光学产品设计规范表达

光学产品设计规范表达篇一：光学系统设计有哪些要求光学系统设计有哪些要求 任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求，这些要求概括起来有以下几个方面。 一、 光学系统的基本特性 光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；线视场或视场角；系统的放大率或焦距。此外还有与这些基本特性有关的一些特性参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。 二、 系统的外形尺寸 系统的外形尺寸，即系统的横向尺寸和纵向尺寸。在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。 三、 成象质量 成象质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成象质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成象质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成象质量。 四、 仪器的使用条件 在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。如生物显微镜的放大率 要满足500NA1000NA 条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。 光学系统设计过程 所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决 定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为 4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。 一、外形尺寸计算 在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔 N1N 径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段称为外 形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在 计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。每项 性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使 设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。 二、初始结构的计算和选择、初始结构的确定常用以下两种方法： 1根据初级象差理论求解初始结构 这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。2从已有的资料中选择初始结构 这是一种比较实用又容易获得成功的方法。因此它被很多光学设计者广泛采用。但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计经验，只有这 样才能从类型繁多的结构中挑选出简单而又合乎要求的初始结构。 初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后的设计是否成功。一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功。 三、象差校正和平衡 初始结构选好后，要在计算机上用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差及各种象差曲线。从象差数据分析就可以找出主要是哪些象差影响光学系统的成象质量，从而找出改进的办法，开始进行象差校正。象差分析及平衡是一个反复进行的过程，直到满足成象质量要求为止。 四、象质评价 光学系统的成象质量与象差的大小有关，光学设计的目的就是要对光学系统的象差给予校正。但是任何光学系统都不可能也没有必要把所有象差都校正到零，必然有剩余象差的存在，剩余象差大小不同，成象质量也就不同。因此光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允许值和象差公差有所了解，以便根据剩余象差的大小判断光学系统的成象质量。评价光学系统的成象质量的方法很多，下面简单介绍一下象质评价的方法。 1瑞利判断 实际波面与理想波面之间的最大波象差不超过 1/4 波长。其是一种较为严格的象 质评价方法，适用于小象差系统如：望远镜、显微物镜等。 2分辨率 分辨率是反映光学系统分辨物体细节的能力。当一个点的衍射图中心与另一个 点的衍射图的第一暗环重合时，正好是这两个点刚能分开的界限。 