陡，不要让片数过多，不要让镜片形状难以加工。

优化过程中，要时刻关注每一片镜片的像差贡献，要给镜片留出口径余量，要让每一片镜片形状合理。等等。

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来源：微信公众号瑞雪纷飞光学