在使用Zemax进行光学系统设计时，优化阶段往往是从“初步设计”迈向“可量产结构”的关键步骤。然而许多设计者会遇到优化始终不收敛、误差值下降到某一程度后停滞不前、光斑反而变差等问题。出现这种情况并不意味着软件失效，而更多是初始结构、变量选择、目标函数权重或优化器策略本身存在不协调。要让Zemax顺利迭代，必须从模型基础、变量定义到优化器配置进行系统化排查与调整。

　　一、Zemax优化为何一直不收敛

　　优化不收敛通常来自多因素叠加，其背后常不是算法本身，而是前置设置不合理造成的。

　　1、目标函数权重设置失衡

　　打开【Merit Function Editor】可看到大量评价项，但若权重分布不合理，例如将单一评价项权重设得极高，会导致优化器始终向错误方向收敛甚至震荡。

　　2、变量范围过大导致发散

　　在【Lens Data Editor】中将曲率、厚度、间隔等设为Variable后，若未限制上下边界，优化器容易进入物理不可行区，使Merit Function数值再次变大甚至不再下降。

　　3、初始光学结构偏离目标较远

　　若系统起点设计不合理，例如光阑位置错误、像方远心条件破坏、镜组取值严重偏离，可导致优化器无法找到连续下降路径。

　　4、约束条件互相矛盾

　　如同时要求系统缩短总长并要求更高像质，约束函数可能互相冲突。Zemax在无法找到满足全部约束的点时，就会出现“死循环式不收敛”。

　　5、优化器类型与问题不匹配

　　默认的DLS适用于局部优化，但若你的起始结构距离合理设计差距过大，应使用Orthogonal Descent或叶优化等策略。从【Optimize】→【Optimizer】即可切换。

　　二、Zemax优化器与变量应怎样重新选取

　　要让优化顺利推进，核心在于变量定义清晰、目标函数合理、优化器与阶段匹配。

　　1、精简无效的Merit Function条目

　　进入【Merit Function Editor】后，可删除对当前设计毫无贡献的评价项，尤其是重复或无关函数，保留核心指标如RMS半径、波前误差等，使优化方向更明确。

　　2、严格设定变量范围区间

　　在【Lens Data Editor】中勾选需要优化的曲率、厚度、空气间隔后，点击右侧的【边界设置】，将取值范围限制在“可制造、可实现”的区间，避免变量无限扩张。

　　3、按阶段分批放开变量

　　不要一次性把所有曲率、厚度都设为Variable。先优化主光线条件相关变量，再开放次级变量，最后才处理非球面与倾斜量，能显著提升收敛速度。

　　4、根据系统状态切换优化器

　　若DLS下降趋势很弱，可以在【Optimize】→【Optimization Wizard】中切换为Orthogonal Descent进一步探索可行解，再切换回DLS做精细优化。

　　5、合理加入边界约束函数

　　使用【BNDY】【BFLM】【THIC】等函数限制焦距、总长、像方数值范围，使优化保持在稳定区间，避免发散。

　　6、持续监控迭代趋势并及时调整

　　在优化窗口中观察Merit Function的下降曲线，如果连续几十步无明显下降，应立即暂停并回看变量范围、权重或约束是否过度紧绷。

　　三、Zemax模型设计本身是否适合优化

　　优化失败有时并非参数或算法的问题，而是“模型本身”不具备可优化性。应从设计逻辑角度重新审视系统结构。

　　1、光路结构是否具备设计意义

　　若光线在系统中多次折返或镜片位置极不对称，可能导致敏感度分析失效，使优化器无法识别有效梯度方向。

　　2、像差补偿逻辑是否成立

　　部分设计前期为快速验证想法加入临时镜片或虚拟面，但优化前未清理，影响系统真实像差分布，使优化始终无效。

　　3、光轴与坐标系是否正确

　　若建模过程中引入多个局部坐标、倾斜面或偏心，可能造成优化器在不同参考系之间“找不到正确方向”。应在【Lens Data Editor】中审查是否存在未对齐的子系统。

　　4、初始参数是否落在合理区间

　　若曲率、厚度、材料选择均远离最终设计的物理范围，优化就会陷入“大偏差区域”，更难进入有效下降区。

　　5、系统对称性是否破坏

　　若像方或物方不具备基本对称性，Zemax会在优化中不断尝试补偿偏心导致非线性剧增，应先完成系统中心对齐。

　　总结

　　Zemax优化不收敛从来不是简单的“算法问题”，而是体系化的设计问题。只有从结构、变量、目标函数、约束与优化器策略五个层面逐步校正，才能让优化器沿着正确方向迭代。通过重审模型结构、重新定义变量区间以及合理选择优化算法，Zemax才能真正发挥其在光学系统设计中的强大能力。