3点列图 由一点发出的许多光线经光学系统以后，由于象差，使其与象面的交点不现集 中于同一点，而形成一个分布在一定范围内的弥散图形，称之为点列图。通常 用集中30%以上的点或光线的圆形区域为其实际有效的弥散斑，它的直径的倒 数，为系统能分辨的条数。其一般用于评价大象差系统。 4光学传递函数 此方法是基于把物体看作是由各种频率的谱组成的，也就是将物的亮度分布函 数展开为傅里叶级数或傅里叶积分。把光学系统看作是线性不变系统，这样物体经光学系统成象，可视为不同频率的一系列正弦分布线性系统的传递。传递的特点是频率不变，但对比度下有所下降，相位发生推移，并截止于某一频率。对比度的降低和位相的推移随频率而异，它们之间的函数关系称为光学传递函数。由于光学传递函数与象差有关，故可用来评价光学系统成象质量。它具有客观、可*的优点，并且便于计算和测量，它不仅能用于光学设计结果的评价，还能控制光学系统设计的过程、镜头检验、光学总体设计等各方面。 各类镜头的设计差别一、照相镜头 照相镜头的光学特性可由三个参数来表示，即照相镜头的焦距 f、相对孔径 D/f和视场角 2。其实就 135 照相机而言，其标准画幅已确定为 24mm X 36mm，则其对角线长度为 2D=。从下表我们可以得出照相机镜头的焦距 f和视场角 之间存在着以下关系： 式中：2D画幅的对角线长度； f镜头的焦距。 照相机镜头的另一个最重要的光学特征指标是相对孔径。它表示镜头通过光线的能力，用 D/f表示。它定义为镜头的光孔直径（也称入瞳直径）D 与镜头焦距 f之比相对孔径的倒数称为镜头的光圈系数或光圈数，又称 F 数，即 F=f/D。当焦距 f固定时，F 数与入瞳直径 D 成反比。由于通光面积与 D 的平方成正比，通光面积越大则镜头所能通过的光通量越大。因此当光圈数在最小数时，光孔最大，光通量也最大。随着光圈数的加大，光孔变小，光通量也随之减少。如果不考虑各种镜头透过率差异的影响，不管是多长焦距的镜头，也不管镜头的光孔直径有多大，只要光圈数值相同，它们的光通量都是一样的。对照相机镜头而言，F 数是个特别重要的参数，F 数越小，镜头的适用范围越广。与目视光学系统相比，照相物镜同时具有大相对孔径和大视场，因此，为了使整个象面都能看到清晰的并与物平面相似的象，差不多要校正所有七种象差。照相物镜的分辨率是相对孔径和象差残余量的综合反映。在相对孔径确定后，制定一个既满足使用要求，又易于实现的象差最佳校正方案。为方便起见，往往采用“弥散圆半径”来衡量象差的大小，最终则以光学传递函数对成象质量作出评价。 近年来兴起的数位相机镜头同上述的传统相机镜头的特性和设计评价上大同 Bm. 不异，其主要差别有： 1相对孔径较传统相机大。 2较短的焦距，使得景深范围增大。可根据视场角的大小算出相当传统相机镜 头的焦距值 F=/（2*tg） 。 3较高的分辨率，根据光电器件的 PIXEL 的大小，一般数位镜头光学设计要达到 1/（2*PIXEL）线对。 二、投影镜头 投影物镜是将被照明的物成一明亮清晰的实像在屏幕上，一般讲，像距比焦距大的多，所以物平面在投影物镜物方焦平面外侧附近。 - 投影物镜的放大率是测量精度、孔径大小、观测范围和结构尺寸的的重要参数。放大率愈大，测量精度愈高，物镜孔径愈大。当工作距离一定时，放大率愈大，共轭距愈大，投影系统结构尺寸越大。由于其是起放大作用，自光学知识可知，像面中心照度与相对孔径平方成正比，可用增大相对孔径的方法来增加象面照度。 液晶式投影机上所用的投影镜头同传统的投影物镜的区别： 1相对孔径较大。2出瞳距长，即需要设计成近远心光路。 3工作距离长。 4解像力高. 5畸变要求高. 以上几点，皆使得用于 LCD 投影机上的投影物镜较传统的要复杂的多，一般要 10 个镜片左右，而传统的一般只要 3 个镜片就能达到。 三、扫描镜头 扫描物镜可用三个光学特性来表示，即相对孔径、放大率和共轭距。放大率是扫描物镜的一个重要指标，由于一般物体大小是固定的，故放大率愈小，意味着镜头的像面愈小，焦距也就愈短，相对来讲扫描系统结构可以做的更小，但同时要求镜头的解像力也愈高。共轭距是指物像之间的长度，对镜头来讲，一般希望其愈长愈好，共轭距愈短，意味着镜头愈难设计（视场角增大） 。其原理图同照相物镜一样，是一个缩小的过程。 扫描物镜的设计特点： 1扫描物镜属于小孔径小象差系统，要求的光学解像力较高。 , 2由于光电器件的原因，不仅要校正白光（混合光）的象差，同时需要考虑 R、 G、B 三种独立波长的象差。 3严格校正畸变象差。 篇二：现代光学设计实验报告格式基本要求汇总班级： 姓名： 指导教师：汪胜辉 成绩：实验题目：实验一：单透镜的设计实验时间： 实验地点：T2C302 设计任务： 设计一个焦距为 80mm，相对孔径为 1/4 的单透镜系统，全视场 2 为 8o，物距为无限远，在可见光下工作，自选一种玻璃，光阑设置在入射光线遇到的透镜的第一个光学表面。 