在光学设计与仿真领域，Zemax凭借其强大的建模能力和灵活的优化工具，成为工程师与科研人员的核心工具。无论是设计精密成像系统还是复杂照明方案，掌握Zemax如何选择优化函数与Zemax如何实现非序列模式两大关键技术，将直接影响设计效率与结果精度。本文将从优化函数的选择策略、非序列模式的操作逻辑展开，并延伸探讨一个关联技术关键词的应用场景，为读者提供系统化的解决方案。
一、Zemax如何选择优化函数
优化函数（Merit Function）是Zemax实现光学系统自动优化的核心引擎，其本质是通过数学方法量化设计目标与当前系统的偏差。合理选择优化函数需综合考虑系统类型、设计阶段与性能优先级。
1.默认优化函数的适用场景
Zemax内置的默认优化函数（如RMSSpotRadius、WavefrontError）适用于大多数成像系统设计。例如，在手机镜头设计中，以“RMSSpotRadius”为目标函数可最小化像差，确保成像清晰度；而激光准直系统则更适合选择“WavefrontError”优化波前畸变。对于多波长系统，需在“评价函数编辑器”中启用“多波长权重”，平衡不同波段的光学性能。
2.自定义操作数的精准控制
当默认函数无法满足特殊需求时，可通过自定义操作数（Operands）构建复合优化函数。例如，在车载HUD设计中，需同时控制眼动范围（通过REAY操作数限制光线在EYERELIEF区域的偏移量）与畸变量（使用DIST操作数）。进阶用户还可通过ZPL（ZemaxProgrammingLanguage）编写脚本，实现动态权重调整。例如：
此脚本为550nm波长分配更高权重，优先优化该波段成像质量。
3.多目标优化与权重平衡
复杂系统常需权衡多个冲突指标（如分辨率与体积）。此时可采用Zemax的多目标优化功能，通过“优化向导”设置多个子函数，并利用全局优化算法（如遗传算法）探索帕累托最优解。例如，无人机镜头设计需在MTF（调制传递函数）与总长度间取得平衡，可设置MTF≥0.3@100lp/mm且总长＜15mm的双重约束，通过权重系数调整优化方向。
二、Zemax如何实现非序列模式
非序列模式（Non-SequentialMode）是Zemax处理杂散光分析、照明系统设计与复杂光路仿真的关键工具。与序列模式相比，非序列模式允许光线在任意顺序下与物体交互，更贴近真实物理场景。
1.非序列模式的启动与组件配置
在新建文件时选择“Non-Sequential”模式，或通过“转换为非序列组”将现有序列设计导入。非序列模式的核心组件包括光源（Source）、物体（Object）和探测器（Detector）。例如，设计LED照明系统时：
光源：选择“SourceRadial”定义LED发光角度与光谱分布；
物体：使用“ExtrudedObject”创建自由曲面透镜，通过“Boolean”操作实现光学结构切割；
探测器：放置“DetectorRectangle”捕捉照度分布，并启用“PixelInterpolation”提高采样精度。
2.光线追迹与杂散光分析
非序列模式支持蒙特卡洛光线追迹（MonteCarloRayTracing），可模拟数百万条光线的传播路径。通过设置“SplitRays”参数，可分析多次反射/散射的影响。例如，在激光雷达接收器设计中，启用“ScatterFraction”属性定义光学表面散射模型，配合“FilterStrings”排除无效光线（如路径长度超过阈值的噪声信号），精准计算信噪比。
3.混合模式的高级应用
对于成像与照明耦合系统（如内窥镜），Zemax支持序列与非序列混合建模。在序列透镜组后插入“Non-SequentialComponent”，可同时分析成像质量与杂散光分布。例如，在序列部分优化MTF后，于非序列部分添加探测器阵列，评估镜筒反射光对像面的干扰，并通过“Coating”功能添加抗反射膜层参数，实现一体化优化。
三、Zemax杂散光分析与抑制技巧
杂散光（StrayLight）是光学系统性能的主要威胁之一。Zemax的非序列模式为杂散光分析提供了完整工具链，涵盖建模、仿真与优化全流程。
1.关键表面标识与路径分析
通过“ObjectProperties”标记可能产生杂散光的表面（如机械结构内壁、透镜边缘），并在“RayTraceControl”中启用“SaveRays”功能，记录所有光线路径。使用“StrayLightPathViewer”筛选出到达探测器的非预期光线，例如经过3次以上反射的路径或入射角超过80°的掠射光线。
2.抑制策略与结构优化
根据分析结果，可采取以下抑制措施：
挡板设计：在非序列编辑器中添加“Baffle”物体，阻挡直达探测器的杂散光。通过优化挡板倾角与表面粗糙度（设置“ScatterLambertian”参数），可进一步降低二次反射风险；
表面处理：为机械部件应用吸收涂层（如BlackAnodized），在“Coating”模块中定义反射率＜2%的低反属性；
光线过滤：在探测器属性中设置“IgnoreObject”列表，排除特定物体产生的信号。例如，在星敏感器设计中，可忽略支架反射的日光干扰。
3.量化评估与迭代验证
Zemax的“DetectorViewer”提供杂散光能量占比、空间分布等量化指标。通过定义“Signal-to-StrayLightRatio（SSR）”，将其加入优化函数进行自动迭代。某卫星光学载荷案例显示，经过5轮优化后，杂散光强度从初始的3.2%降至0.07%，显著提升系统信噪比。
Zemax如何选择优化函数Zemax如何实现非序列模式是光学工程师必须掌握的核心技能。优化函数的选择需紧密结合设计目标，通过默认函数、自定义操作数与多目标策略的灵活组合，实现系统性能的最优解；非序列模式则通过高自由度建模与光线追迹，为复杂光机系统提供精准仿真。延伸探讨的“杂散光分析与抑制”进一步凸显了Zemax在工程实战中的价值。无论是成像镜头、照明模块还是光电传感器，深入挖掘这些功能将显著提升设计成功率与产品竞争力。
