光学设计领域，Zemax OpticStudio 的序列模式（Sequential Mode）凭借对光线传播路径的精准把控，成为相机镜头、望远镜、显微镜等传统光学系统设计的核心工具。不同于非序列模式对复杂光散射的模拟，序列模式以“光线按预设表面顺序传播”为核心逻辑，能高效完成从简单单透镜到多组元变焦系统的设计。下面将从原理、功能、实操到高阶技巧，系统拆解序列模式的应用方法，为光学工程师提供实用指南。
一、序列模式核心原理：有序化的光线控制逻辑
序列模式的本质是通过表面列表（Surface List）定义光学系统结构，强制光线按表面先后顺序传播，每经过一个表面仅发生一次折射、反射或衍射，以此精准计算光线路径与成像性能，其核心特征体现在两方面：
（一）“表面优先”的结构定义
所有光学元件（透镜、棱镜等）均被拆解为“表面+材料”组合，按光线传播方向排序（如物面→透镜前表面→透镜后表面→像面）。每个表面需定义三类关键参数：
几何参数：含表面类型（球面、非球面等）、曲率半径、半口径、厚度（当前表面到下一个表面的距离），决定表面形态与空间位置；
材料参数：明确表面间填充材料（空气、玻璃等），需指定折射率（支持多波长适配）与色散特性，确保光线传播计算准确；
物理属性：包括表面镀膜（增透膜、反射膜）、衍射光栅、光阑（控制通光或视场），细化光线传播规则。
（二）“确定性”的光线追迹
采用几何光线追迹算法，依据斯涅尔定律（折射）、反射定律或光栅方程，计算光线在每个表面的传播方向变化，最终追踪至像面。这种方式有两大优势：
计算效率高：无需处理随机散射，单条光线追迹速度比非序列模式快1-2个数量级，支持多视场、多波长批量分析；
精度可控：可设置“中止条件”（如光线能量衰减至阈值停止）与“计算精度”（如折射率小数位数），平衡设计效率与结果准确性。
二、序列模式核心功能：覆盖光学设计全流程
序列模式围绕“系统建模-光线追迹-性能分析-优化迭代”构建功能体系，满足不同设计阶段需求：
（一）系统建模：灵活适配各类光学结构
1. 丰富的表面类型库
内置100 +种表面类型，覆盖不同精度需求：
基础表面：球面、平面、抛物面，适用于传统相机镜头、望远镜，参数少且加工成熟；
非球面：二次曲面、高次非球面等，通过额外系数校正球差、彗差，如手机主摄用非球面透镜减少镜片数量；
特殊表面：自由曲面、柱面、衍射光栅，适配AR眼镜自由曲面棱镜、光谱仪光栅等异形系统。
2. 完善的材料管理
内置材料库：整合Schott、Hoya等厂商玻璃库（如BK7、K9），自动加载不同波长下的折射率与阿贝数，一键选型；
自定义材料：支持手动输入特殊材料（如红外锗晶体、光学塑料）的折射率数据（表格导入或公式定义），满足红外、消费电子等场景。
3. 直观的光阑与视场设置
光阑类型：可定义孔径光阑（控制通光，如相机光圈）、视场光阑（限制成像范围，如传感器尺寸），任意表面均可设为光阑；
视场定义：支持角度视场（如望远镜1°视场角）、物高视场（如显微镜0.1mm物高）、像高视场（如手机传感器1/2.3英寸像高），适配不同设计习惯。
（二）光线追迹：全维度分析光线路径
1. 基础追迹：像点与光程差
像点计算：输出指定视场、波长光线的像点坐标，自动计算RMS点列半径（评估成像弥散）与几何像差（球差、彗差等）；
光程差（OPD）：计算实际光程与理想光程的差值，反映波前畸变，如高精度望远镜OPD需控制在λ/4以内（λ为工作波长）。
2. 进阶追迹：光线属性可视化
光线路径图：2D/3D视图实时显示轨迹，支持按视场、波长高亮光线，快速定位“光线拦截”（如透镜口径不足导致渐晕）；
数据报表：导出光线入射角度、能量衰减等参数（Excel格式），便于分析镀膜对能量的影响。
（三）性能分析：量化评估成像质量
1. 几何像差分析
球差曲线：展示不同孔径光线的轴向偏差，曲线越平坦，球差校正越好；
彗差图：显示视场、孔径对光线横向偏差的影响，指导广角镜头彗差校正；
像散图：输出子午面与弧矢面焦点偏差，辅助柱面透镜校正像散。
2. 衍射成像分析
针对光刻镜头、天文望远镜等高精度系统：
调制传递函数（MTF）：量化不同空间频率（如50lp/mm）的对比度传递能力，手机主摄需MTF@50lp/mm≥0.3；