设计过程： 第一步：输入系统参数入瞳直径值 插入图 第二步：输入系统参数视场 插入图 第三步：输入系统参数波长范围 插入图 第四步：输入“透镜数据编辑”窗口的数据 插入图 第五步：查看外形轮廓图 插入图 第六步：打开“RAY”图形窗口查看像差情况 插入图 第七步：打开“FFT MTF”图形窗口查看像差情况 插入图 第八步：设定像质评价函数 插入图 ；绘制表 第九步：设定参与优化的变量 插入图 第十步：输出优化后的系统参数 插入表， 第十一步：输出优化后的二维轮廓图 插入图 第十二步：输出优化后的“FFT MTF”图。 插入图 设计心得： 100 字以上。 打印后左侧装订两个钉子。 实验数据文件请保存在 E:现代光学 CAD 文件夹下，文件名为学号+shiyan1 班级： 姓名： 指导教师：汪胜辉 成绩：实验题目：实验二：双胶合透镜的设计 实验时间：实验地点：T2C302 设计任务： 设计一个焦距为 100mm，相对孔径为 1/5 的双胶合透镜系统，全视场 2 为 10o，物距为无限远，在可见光下工作，自选一种玻璃，光阑设置在入射光线遇到的透镜的第一个光学表面。 设计过程： 第一步：输入系统参数入瞳直径值 插入图 第二步：输入系统参数视场 插入图 第三步：输入系统参数波长范围 插入图 第四步：输入“透镜数据编辑”窗口的数据 插入图 第五步：查看外形轮廓图 插入图 第六步：打开“RAY”图形窗口查看像差情况 插入图 第七步：打开“FFT MTF”图形窗口查看像差情况 插入图 第八步：设定像质评价函数 插入图 ；绘制表 第九步：设定参与优化的变量 插入图 第十步：输出优化后的系统参数 插入表， 第十一步：输出优化后的二维轮廓图 插入图 第十二步：输出优化后的“FFT MTF”图。 插入图 设计心得： 100 字以上。 打印后左侧装订两个钉子。 实验数据文件请保存在 E:现代光学 CAD 文件夹下，文件名为学号+shiyan2 班级： 姓名：指导教师：汪胜辉 成绩：实验题目：实验三：三片式照相物镜的设计 实验时间： 实验地点：T2C302 设计任务： 设计一个三片式照相物镜，要求：焦距为 10mm，F/#为 5，全视场 2 为 38o，在可见光下工作，玻璃材料只能有两种，所有视场满足在 50lp/mm 处 MTF。 设计过程： 第一步：输入系统参数入瞳直径值 插入图 第二步：输入系统参数视场 插入图 第三步：输入系统参数波长范围 插入图 第四步：输出优化后的“透镜数据编辑”窗口的数据 插入表，参见表 17-2 的绘制方法 第五步：输出优化后的“3D LAY”外形轮廓图 插入图 第六步：输出优化后的“RAY”图形窗口 插入图 第七步：输出优化后的“FFT MTF”图 插入图 第八步：输出优化后的“OPD FAN”图形窗口 插入图 第九步：输出优化后的“GRID DISTORTION”图形窗口 插入图 第十步：输出优化后的“SYSTEM DATA” 数据 插入文本型数据 设计心得： 100 字以上。 打印后左侧装订两个钉子。 实验数据文件请保存在 E:现代光学 CAD 文件夹下，文件名为学号+shiyan3 班级： 姓名： 指导教师：汪胜辉 成绩：实验题目：实验四：双高斯照相物镜的设计 实验时间： 实验地点：T2C302 设计任务： 设计一个双高斯型照相物镜，要求：焦距为 40mm，入瞳直径为 8mm，全视场为 40o，三个特征工作波长：480nm、550nm、650nm，玻璃材料最多只能有三种，所有视场满足在 50lp/mm 处 MTF，总镜片数不超过 10 片，允许“conic”列中的数值的绝对值。 设计过程： 第一步：输入系统参数入瞳直径值 插入图 第二步：输入系统参数视场 插入图 第三步：输入系统参数波长范围 插入图 第四步：输出优化后的“透镜数据编辑”窗口的数据 插入表，参见表 17-2 的方法绘制 第五步：输出优化后的“3D LAY”外形轮廓图 插入图 第六步：输出优化后的“RAY”图形窗口 插入图 第七步：输出优化后的“FFT MTF”图 插入图 第八步：输出优化后的“OPD FAN”图形窗口 插入图 第九步：输出优化后的“GRID DISTORTION”图形窗口 插入图 第十步：输出优化后的“SYSTEM DATA” 数据 插入文本型数据 设计心得： 100 字以上。 打印后左侧装订两个钉子。 实验数据文件请保存在 E:现代光学 CAD 文件夹下，文件名为学号+shiyan4 班级： 姓名： 指导教师：汪胜辉 成绩：实验题目：实验五：反射式望远物镜的设计 实验时间： 实验地点：T2C302 设计任务： 设计一个折反射混合式望远物镜，要求：焦距为500mm，入瞳直径为 100mm，全视场为，三个特征工作波长：480nm、550nm、650nm，所有视场满足在 50lp/mm 处MTF(来自: 小 龙 文档网:光学产品设计规范表达)，满足瑞利准则。 