光学设计领域，Zemax（现归属 Ansys，更名为 OpticStudio）凭借强大的仿真与优化能力，成为工程师的核心工具。但复杂的功能体系往往导致操作效率低下，尤其面对多组元系统、批量分析等需求时，传统操作方式易陷入“重复劳动”。下面结合 Zemax 操作逻辑与实际设计场景，从界面定制、参数化建模、批量计算、优化技巧到结果管理，系统梳理高效操作方法，帮助工程师缩短设计周期、提升工作效率。
一、界面定制：打造个性化工作环境
Zemax 默认界面包含大量功能模块，合理定制界面可减少无效操作，快速定位常用工具，核心优化方向如下：
（一）工具栏与快捷键设置
自定义工具栏：通过“View→Customize Toolbar”调出设置窗口，将高频操作（如“新建表面”“生成点列图”“启动优化”）添加到工具栏。例如，将“Sequential Mode”“Non-Sequential Mode”切换按钮、“Ray Trace”快捷图标固定在顶部，避免每次通过多级菜单查找，操作路径从“Analysis→Ray Tracing→Spot Diagram”简化为一键点击。
快捷键配置：在“Tools→Options→Keyboard”中，为常用命令分配自定义快捷键。例如，将“插入球面”设为“Ctrl S”、“删除表面”设为“Ctrl D”、“保存项目”设为“Ctrl Shift S”（区别于默认保存），熟练后可减少鼠标操作，提升建模速度。需注意避免与系统快捷键冲突（如“Ctrl C”“Ctrl V”），优先使用“Alt 字母”或“Ctrl 数字”组合。
（二）面板布局优化
核心面板固定：将“System Explorer”（系统参数设置）、“Surface List”（表面列表）、“Merit Function Editor”（评价函数编辑器）等核心面板设为“固定显示”（点击面板右上角“Pin”图标），避免操作中误关闭。例如，建模时保持“Surface List”在左侧，参数修改后实时刷新，无需反复打开面板。
多视图分屏：设计复杂系统时，通过“View→Split View”开启多视图模式（如 2×2 分屏），分别显示“XY 截面”“YZ 截面”“3D 视图”“表面列表”，实时观察结构变化与空间位置关系，避免单一视图导致的设计偏差（如透镜间距错误、元件干涉）。
二、参数化建模：告别重复修改，提升可复用性
传统建模中，修改透镜焦距、孔径等参数需逐一调整表面曲率、厚度，效率极低。通过参数化建模将关键参数关联，可实现“一处修改，全局更新”，核心方法如下：
（一）全局变量定义
变量创建：在“Tools→Parameters”窗口中，点击“Add”创建全局变量，如“focal_length”（焦距）、“pupil_diameter”（孔径）、“lens_thickness”（透镜厚度），并设置初始值（如 focal_length=50mm）。变量命名需清晰，避免与系统变量冲突（如不使用“R”“T”等默认表面参数名）。
参数关联：在“Surface List”中，将表面参数与全局变量绑定。例如，单透镜设计中，透镜前表面曲率“Radius”设为“=focal_length/(n-1)”（n 为玻璃折射率，基于透镜焦距公式推导），半口径“Semidiameter”设为“=pupil_diameter/2”。后续需调整焦距时，仅修改“focal_length”变量，软件自动更新曲率与半口径，无需手动计算。
（二）表达式与函数应用
常用表达式：利用 Zemax 支持的数学表达式（ 、-、×、÷、三角函数、平方根等），实现参数自动关联。例如，多组元系统中，透镜间隔“Thickness”设为“=focal_length×0.3”（间隔为焦距的 30%），确保系统结构随焦距同步调整；非球面系数设为“=0.001×(surface_number-2)”（表面序号从 2 开始，系数随表面递增），简化多非球面建模。
