1. Zemax非序列追迹（2025-07-24）

1-1. 在进行0视场追迹的时候，通过路径分析发现到达探测器的光线只有36%，为了解决这个问题，之后又给很多面镀了AR膜，探测器光线确实变多，但是发现这样做没有必要：因为透过率低没有问题，只要不影响成像即可。（没有要求能量随时率低？再查一下） 1-2. 在Zemax非序列模式下删除了所有镜片的镀膜，打开所有椭圆光源进行追迹，通过探测器查看器查看成像质量，找到抑制鬼像的关键面并镀膜，重新使用各个单光源进行杂散该光分析。

2-1. 尝试打开所有光源，考虑镜筒CAD文件进行非序列追迹。发现“能量损耗（错误）”很大，甚至大于“能量损耗（阈值）”，查询Zemax用户手册，发现又多种可能原因： “有时几何误差或舍入误差会导致光线追迹无法继续进行。几何误差通常是由欠定义的实体或不合适的物体嵌套所导致的。当某个表面的迭代失败或者无法计算膜层数据时，有可能造成一些光线的入射点和折射数据计算有误。当光线经过物体的交切点、嵌套层或线段数量达到所设定的最大值时，光线追迹同样会报错并中止。光线追迹控制会将这类错误造成的损耗显示在能量损耗（错误）中。 ”

2-2. 最终暂时放弃解决这个问题，由于：如果我使用加了镜筒的完整模型A与完整缩比模型B来对比的话，我依旧需要SW来设计B的镜筒STEP文件，做到这一步的话，我完全可以通过TracePro来进行杂散光分析，而不是Zemax。 所以简便起见，我暂时搁置加入镜筒导致的追迹错误，决定先用裸镜头组来比较A、B模型，明天缩比序列模型B，随后NSC非序列追迹。

2. Zemax非序列追迹——探测器查看器（2025-08-07）

• X_IAGT(n,v) ：在物体n上绝对强度大于v值的光线。如果光线不交于物体，则该标志为false。
• X_IALT(n,v) ：在物体n上绝对强度小于v值的光线。如果光线不交于物体，则该标志为false。 其中 v 的单位需与光线强度单位匹配。 例如：如下图，若光线强度单位是 “瓦特”，且探测器峰辐照度为 48.89 W/cm²（总功率 7.41 W，探测器面积 124mm×124mm≈153.76 cm²，则平均单光线强度≈7.41 W / 4400 条 ≈ 0.0017 W/条）。

此时若设置 X_IAGT(34, 0.0017)，可筛选出单光线强度仅 > 0.0017 W的像素点，即这些像素点至少被两条光线击中。 一点思考：此时设定的X_IAGT(34, 0.001)，此阈值下总撞击数刚好为我此次追迹设定的总光线数4400，似乎是刚好过滤掉鬼像等光线。后续尝试（如下图），设定字符串!G0筛选出非鬼像光线，此时撞击数恰好是4400，证明了X_IAGT(34, 0.001)确实过滤掉了鬼像。

3. Zemax探测器查看器概念解释（2025-08-07）

• 1、非相干照度 ：随探测器上空间位置变化的单位面积上的非相干辐射通量。是光线辐照度的叠加，不考虑相位因素。与其对应的是，相干辐照度，是光线复振幅相加，考虑相位因素，得到的是相干辐射通量。也就说后者会考虑相干因素；
• 2、峰值辐照度：光束中任意点的单位面积的最大功率；
• 3、总功率：对整个光束辐照度的积分（也就是光束总能量）。这里边辐照度你就可以理解成光功率密度，只是差一个视见函数而已。至于总功率为什么会随之探测器大小变化，我觉得是因为当探测面小时，其实部分光线未被接收所以导致小探测器的功率也小，另外大的探测器面也会接收一些杂散光，只能要把光斑包住，两者应该差距不大；
• 4、非相干辐照度，即每个像素点对应辐照度值。

4. 像素点功率数据分析遇到问题（2025-08-12）

• 1、不同强度的杂散光对望远镜成像的影响？（用来划分不同灰度区间的比较权重）

5. 进度（2025-08-14）

• 1、梳理之前的结果：方案一：以探测器中心为圆心，逐渐增加圆半径，圆域内相同灰度区间像素个数统计、强度加权统计+差集区域分析，仅使用鬼像数据，结论：平均相似度较高。方案二：统计各强度区间像素点数量、加权值，说明功率相似性（Code：sta_scrip.m），同时通过SSIM说明结构相似性（Code： SSIM_UQI.m），总体说明相似度。
• 2、引入SSIM和UQI指标来比较两系统的相似性和可替换性，具体可参考PSNR、SSIM等图像质量评估指标详解。Code："C:\Users\Lyra Alpha\Documents\MATLAB\tools\SSIM_UQI.m"
• 3、根据杂散光评价指标来对比：分别根据两个系统得到的逐像素功率数据进行杂散光评估、比较它们的相似性和可替代性。Code:stray_light_evaluation.m 和 stray_light_evaluation2.m

