多重结构的使用方法

设计有时候会涉及多状态系统结构的优化情况。例如在变焦镜头和扫描镜头的设计实现中，常常会涉及ZEMAX 的多重结构功能。本节中，将深入学习多重结构的使用方法，以便在设计中更加得心应手。

ZEMAX 支持在多重结构下的定义、分析和优化光学系统，常用于设计变焦镜头、扫描镜头、优化镜头测试的多光路干涉系统和使用多波长多参数变化的结构。同ZEMAX的其他功能一样，多重结构处理起来并不复杂，但对于多重结构下的公差分析（下一章中重点介绍）就需要多点耐心和细心了。

ZEMAX 使用一个子程序来定义多重结构，即单独的一个多重结构编辑器。可以使系统中的某一参数变化为不同的数值。例如，在变焦系统中设置的不同元件间的空气间隔变化，设置的每个值的变化都使用多重结构编辑器进行统一管理。按照路径“Setup →Multiple Configuration Editor”可打开多重结构编辑器的窗口，如图4-48 所示。

图4-48　多重结构编辑器窗口

使用多重结构进行系统设计，最重要的第一步是先定义一个结构，即在ZEMAX 的序列模式下定义一个系统。这一般是复杂多重结构系统的一个好的初始开始，如果所有结构都有相同的元件数，则可以挑选其中任意一个作为初始结构。一旦定义好基础结构，剩余的工作就是如何将这个结构变换为新的结构状态。初始结构不用急于优化，因为可以在最后对所有结构进行统一优化。多重组构参数变化的前提是必须将这个要变化的参数提取到多重结构编辑器中，这个参数变化多少个数值就表示系统有多少个状态，也就是有多少个结构。参数的提取需要多重结构操作数来完成，与优化时所用的评价函数操作数类似，ZEMAX 中多重结构操作数也都是由4 个字母组成，一般用参数的名称或几个相关单词的首字母组合而成。多重结构操作数是不能够通过键盘输入进去的，只能选择，如图4-49 所示。

图4-49　多重结构操作数选择界面

实例：模拟元件的变化

当设计好一个初始结构系统时，为了查看某个参数的变化对整个系统的影响，常使用多重结构将这些参数提取到多重结构编辑器中，让它们按要求变化。这个过程其实可以看作是一种简单的公差分析。

这里使用ZEMAX 自带的结构——Cooke Triplet（库克三片式）照相物镜，模拟中间镜片产生倾斜后的效果。

第1 步：打开ZEMAX 中的库克三片式照相物镜。

打开ZEMAX 目录“Zemax\Samples\Sequential\Objectives\Cooke 40 degree field.zmx”。在分析菜单下，打开2D 视图，如图4-50 所示。假设模拟中间的凹透镜绕X 轴倾斜了3 个状态：10°、5°、0°。那么第一步如何操作呢？刚开始已经说过，首先要能挑选出任意一个状态把它模拟出来，这也说明在进行多重结构设置时，要先能找到影响不同结构变化的参数，并使用多重结构操作数提取出来。在这里影响凹透镜倾斜角度变化的参数，其实目前还没设置出来，所以初始结构首先需要添加旋转参数。

图4-50　Cooke 三片式照相物镜光路图

对于结构的旋转，已经知道使用坐标断点可实现元件的倾斜，ZEMAX 在面属性中提供的快捷功能（“Tilt/Decenter Elements”）帮助快速旋转或偏心元件，选择中间凹透镜（从第3 面到第4 面），旋转度不设置表示0 状态。

第2 步：在凹透镜前后插入坐标断点面。

①在镜头编辑器的图标栏中点击“Tilt/Decenter Elements”，如图4-51 所示。点击这个选项并打开“Tilt/Decenter Elements”对话框。

②在对话框“Tilt/Decenter Elements”中，“First Surface”栏选择“3”，“Last Surface”栏选择“4”，在“Tilt X”栏中输入“10”。单击“OK”按钮完成，如图4-52 所示。

③设置完成，在镜头编辑器中凹透镜前后插入坐标断点，实现元件的倾斜和偏心，如图4-53 所示。

图4-51　打开坐标断点对话框

图4-52　坐标断点设置

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图4-53　凹透镜前后插入坐标断点面

图4-54　设置坐标断点后的3D 视图

④打开3D 视图，得到如图4-54 所示的结构图。

这时可以知道，需要把第3 个面上的“Tilt about X”参数提取到多重结构编辑器中设置即可。那么这个参数属于第3 个面的哪一个参数呢？最简单的方法就是在这个参数上单击右键打开一个对话框，查看对话框上的参数描述便知。

第3 步：编辑多重结构。

①在第3 个面的“Tilt about X”栏单击鼠标左键，弹出“Parameter 3 solve on surface 3”对话框。说明“Tilt about X”是第3 个面上的第3 个参数，如图4-55 所示。

图4-55 “Tilt about X”参数对话框

②打开多重结构编辑器，并击右键插入2 列，即2 个新组态，如图4-56 所示。

有3 个角度变化值，所以应该有3个组态结构。只有1 个参数在变化，所以应该只有1 个多重结构操作数。

③点击“MOFF”，将其选择为“PAR3”，并点开“Operand 1 Properties”对话框，“Surface”栏选择“3-Element Tilt”，“PAR3”操作数对应输入3 个角度值分别为“0”、“5”、“10”，如图4-57所示。

④打开3D 视图，如图4-58 所示。

图4-56　插入2 个新组态

图4-57　多重结构操作数设置

图4-58　3D 视图

这样多重结构状态便设置完成了，注意图4-57 中Config1 右上角的星号，它表示当前系统处于第一个状态下，所以分析数据都为这个状态下的结果。同样，查看3D 视图默认看到的为当前状态，使用“Crl+A”组合键可进行不同状态的切换。在3D 视图上单击“Settings”打开设置对话框，可以设置显示所有状态，如图4-59 所示。

图4-59　多重结构视图设置

注意，图4-59 中“Offset”的“Y”选项，表示显示的所有组态在Y 方向上有25 mm 的位移，可以在一个视图上同时看到3 个状态结果，如图4-60 所示。当然也可以在X 方向上有位移，不同的组态沿Y 方向排列。

图4-60　3 个组态的3D 视图