点扩散函数（PSF）：模拟衍射弥散斑，天文望远镜PSF需接近高斯分布；
光学传递函数（OTF）：含MTF（幅值）与PTF（相位），全面反映衍射影响。
3. 基础杂散光分析
鬼像分析：计算表面反射形成的鬼像位置与能量，指导镀膜方案优化；
杂散光比例：评估杂散光占比，高灵敏度系统（如红外探测器）需低于1%。
（四）优化迭代：自动提升系统性能
1. 优化变量设置
将表面曲率、厚度、非球面系数等设为变量，限制调整范围（如曲率±10mm），关键参数（光阑位置、像面尺寸）设为“固定”，避免意外修改。
2. 目标函数定义
内置评价函数：一键加载“RMS点列半径最小化”“MTF最大化”等预设目标；
自定义评价函数：通过ZPL脚本编写复杂目标，如“800-1000nm波段内，所有视场MTF@30lp/mm≥0.25”。
3. 优化算法选择
阻尼最小二乘法（DLS）：适用于初始设计较好的系统，收敛快，适合后期微调；
全局优化：适用于多组元、自由曲面系统，通过随机搜索寻找全局最优解，避免局部极值。
三、序列模式实操流程：以50mm单透镜设计为例
以“焦距f\\\\’=50mm、孔径D=10mm单透镜”为例，展示完整设计流程：
（一）步骤1：新建项目与基础设置
打开OpticStudio，选择“File→New→Sequential Mode”；
在“System Explorer”设置：波长“Visible”（587.6nm）、视场“Angle”（0.5°）、孔径“Entrance Pupil Diameter”（10mm）。
（二）步骤2：搭建系统结构
按光线传播顺序定义表面：
物面（Surface 1）：类型“Object”，厚度“Inf”（无穷远物）；
透镜前表面（Surface 2）：球面，曲率25mm，半口径5mm，厚度5mm；
透镜后表面（Surface 3）：球面，曲率-50mm，半口径5mm，厚度45mm（到像面距离）；
像面（Surface 4）：默认“Image”类型；
材料赋值：Surface2-3间选择“BK7”玻璃。
（三）步骤3：性能分析与问题定位
生成点列图，初始RMS点列半径约0.1mm（球差较大）；
查看球差曲线，轴向偏差约0.5mm，需优化校正。
（四）步骤4：优化迭代
变量设置：将Surface 2-3的曲率设为变量（±10mm）；
目标函数：加载“RMS Spot Radius 最小化”；
启动优化：选择DLS算法，目标函数从0.1mm降至0.01mm；
验证：优化后RMS点列半径0.01mm，球差曲线平坦。
（五）步骤5：结果导出
保存点列图、MTF曲线等图片；
生成设计报告（PDF），含系统参数、表面列表、性能指标。
四、序列模式与非序列模式的场景适配
序列模式与非序列模式为互补工具，需按设计目标选择：
核心逻辑：序列模式“确定性追迹”，非序列模式“自由传播+散射模拟”；
适用系统：序列模式适配成像系统（相机、望远镜），非序列模式适配照明系统（LED车灯）、杂散光系统（红外探测器）；
效率与复杂度：序列模式计算快、操作简，非序列模式耗时久、需定义散射模型；
组合应用：可先用序列模式完成成像设计，再用非序列模式分析杂散光。
五、序列模式高阶技巧
（一）参数化建模与批量计算
通过“Parameters”定义全局变量（焦距、孔径），修改后自动更新系统；结合ZPL脚本批量分析多方案（如10种焦距透镜），生成对比报告。
（二）公差分析集成
预测量产误差（曲率偏差、材料波动）对性能的影响，识别高敏感公差（优先控制）与低敏感公差（放宽降本），确保设计可量产。
（三）自由曲面设计
导入CAD自由曲面模型（STEP格式），用“Freeform Optimization”优化面型系数，校正离轴像差（如AR棱镜减少畸变），并支持自由曲面公差分析。
OpticStudio序列模式以“精准、高效”支撑从消费电子到航天的光学设计需求。掌握其核心逻辑，通过“建模-分析-优化”闭环，可将理论设计转化为可量产的优质产品。未来，结合自由曲面、多物理场仿真等技术，序列模式将进一步推动光学创新，助力更多高精度、小型化光学系统落地。