6. 进度（2025-09-06）

总结一下这段时间的进度：

• 1、之前对灰度的理解有误，之前的想法是将得到的150×150功率密度矩阵作为初始数据进行后续的分析，划分不同的功率密度区间，每个区间作为一个灰度来进行统计分析。这样其实不正确，实际情况下，探测器并没有办法得到像面上每个像素点处具体的功率值，这个功能是光功率计的功能，光功率计可以放到系统前探测具体功率，但是不能封装在光学系统内部，在像面上放置的其实是探测器，而它只能探测灰度值，是纯图像信号。
• 2、那么后续的所有分析与统计都要基于实际中可以得到的数据（即灰度值），所有只需要将之前的150×150功率密度矩阵（单位是W/cm2）转换为150×150灰度矩阵即可。 转换基于公式：Vana=R×Popt+Vdark。其中 Vana 为输出电压，R 为探测器响应度，V_{dark} 为暗电流电压。随后设定相关参数，量化位数根据区间自动计算（如下设定条件下量化位数 N：16位（灰度范围0~65535）），将电压转换为灰度值。总体路径：功率密度→模拟电压→灰度值。 有一个问题：探测器响应度的计算值不一定能在现实中找到合适的探测器。
• 3、使用灰度数据重新进行分析，考虑两种方法：SSIM、UQI、MSE、相关系数，在设定半视场内相似性极高；圆域+差集分析，在设定视场内外相似性均很高。
• 4、在Soildworks中将原机械结构文件转换为零件后可以进行缩放，缩放后直接得到缩比机械模型。原系统和缩比系统的完整光机系统分别在0°视场进行非序列追迹，得到光功率密度矩阵，存于文件compare_systems_01ob_8000l_raw_cone.xlsx，通过上述方案进行分析，结果很好。但是有个问题：Zemax追迹时，由于“错误”而停止追迹的数值很大，需要进一步分析是否为正常现象。

7. 关于Synopsys学习（2025-11-12）

1. 背景

• 之前构建的系统是一次成像系统，现在发现二次成像系统更好，具体可以参看“光学设计学习”专题，也可以问AI；
• 已有系统使用的玻璃材料难以生产（加工难度高、有毒、成本高等）。 所以决定重新构建望远系统。通过Synopsys构建中红外望远系统的初始结构（选用522.8mm焦距系统），记录学习软件过程遇到的问题及解决方案。

  2. 学习记录

  1、找了一段DSEARCH.MAC初始结构搜索宏（可见光区的广角目镜）运行，成功跑通初始结构，样例链接：SYNOPSYS 光学设计软件课程三十七：自动查找和更改镜头结构 2、随后查询命令含义，按望远系统需求修改宏，运行报错，红外材料找不到。红外材料与可见光搜索方法有异，需要指定红外材料，找到可行宏语句： GLASS POS ! 指定正透镜玻璃材料 G D-FK61 GLASS NEG ! 指定负透镜玻璃材料 G H-ZF88 3、由2延申到正负透镜的搭配，记录在：镜头设计中透镜材料的选择及搭配 4、接2，更改了材料（选用Synopsys的红外材料库Unusual，用U表示）后运行报错：GLASS-TABLE ERROR OR CONFLICT WITH MULTIPLE CORES（玻璃表错误或与多个核心冲突）。找到原因：增加材料时，U前面不能出现其他字符，空格也不行。 删除之后可以运行，如果此时报错：NO GOOD CASES FOUND，应该是没有找到类似的初始结构，可以尝试更改搜索参数尤其是材料。 正常运行之后，如果搜索得到结构像面在最后一片透镜之前，说明正负透镜材料的设置可能反了，交换POS和NEG的材料后尝试，可以得到正常结构。 5、尝试不同的正负透镜组合，多次搜索，发现模型形状难看，发现它居然像是广角镜头（佩服我自己，这都能看出来），突然想起来用的是广角目镜的搜索宏，只修改了系统参数，并未修改优化参数（约束），后续学习优化参数的使用方法。

8. 系统设计及公差分析（2025-12-07）

• 重新设计中红外望远系统：采用7片透镜，两个非球面，二次成像系统，光阑置于像面之前。
• 系统所有材料均可找到供应商（包括成都光明的HWS系列和SILICON等常用材料），随后进行数据标准化（厚度保留两位小数，曲率半径保留三位小数），固定净口径（已保留5%净口径余量）。
• 效果：除边缘视场外，点列图均小于艾里斑，MTF全视场大于0.55。