函数调用：调用系统内置函数提升参数灵活性。例如，用“IF”函数实现条件判断：“=IF (surface_number=2, 25, -50)”（表面 2 曲率为 25mm，其他表面为 - 50mm）；用“RAND”函数生成随机参数（如“=10 RAND ()×2”，生成 10-12mm 的随机厚度），用于公差分析中的随机抽样。
三、批量计算：应对多方案、多条件分析场景
光学设计中常需分析“不同波长”“不同视场”“不同结构参数”下的性能，手动重复计算耗时且易出错，借助批量工具可实现自动化处理：
（一）参数扫描（Parametric Sweep）
单参数扫描：在“Optimization→Parametric Sweep”中，选择需扫描的参数（如透镜曲率、材料折射率），设置扫描范围与步长（如曲率从 20mm 到 30mm，步长 1mm），指定需输出的分析结果（如 RMS 点列半径、MTF 值）。软件自动生成所有参数组合的仿真结果，并以表格或曲线形式呈现，快速定位最优参数区间（如曲率 25mm 时 RMS 最小）。
多参数组合扫描：对相互关联的参数（如透镜曲率 厚度），设置“组合扫描”模式，选择“Full Factorial”（全因子扫描）或“Latin Hypercube”（拉丁超立方抽样）。例如，同时扫描曲率（20-30mm）与厚度（3-7mm），全因子扫描可覆盖所有参数组合，拉丁超立方抽样则在较少次数下覆盖参数空间，平衡精度与效率。
（二）ZPL 脚本自动化
基础脚本编写：ZPL（Zemax Programming Language）是 Zemax 的内置编程语言，可实现复杂操作的自动化。例如，编写脚本批量生成 10 种不同焦距的透镜系统：
定义焦距数组“focal_array = [30,40,50,60,70,80,90,100,110,120]”；
循环调用“SET 表面参数”命令，修改曲率与厚度；
自动生成点列图并保存为图片，命名格式为“Focal_XXmm_Spot.png”。
脚本运行后，无需手动新建项目，即可获得所有方案的模型与分析结果。
脚本模板复用：针对常见场景（如批量分析 MTF、批量导出表面参数），创建脚本模板，后续仅需修改参数（如波长范围、视场数量）即可复用。例如，MTF 批量分析模板中，通过修改“start_freq=20”“end_freq=100”（空间频率范围），可快速适配不同系统的 MTF 分析需求。
四、优化效率提升：从目标函数到算法选择
优化是光学设计的核心环节，低效的优化设置易导致“迭代次数多、收敛慢、最优解偏差”，需从目标函数、变量管理、算法选择三方面优化：
（一）目标函数精简与权重设置
剔除冗余指标：评价函数（Merit Function）中，避免加入无关指标（如成像系统无需关注照度均匀性）。例如，相机镜头优化以“RMS 点列半径”“MTF@50lp/mm”“几何像差”为核心，剔除“光程差”（衍射系统才需重点关注），减少计算量，提升收敛速度。
合理设置权重：对关键指标赋予高权重，次要指标赋予低权重。例如，手机主摄优化中，“中心视场 MTF”权重设为 10，“边缘视场 MTF”权重设为 5，“RMS 点列半径”权重设为 3，确保优化优先满足核心性能需求，避免次要指标拖累整体效率。
（二）变量筛选与范围控制
筛选关键变量：通过“灵敏度分析”（Sensitivity Analysis）识别对性能影响大的变量（高敏感变量），仅将这些变量纳入优化，减少变量数量。例如，某透镜系统中，透镜 1 曲率的灵敏度为 0.8（影响大），透镜 2 边缘厚度的灵敏度为 0.05（影响小），则仅将透镜 1 曲率设为优化变量，其他参数固定，优化迭代次数可减少 50% 以上。
