在成像光学系统的设计过程中，初始结构的选择和优化是确保设计成功的关键环节之一。尤其在设计复杂光学系统时，找到一个接近设计要求的初始结构，不仅能简化后续的优化流程，还能显著提升设计的效率和可靠性。本篇文章将以可见光广角镜头的设计为例，详细探讨如何根据设计指标选取合适的初始结构，并通过逐步调整和优化，实现最终的设计目标。希望通过这一案例，能够为光学设计工程师在实际工作中提供清晰的设计思路和实践参考。
一、指标及初始结构的选取
尽管我之前已经介绍过一些光学系统初始结构的计算方法（见下方链接），但在大多数情况下，光学系统的理论计算仍然是一项相当复杂的工作。薛鸣球院士曾提到，在没有计算机辅助的年代，光学系统设计的流程是多么艰难和繁琐。
如今，对于大多数应用场景，我们通常会优先寻找一个接近设计指标的初始结构，并将其作为优化的起点。初始结构的来源一般有以下几类：第一类是我们之前设计过的系统。如果一个单位在某一领域有一定的技术积累，那么在面对新的需求时，参考之前的经验进行修改往往是最快捷且最可靠的方式。第二类是通过查阅相关书籍、国内外论文或专利，并在这些基础上进行修改。不过寻找到的初始结构怎么样，能否通过优化达到要求的指标，仍需设计者自行鉴别。第三类是针对一些特殊需求的情况，可能某些指标需要从一开始就通过设计来保证，或结构本身较为简单（如三片式物镜、纯反射系统等），或涉及难以直接优化的系统（如包含自由曲面的系统），在这些情况下，可能仍然需要进行一定的手动计算[1]。
三反射镜系统的设计（一）——初始结构的计算
【成像光学进阶】变焦系统的初始结构计算
光学设计案例——库克三片式
一种紧凑的可见光同轴四反射镜光学系统设计
两镜折反式物镜的设计
如上面列出的这些，之前我已经写过一些特定光学系统初始结构的理论计算方法，这一次我就来展示一下直接找初始结构进行优化的完整过程。首先，我们给出光学系统的主要技术指标如下：
有了这样的指标要求，查阅有关资料，可以找到一个看起来比较符合要求的系统，F数为2.8，比指标要求小不少，最重要的是畸变也满足要求，如果不用非球面调整，畸变与初始结构的关系还是很大的，同时视场略差一点点，我们可以把这个作为优化的起点[2]，并把参数输入到Zemax里面。这里有一个要点，文献资料的给出的初始结构有时参数是在焦距归一化的条件下的，我们需要根据需求缩放，由于初级球差和孔径的四次方成正比，把大镜头缩放成小镜头是容易的，但把小镜头缩放成大镜头有时会遇到一些困难。这个问题一方面要结合经验判断，一方面也可以在指标的基础上留一些余量。
二、调整初始结构
从上面的图上可以看出来，我们的初始结构是有一定渐晕的，不过这个问题可以通过优化边缘厚度解决。在优化之前，我们需要先对初始结构进行一定调整，将F数焦距等外部参数调整为指标要求的数值，同时通过操作数对其他指标进行约束。
另外，我们也需要根据实际情况，将玻璃模型更改为实际玻璃库里的玻璃，这里我就只加载成都光明的玻璃库，如果一直使用玻璃模型，色差的计算将不够精确。
修改完毕后初步优化一下，结果如下，干涉的问题基本解决，但目前这个结构除了传函远远满足不了要求，部分透镜的形状也有些奇怪，这说明材料的配置也有优化空间，我们可以进一步，将玻璃设置为替换，通过玻璃替换模板对替换范围进行一定限制，再进行优化，同时在优化过程中不断处理出现的问题。
三、优化及设计结果
优化的过程比较复杂，也不是本文的重点，这里就直接展示一下最后的设计结果吧，优化的过程中我为了提高优化的速度，把Zemax文件导入到了CodeV里面，在CodeV里再进行了优化。可以看到系统整体看上去还行，孔径光阑前的那个透镜看起来也不是特别理想，光焦度看起来有点大了，传函，畸变等指标也已经满足要求。
毕竟只做了一个晚上，肯定远远没有到最佳状态，我把这个初始结构和文中给出的结果共享出来，感兴趣的话可以自己再优化试试，特别是材料上是否还有替换空间。