• 进行公差分析以及收缩公差 首先根据现代光学加工等级表（如下图）填写公差分析向导，软件会在公差数据编辑器自动生成函数，随后运行公差分析得到结果。

随后收缩公差，可以参考Zemax教学视频第五弹——公差分析，最终得到公差数据结果如下图。

这个效果应该还可以，但是对公差分析时MTF和RMS光斑半径标准并不是很明确，目前对公差效果的判断来源于网上的信息即一些论文，发了个帖子提问，蹲回答：中红外系统设计的MTF标准

9. NSC转换与非序列模式（2025-12-13）

转换之后自动生成矩形探测器和光源，接下来手动添加颜色探测器，注意为颜色探测器的Z位置设置一个小量，否则会挡住其他视场的矩形探测器。选择光线追迹，在探测器查看器查看。

10. 缩比方式

考虑多种缩比方式：

• 方案一：将整合后的系统A（透镜厚度、曲率半径保留特定小数位，固定口径）按焦距缩比得到系统B’，此时系统B’的小数位会变得不再符合要求，进行小数整合，重新保留小数，但是不进行优化，最终可以得到符合加工要求的系统B，进行后续的公差分析和NSC追迹。注：可以慢慢调，找到一个平衡点，比如如果某个变量四舍五入会造成像质明显下降：假设增大了凸透镜前一面厚度，那么就增大一点前一面的曲率半径。
• 方案二：直接对未整合的系统A’进行缩比得到系统B’‘，随后进行小数整合……但是这样的路径，两个系统都不可以在整合系统时进行优化，否则两系统的参数很可能不再具有缩比映射性。

注：系统A'在整合为系统A过程中，使用了局部优化。

本项目目前使用方案一推进，给出公差对比图如下：

左列为点列图公差，右列为MTF公差； 第一行为方案一得到的系统B的公差，第二行为系统A的公差，第三行为方案二得到的未经整合系统B’‘的公差。

11. Solidworks光机结构建模（2025-12-20）

模型导入

在 Zemax 中，点击顶部菜单栏的 File (文件) -> CAD Files (CAD文件)导出STEP文件； 打开Solidworks，点击 打开 (Open)，选择刚才导出的 STEP 文件，点击打开对话框（资源管理器）中的 选项 (Options)，配置为如下图选项：

随后会打开SW系统界面，并弹出如下界面：

点击确认并保存即可，这样每个透镜会成为装配体中的一个独立零件，方便后续管理。

注：如果前面的弹窗未正确出现，并且最终导入的文件并不是以装配体(.SLDASM)的格式，而是以零件的格式(.SLDPRT)，这种情况下SW左边的零件列表栏应该是一系列蓝色的import num图标，而不是黄色的surfaces num图标（如下所示）

这个问题是Zemax未按预期方式导出文件导致的（我觉得是这样），应该与SW的PMI选项有关。解决方案：打开Zemax设置 -> OpticStudio选项 -> 常规，勾选使用Parasolid数据库选项即可：

重新导出STEP再导入SW即可。

插入光阑与像面

光阑和像面未正确导入，删除重新插入模型。 分别插入两个新零件，在对应位置新建基准面，在基准面上绘制光阑（圆环）和像面（旋转45°）。 关于厚度的设置：像面(4096×4096)厚度设置为6mm，因为查找探测器参数指标发现 640×512 探测器一般厚度为1mm；光阑厚度设置为3mm，目前看来只需要保证机械强度即可（控制口径-厚度比）。

镜片组装配

压圈应该拧紧后可以起到固定作用，此时大概无需放置隔圈。

12. TracePro光线追迹

模型导入

Solidworks 导出为 STEP 格式，用 TracePro 打开即可。

设置材料

• 镜片：设置对应的玻璃材料，可以使用 python 脚本将用到的 Zemax 玻璃库导入 TracePro 再设置，非常方便；
• 机械结构（镜筒、压圈、隔圈）：如果仅进行杂散光分析，可以不设置材料，影响不大，膜层的影响才是主要的。 如果设置材料，目前设置：镜筒、镜室：Metals --> Aluminum ; 压圈：Metals --> Titanium (由于内置钛波长未覆盖所需波长，暂时更换为铝)； 隔圈：Metals --> Stainless Steel 304 (304不锈钢)。
• 冷光阑：使用高导热材料 Metals --> Copper