限制变量范围：设置合理的变量调整范围，避免参数超出加工能力（如曲率最小不小于 5mm，厚度最小不小于 2mm），减少无效迭代。例如，将非球面系数范围设为“-0.1 到 0.1”，避免系数过大导致表面过于陡峭，无法加工。
（三）算法组合策略
初期全局优化：初始设计较差时，先用“Global Optimization”（全局优化）算法，通过多轮随机搜索遍历参数空间，寻找全局最优解区域，避免陷入局部极值。例如，多组元变焦系统优化初期，全局优化可快速调整各组元间隔与曲率，将 RMS 点列半径从 0.2mm 降至 0.05mm。
后期局部微调：全局优化收敛后，切换为“Damped Least Squares（DLS，阻尼最小二乘法）”或“Sequential Quadratic Programming（SQP，序列二次规划）”进行局部微调。DLS 算法收敛快，适合参数精细调整，可将 RMS 点列半径从 0.05mm 进一步降至 0.02mm，且迭代次数仅需 10-20 次，远少于全局优化。
五、结果管理与协作：高效输出与团队共享
设计完成后，结果整理与协作共享常消耗大量时间，合理的管理方法可提升成果复用性与团队效率：
（一）结果批量导出与命名规范
自动化导出：通过“File→Export”或 ZPL 脚本，批量导出分析结果（点列图、MTF 曲线、表面参数表）。例如，脚本中加入“EXPORT_SPOT”“EXPORT_MTF”命令，将所有视场、波长的结果导出为 PNG 图片与 Excel 表格，避免手动逐个保存。
命名规范：制定统一的文件命名规则，包含项目名称、参数、日期等信息，如“Camera_Lens_F50mm_FOV5°_Spot_20240510.png”“Telescope_MTF_632.8nm_Report.xlsx”，便于后续查找与版本管理，避免“ Spot1.png”“Report.xlsx”等模糊命名导致的文件混乱。
（二）项目模板与参数库建设
创建项目模板：针对常见系统（如单透镜、双胶合透镜、变焦镜头），创建项目模板，预设基础参数（波长、视场、孔径）、表面类型、评价函数框架。例如，“手机主摄模板”中，默认设置可见光波段（486nm、587nm、656nm）、视场角 8°、孔径 F/1.8，新建项目时直接调用模板，无需重复设置基础参数。
构建参数库：收集常用材料（如 BK7、K9、锗晶体）、表面参数（如标准非球面系数）、评价函数权重方案，建立共享参数库。例如，将“红外透镜材料库”“车载镜头 MTF 权重方案”保存为文件，团队成员可直接导入使用，确保设计标准统一，减少重复计算与参数调试。
六、常见操作误区与避坑技巧
过度追求高精度：建模初期无需设置过高的网格精度（如光线追迹精度设为“High”），可先以“Medium”精度快速验证结构合理性，优化后期再提升精度，避免前期不必要的计算耗时；
忽视参数关联性：修改某一参数时（如透镜曲率），未同步调整关联参数（如半口径、间隔），导致系统出现干涉或性能突变，需通过参数化建模（全局变量、表达式）确保参数联动；
优化变量过多：将所有参数纳入优化，导致变量维度高、收敛慢，需通过灵敏度分析筛选关键变量，减少优化复杂度；
结果未及时保存：Zemax 默认仅保存项目文件（.zmx），分析结果（如点列图、MTF）需手动保存，建议设置“自动保存”（Tools→Options→Save），并定期导出结果文件，避免软件崩溃导致的数据丢失。
Zemax 的高效操作并非依赖单一技巧，而是“界面定制 - 参数化建模 - 批量计算 - 优化策略 - 结果管理”的系统整合。通过个性化界面减少无效操作，参数化建模提升可复用性，批量工具应对多方案分析，优化策略加速收敛，结果管理提升协作效率，可显著缩短光学设计周期，从“反复试错”转向“精准设计”。对于光学工程师而言，掌握这些方法不仅能提升工作效率，更能将精力聚焦于创新设计，推动光学系统向高精度、小型化、低成本方向发展，适应消费电子、航天、医疗等领域的快速迭代需求。