作为光学系统设计的核心工具，Zemax凭借其强大的多场景模拟与物理效应补偿能力，成为工程师应对复杂光学问题的首选平台。本文聚焦Zemax多重结构设置方法与Zemax温度补偿配置技术两大核心功能，通过操作流程解析、参数优化策略及延伸应用场景，为光学设计者提供系统性解决方案。
一、Zemax如何设置多重结构
多重结构（Multi-Configuration）功能是Zemax实现变焦系统、多波长分析及动态场景模拟的核心模块。其通过定义多组独立或关联的光学参数，支持同一光学系统的多状态并行优化。以下为具体操作流程与技术要点：
1.创建与配置多重结构编辑器
在Zemax主界面中，通过快捷键`F7`或菜单栏“Editor”→“Multi-Configuration”打开多重结构编辑器（MCE）。点击“Config1”右侧的“+”按钮添加新结构（如Config2、Config3）。每个结构对应独立的参数集，用户可通过“Operand”列选择需差异化的变量（如曲率半径、厚度或材料）。例如，在变焦镜头设计中，Config1可设为广角端（焦距12mm），Config2设为长焦端（焦距50mm），并通过“THIC”操作数分别定义镜片间距。
2.参数联动与约束条件设置
对于需要跨结构同步调整的参数，可使用“Pickup”功能建立关联。例如，若Config1中第3面厚度为变量，可在Config2的对应行选择“Pickup From Config1”，并设置缩放系数（如0.8）。为避免优化冲突，需在“Merit Function Editor”中添加全局约束：
使用“CONF”操作数指定生效的配置编号；
通过“EFFL”操作数统一不同结构的有效焦距容差；
添加“REAY”操作数确保各配置的像高一致性。
3.多结构优化与性能验证
启用“Global Optimization”时，勾选“Optimize All Configurations”选项，使优化算法同步处理所有结构。优化完成后，通过“Analysis”→“Multi-Configuration”→“Configuration Comparison”查看各结构的MTF、点列图等关键指标差异。对于变焦系统，建议启用“Zoom Position”参数模拟连续变焦过程，并导出Zernike系数分析像差变化趋势。
二、Zemax怎么进行温度补偿配置
温度变化导致的光学元件形变与折射率漂移，是车载、航天光学系统设计的关键挑战。Zemax的温度补偿功能通过材料热力学模型与结构参数调整，可有效抑制温漂影响。具体配置流程如下：
1.材料热参数定义
在“Glass Catalog”中选择或自定义材料时，需完善其热膨胀系数（CTE）与折射率温度系数（dn/dT）。例如，熔融石英（FusedSilica）的CTE为$0.55\times10^{-6}/°C$，dn/dT为$9.5\times10^{-6}/°C$。对于非标材料，可通过“UserDefined”手动输入温度-折射率拟合公式：
$$n(T)=n_0+\DeltaT\cdot(a+b\cdot\lambda^2)$$
其中$a$、$b$为实验测定系数，$\lambda$为波长。
2.温度梯度加载与补偿策略
在“SystemExplorer”→“Environment”中设置温度变化范围（如-40°C至+85°C）及梯度分布模式：
均匀温升：所有元件按设定ΔT同步变化；
轴向梯度：沿光轴方向定义线性温度分布；
径向梯度：模拟散热不均导致的径向温度差异。
补偿方法包括：
被动补偿：选用CTE匹配的材料组合（如铝合金镜座与CTE相近的透镜）；
主动补偿：在多重结构中预设可调元件（如移动补偿透镜组）。
3.热致像差分析与优化
运行“ThermalAnalysis”后，通过“FieldMap”查看不同温度下的场曲变化，并使用“ThermalShift”操作数量化像面偏移量。优化时，在评价函数中添加“TTHI”操作数，约束特定面在温度变化时的厚度补偿量。例如，设置补偿透镜的移动量$\Deltad$与温升$\DeltaT$满足：
$$\Deltad=\sum(CTE_i\cdotL_i)\cdot\DeltaT$$
其中$L_i$为各机械结构件的初始长度。
三、Zemax公差分析中的蒙特卡洛模拟延伸解析
基于上述温度补偿场景，本文延伸探讨一个与Zemax高度相关的关键词——公差分析蒙特卡洛模拟。该功能用于评估制造与装配误差对系统性能的影响，具体实施步骤包括：
1.公差参数定义
在“Tolerance Data Editor”中设定各类公差类型：
元件级公差：曲率半径误差（±0.1%）、中心厚度偏差（±0.05mm）；
装配公差：倾斜（±0.02°）、偏心（±0.01mm）；
材料公差：折射率波动（±0.0005）、阿贝数容差（±0.8%）。
2.蒙特卡洛模拟执行
在“Tolerance”→“Monte Carlo”中设置模拟次数（通常≥500次），选择统计指标（如80%良率的MTF值）。Zemax将随机生成符合公差分布的参数组合，并自动执行光线追迹。用户可启用“Sensitivity Analysis”识别关键公差项，例如通过贡献度排序发现镜片倾斜对畸变的影响占比超过60%。
3.补偿器与降本策略
为提高良率，可添加补偿器（如后截距调整或聚焦镜移动）。在“Compensators”选项卡中，定义补偿变量及其调整范围。优化后，对比“With/Without Compensation”的良率变化。例如，引入后截距±0.2mm的补偿能力，可使MTF≥0.3的良率从72%提升至89%。
通过Zemax多重结构设置方法的灵活架构与Zemax温度补偿配置技术的精准控制，光学设计者能够有效应对多工况与环境挑战。无论是复杂变焦系统开发还是高低温环境下的稳定性保障，Zemax均提供从建模到验证的全链路支持。结合公差分析中的蒙特卡洛模拟延伸实践，Zemax进一步彰显其在工业级光学设计中的不可替代性。