设置膜层

镜片：需要镀增透膜，目前选择 Default --> MgF2 Single Layer AR 单层膜，如果不能满足要求，也可以考虑成本更高效果更好的三层膜：Default --> 3 Layer AR 机械结构：全镀 Acktar --> Fractal Black #1776 (TP自带的红外消光膜)

重要：注意胶合面不要镀膜！！！

光线追迹

可能会出现光线在胶合面中断（无法穿过），可能是两个镜片的胶合面有重合，本系统尝试将两胶合镜片拉远 0.0005mm，追迹成功，由于 Zemax 中设置的距离精度为小数点后三位，故不影响结果。

追迹进度————原系统追迹

追迹出现问题，光线可以正常追迹，但是会报一行错：警告: 不完整的 Glass 5 有可能被加入到光线追迹之中.更糟糕的是，Glass 7 没有任何偏折作用，从 Glass 6 出射的光线视若无物地通过第七片透镜，遂排查错误。

• 排查 Glass 7 材料、镀膜、曲率设置均未出错；
• 忽略除 Glass 7 、像面、格点光源之外的所有元件，即仅对 Glass 7 进行光线追迹，发现 Glass 7 可以正常偏折光线，说明镜片设置没有问题，那么问题一定出在系统的其他地方；
• 逐步考虑（取消忽略）其他元件，找到使 Glass 7 无法偏折的问题元件。取消忽略 Glass 6 ，光路正常；继续…… 考虑到警告：警告: 不完整的 Glass 5 有可能被加入到光线追迹之中.，大概率 Glass 5 是问题元件。故考虑所有元件，仅忽略 Glass 5 ，重新追迹，光路偏折正常，取消忽略 Glass 5 ，追迹出现异常（光线无法偏折），显然 Glass 5 就是问题元件。
• 警告显示 Glass 5 不完整，考虑是 Glass 5 和 Glass 6 出现重合部分（两片透镜胶合），忽略 Glass 6 重新追迹，依然出现警告，显然是 Glass 5 本身有问题；
• 警告原因应为：Glass 5 的几何模型不完整（比如实体未闭合、存在破面 / 缺失面、曲面导入失败等），应该是镜片组从 Zemax 导入 SW 再导入 TracePro 过程出现错误，修复模型较为麻烦，考虑重新导入Glass 5 模型：从Zemax导出STEP格式的 Glass 5 并导入 TracePro 替换原来的 Glass 5 ，设置材料、膜层等，重新追迹，成功，光线在像面处汇聚正常。 问题解决。

感想：为了减少面型错误的发生，在进行光机模型的构建过程中，可以将模型从 Zemax 中导出为STEP文件，并分别导入 SW 和 TracePro （oml）中，在 SW 中构建机械模型并将机械结构部分设置为子装配体（此时 SW 整个模型就是由两个子装配体构成），仅导出机械结构部分装配体为STEP文件，并将此文件用 TracePro 打开并保存为oml文件，这样就有两个oml文件，分别是镜片组和机械机构。用 TracePro 打开镜片组，选择插入零件，插入机械结构oml文件，这样就组装成了完整的光机结构文件。

追迹进度————缩比系统追迹

由于从缩比 Zemax 模型生成缩比 SW 模型需要重新绘制机械结构，无法保证两系统几何结构完全相同，故考虑直接由原系统SW模型缩放生成缩比系统模型。 导入流程：

• 将整个原系统的 SW 装配体文件夹 SW_SecImag_simp 复制过来，打开后另存为 SW 零件 .SLDPRT，此时可以进行缩放 (只有零件可以缩放，装配体不可以);
• 随后打开此零件，选择 “插入 -> 特征 -> 缩放比例”，比例缩放点选择原点，缩放0.5倍后保存为 SecImag_simp_Scale.SLDPRT，并另存为 SecImag_simp_Scale.STEP，使用TracePro打开，保存为 SecImag_simp_Scale.oml，由于 Glass 5 追迹是发生重叠错误，按上述方法生成 Glass 5.oml 文件并在 TracePro “插入 -> 插入零件” 选项中替换本透镜，追迹成功。
• SW 放缩过程可参考：SolidWorks装配体等比例缩放的方法

注：开始的时候使用另一种方式导入出现错误（光线不按预想的方式分布，并未在像面上汇聚成一个点，而是一个很大的弥散斑），原因是多次转换文件出现较大误差。不合理方式：没有直接复制整个原系统的 SW 装配体文件夹 SW_SecImag_simp ，而是导出为 STEP 文件（ SW 打开后为 .SLDPRT 零件形式）后，缩放并再次另存为 STEP 文件 SecImag_simp_Scale.STEP，此种方式再导入 TracePro 时会出错。