在光学系统设计中，渐晕（Vignetting）控制和照明均匀性优化是提升系统性能和使用体验的两个重要方面。无论是在成像镜头还是非成像照明系统中，光能传输不均常常导致画面边缘变暗、亮斑过强、照度分布失衡等问题。Zemax作为专业光学设计软件，提供了灵活而强大的工具，可用于分析并优化这些光通量分布问题。本文将深入解答两个常见问题：“Zemax如何优化渐晕？”以及“Zemax如何优化照明系统？”，结合实操方法和设计思路，帮助你打造出既高效又均匀的光学系统。
一、Zemax如何优化渐晕
渐晕（Vignetting）是指图像边缘亮度下降的现象，可能源于光学结构遮挡、光阑位置设计不合理或视场光线丢失等。Zemax提供了从分析到优化的全流程工具，可帮助你识别和改进渐晕现象。
1.使用“光线失效图”（Vignetting Diagram）分析渐晕
打开：Analyze→System Check→Vignetting Analysis；
可查看在各视场角度下，通过光阑系统的光线占比；
横坐标代表视场点，纵坐标为通过率（0~1）；
若边缘视场通光率低于中心，即存在渐晕。
2.分析渐晕来源
在Lens Data Editor（LDE）中逐个查看Aperture Stop和其他通光孔径；
使用Footprint Diagram可观察不同光线是否被遮挡；
若光线在某面截断，说明该面尺寸或位置导致遮挡；
“光线追迹（Ray Trace）”结果中的NA值下降也说明存在有效光损失。
3.结构性渐晕优化策略
优化光阑位置：确保Aperture Stop位于合适位置，不影响边缘视场通光；
扩大光阑尺寸：特别是中段镜片需避免成为“隐藏光阑”；
调整曲率或厚度：若存在非轴对称渐晕，可考虑改变前后透镜相对角度或位置；
提高输入光束NA或更换物镜：用于高视场成像系统。
4.使用Merit Function自动压制渐晕
将边缘视场点的通光率作为Merit Function目标；
使用operand如VIGN，可设定目标通光比（如0.95）；
Zemax优化器会自动调整镜片位置、曲率、厚度等参数，使光线尽可能完整通过。
5.使用非序列仿真分析真实遮挡
若渐晕来自机械结构或装配外壳，应使用Non-Sequential模式；
模拟光罩、卡口、边框等结构对光线的实际遮挡；
可结合Detector Viewer查看光通量损失区域。
二、Zemax如何优化照明系统
照明系统追求的不仅是亮度强，更是分布均匀、利用率高、热负载合理、方向一致等综合性能。Zemax提供了完整的照明系统设计工具链，尤其在非成像光学领域（如LED匀光、投影、背光等）有极高适用性。
1.使用非序列模式建模照明光路
在Non-Sequential Component Editor（NSCE）中添加光源（LED、激光、平行光）；
设置材料、面形（非球、自由曲面）、反射镜等；
可构建自由曲面匀光器、TIR棱镜、反射杯等结构。
2.添加Detector Surface分析照明均匀性
插入Detector Rectangle/Detector Volume；
用于采集照明能量分布；
可查看：
光强（W/m²）分布图；
等照度线图；
极坐标光强图；
多角度观察是否中心过亮、边缘发暗、热点不均等问题。
3.利用Source属性提升照明效率
使用实际LED发光模型（可导入ray file或使用Source Radial）；
设置光源发散角度、亮度分布函数；
若为点光源设计匀光器，可模拟不同光源匹配度。
4.自由曲面优化
Zemax可结合LENSMechanix或其他CAD建模导入自由曲面；
也可使用Macro生成任意形状透镜或反射面；
设置Surface Sag脚本或导入Grid Sag文件；
与Merit Function联动后可进行多目标优化。
5.应用优化器实现均匀照明目标
在Merit Function中设置以下常用指标：
Target Flux：希望探测面能量达到某一均值；
Uniformity：照度均匀性目标；
Max Min Ratio：最大/最小照度比限制；
Zemax优化器可在设定曲面参数范围内，寻找最优形状与结构组合；
可结合Particle Swarm Optimization、Genetic Algorithm等高级优化方法。
6.考虑热效应与光谱响应
在照明结构附近添加热源模拟区域；
考虑不同材料在高温下的折射率变化（如LED外封材料）；
对多色照明系统，可设置波长组追迹RGB，分析色偏与均匀性一致性。
三、实用建议：渐晕控制与照明优化的一体化策略
1.成像系统中的渐晕有时也能用于遮光
若系统边缘为非必要成像区域，可通过“受控渐晕”压制杂光或边缘像差；
但需警惕影响主视场图像亮度。
2.照明系统中若照明过于集中，应优先考虑调整结构而非增加光源功率
增加亮度解决热点会引起散热问题；
更优方案是引导光线通过非球或自由曲面均匀分布；
提高系统光能利用率远优于“堆光源”。
3.结合实测数据进行仿真更真实
渐晕分析可引入实际测量点斑数据；
照明分析可导入ray文件（.ies、.dat、*.ray）；
Zemax支持导入真实光源光强分布文件，增强仿真精度。
4.成像系统中的照明结构也要考虑渐晕匹配
如显微镜照明，应使光斑大小略大于视场边缘，确保边缘亮度充足；
若光斑正好卡在视场边缘，轻微错位就可能导致不对称渐晕。
四、总结
综上所述，Zemax优化渐晕：依靠Vignetting Analysis、Footprint、Merit Function等工具分析光线遮挡来源，调整光阑位置、尺寸、结构，实现在各视场角下的高通光率设计，Zemax优化照明系统：通过非序列建模、探测面分析、自由曲面设计与全局优化器联动，提升照度均匀性、能效利用率与色彩一致性掌握以上技巧，将帮助你在成像与非成像设计中更精确掌控光线行为，让Zemax成为你设计“既明亮又均匀”光学系统的可靠利器。
