第一章：光学设计导论

光学系统设计流程概述

做光学设计这么多年，我经常被问到同一个问题：“一套光学系统到底是怎么从零做出来的？”

其实，光学设计不是一上来就开软件、拉镜头。它更像一个“倒推”的过程。你想想看，客户给你一个需求，比如“我要一个能在3米外看清车牌号的镜头”。那你的第一步是什么？不是画图，而是把这句话翻译成工程语言。

我个人习惯把流程分成五步：

1. 需求分析——把“看清车牌”变成焦距、视场角、分辨率这些硬指标。
2. 初始结构选型——从专利库或经验库里找一个差不多的结构，比如双高斯、库克三片式。
3. 优化迭代——在Zemax或Code V里跑优化，盯着像差曲线看。
4. 公差分析——这一步很多人会跳，但我吃过亏。不做公差分析，生产出来就是一堆废品。
5. 出图与交付——给加工厂出镜片图纸、装配图、检测报告。

嗯，这里要注意：流程不是线性的。你经常要回到第二步，换个结构重新来。我在项目中遇到过，一个镜头优化了两周，结果公差分析一跑，良率只有5%。最后只能换结构重来。

核心概念：孔径、视场、像差

这三个词，你会在光学设计里天天见到。说白了，它们就是光学系统的“三围”。

孔径（Aperture）

孔径决定了系统能收集多少光。它通常用F数（F/#）来表示。F数越小，光圈越大，进光量越多，但像差也越难控制。

我记得刚入行时，带我的老师傅说：“F数做到2.8以下，你就准备跟像差死磕吧。”后来我自己做项目，确实如此。一个F1.4的镜头，球差和色差会大到让你怀疑人生。

• 入瞳直径：光线进入系统的有效口径。
• F数 = 焦距 / 入瞳直径。F数越小，系统越“快”。
• 数值孔径（NA）：显微镜和光纤里常用，NA = n * sin(θ)。

视场（Field of View）

视场就是系统能看多宽。它通常用半视场角（HFOV）或像高来表示。

你想想看，一个监控镜头，视场角120°和60°，完全是两种设计思路。大视场意味着边缘光线入射角大，畸变和场曲会特别明显。

• 全视场角（FOV）：对角线方向能看到的范围。
• 像高：视场边缘在像面上的高度。像高 = 焦距 * tan(视场角)。
• 畸变：视场越大，畸变越难压。我做过一个广角镜头，边缘畸变到了15%，客户说“画面像鱼缸”，最后只能加非球面。

像差（Aberrations）

像差就是“理想成像”和“实际成像”之间的差距。没有完美的镜头，只有“像差被控制到可接受范围”的镜头。

常见的像差有七种，但实际设计中，我们主要盯这几个：

像差类型	表现	怎么压
球差	边缘光线和中心光线焦点不重合	用非球面或双胶合透镜
色差	不同颜色光焦点不重合	用不同阿贝数的玻璃配对
彗差	离轴点光源成像像彗星尾巴	对称结构（如双高斯）
像散	水平和垂直方向焦点不同	控制场曲，用厚透镜
畸变	直线变弯	对称结构或软件校正

说实话，新手最容易忽略的是色差。你优化了半天，MTF看着挺好，结果一跑多波长，全崩了。我建议一开始就把色差权重拉高，不然后面改起来很痛苦。

设计软件简介：Zemax / Code V

现在主流的软件就两家：Zemax（现在叫OpticStudio）和Code V。我两个都用过，说说我的感受。

Zemax（OpticStudio）

Zemax的优点是上手快。界面直观，序列模式和非序列模式切换方便。我个人习惯用Zemax做初始设计和优化，尤其是非球面和多重组态。

举个例子，你写一个简单的Zemax宏，用来计算某个面的球差：

! Zemax 宏：计算球差
LENS
  SURFACE 1
    RADIUS 50
    THICKNESS 5
    GLASS "BK7"
  SURFACE 2
    RADIUS -100
    THICKNESS 10
  SURFACE 3
    STOP
    RADIUS INFINITY
    THICKNESS 0
  SURFACE 4
    RADIUS -50
    THICKNESS 5
    GLASS "F2"
  SURFACE 5
    RADIUS -200
    THICKNESS 20
  SURFACE 6
    IMAGE
    RADIUS INFINITY
    THICKNESS 0
RAYTRACE
  FIELD 0, 0
  WAVELENGTH 0.587
  APERTURE 10
  OUTPUT "SPHERICAL_ABERRATION.TXT"
END

嗯，这个宏很简单，但能帮你快速看到球差的大小。我在项目中经常用它做初步评估。

Code V

Code V的优势在于优化速度和全局优化能力。它的“Global Synthesis”算法，说实话，比Zemax的Hammer要强一些。尤其是做复杂系统，比如变焦镜头或投影镜头，Code V的收敛速度明显更快。

但Code V的界面比较老，学习曲线陡。我记得第一次用Code V，光找“设置视场”的菜单就找了十分钟。不过一旦上手，你会爱上它的命令行操作。

举个例子，在Code V里定义一个简单的镜头：

! Code V 输入：定义镜头
RDM
  S1 50.0 5.0 BK7
  S2 -100.0 10.0
  S3 INFINITY 0.0 STOP
  S4 -50.0 5.0 F2
  S5 -200.0 20.0
  S6 INFINITY 0.0 IMAGE
END
GO

你看，Code V的语法更紧凑，适合批量处理。我习惯用Code V做公差分析和最终优化，用Zemax做前期验证。

知识体系框架

下面这张图，是我自己总结的光学设计知识体系。你可以把它当成一张“地图”，知道每个知识点在哪个位置。

这张图里，从需求分析到交付，每一步都离不开核心概念和软件工具。你把它记在脑子里，做设计时就不会迷路。