设计过程： 第一步：输入系统参数入瞳直径值 插入图 第二步：输入系统参数视场 插入图 第三步：输入系统参数波长范围 插入图 第四步：输出优化后的“透镜数据编辑”窗口的数据 插入表，参见表 17-2 的方法绘制 第五步：输出优化后的“3D LAY”外形轮廓图 插入图 第六步：输出优化后的“RAY”图形窗口 插入图 第七步：输出优化后的“FFT MTF”图 插入图 第八步：输出优化后的“LATERAL COLOR”图形窗口 插入图 第九步：输出优化后的“SEIDEL COEFFICIENTS”的数据 截图如下： 第十步：输出优化后的“SYSTEM DATA” 数据 插入文本型数据 设计心得：100 字以上。打印后左侧装订两个钉子。 篇三：莱卡工程师谈光学镜头设计标准和忌讳今天的镜头设计(或者像光学设计者称之为光路设计)似乎是小菜一碟：在镜头的资料库中有成千上万的设计专利的展示，并且有许多是公开发表的。你似乎可以从大致的设计构思着手，然后利用高速的计算机系统为你的设计草图进行优化，达到你实际想要达到的目标。 但问题是，计算机能够生成一个优秀的镜头设计吗？当然是不可能的。真正的设计其实是源自于人的大脑，就如导航仪器只能在你给它指定明确的目标之后才可以帮助你找到正确的航线一样。商业镜头设计系统当然可以为你优化镜头设计，但如果设计的出发点本身是不足的，那么你是很难更正它的。在光学设计部门中目前大量使用了计算机，但它也毫不例外地表明了计算机及其计算机程序本身是无法给你找到全部答案的。 镜头设计是极具创造力的工作，它必须基于经验和敏锐的洞察力来了解各种各样光学象差的特性。 首先让我们来看一些镜头设计的基本原理 任何镜头，不管是新的还是老的，都可以用“镜头描述”这个术语来区分镜片的数量、玻璃的种类、镜片的曲面半径、镜片的厚度、镜片与镜片之间的距离、以及每个镜片的直径等等。这些都是用来全面描述一个镜头的参数。当发自于某个物体的光线穿过玻璃表面时，该束光线会被折射，就如我们在中学 物理课本中学到的物理知识所描述的那样。 光线折射量取决于玻璃的折射率。如果镜头设计者能知道光线射入镜头前镜片时的确切入射位置以及入射角度，他就可以通过光线理论系统精确地追踪光路。角度和距离可以通过三角函数的正弦和余弦算出来。因此通过简单的平面几何，光线途经的线路就可以被追踪到。我们知道任何一个点光源发出的能量都是散射的，并无任何方向行可言。只有部分能量通过镜头，而且设计者也假设通过简单的数学来计算通过镜头的能量(那些被视为一系列的各自独立的光线)可以追踪那些光线的路径。 镜头设计者首先从光轴上的某点开始追踪少量的光线。这里所假设的是每个物象点都会在胶片平面上形成于之相对应的点，所以发自物体的光线都将被转化为这样的成相点，并且具有同样的相对位置。这就是高斯成相(Gaussian Fiction)。对应那些靠近光轴的点，设计者可以有理由相信高斯成象是相当精确的，这就是平行光轴光学(Paraxial Optics) 。尽管计算公式相当简单(至少对有经验的设计者来说)，但要求对于这些数字的计算精确到小数点后 58 位。 在机械和电子计算机到来之前，计算这些数值的唯一方法是借助于对数表。在 30 年代，每天只能达到 50个这样的计算量。因为很容易出错，每个数字都得核对 2次才行，比如说，不要把“7” 看成“9” ，而且还有保证手写的字体要工整，容易辨认。我曾经有机会看到 Leitz早期在 Solms 的设计成果，那些长串的数字，为了易于识别和拷贝而认真书写的字体，都表明了当时的工作是何等的辛劳。例如，对于一个有 6 片镜片的镜头设计，每个镜片的表面需 要计算 200 条光路，整个镜头的计算量到达了 3000 条光路，需要 3 个月才能完成全部计算。很令人吃惊的是当时 Leitz 的工作和组织方式(直到最近 Leitz 才第一次透露)。 镜头设计者对他的设计所倾注的浪漫构思理所当然的是个迷 在现实设计中，设计主管负责一组工作者，其中大部份是女性，她们负责大量的计算工作中非常重要的一部分。设计主管指导整个设计，他从手下了解的大量光学计算式中获取结果，从中决定究竟是继续原设计还是对设计进行调整。对于任何重要的摄影光学而言，平行光轴光学的计算是没有太大用处的。 对于大口径镜头的设计而言，由于光线的进入量大，因此考虑斜向进入镜头的光线就非常重要，考虑平行进入的光线对于中央区域的成象很重要，但对于远离象场中央区域的成象则不具有多大的意义。斜向进入镜头的光线可以分为两部分：垂直的和水平的。经过垂直面的称为切线光线，经过水平面的称为径向光线。这部分的光路则需要特殊的公式来计算了。但这些公式极为复杂和繁琐，手工计算几乎是不可能的。即使对于现代的电子计算机来说也不是一件容易的事。 因此在现实设计中设计者都力图避免那些计算(径向光线)，或者只进行近似计算，Leitz 和 Zeiss 都是这样做的。最终的计算毫无例外的都是折衷的结果，即有已知因素，也有未知因素。 我们都知道光线是由不同波长的有颜色光波组成的，而且当光线进入镜头时不同波长的光波具有其独特的光学路径，我们已经知道理想的光线不可避免的被镜片所干扰而产生象差。镜头设计的第一要素就是对这些象差进行了解和控制。通过三角几何函数可以计算出校正的光线路径和现实的偏移量，这两者之差被称为光线路径差，使用来控制象差的依据。典型的象差有球面象差，晕光和失光。在 30 年代，尽管对象差进行了量化，却始终成为镜头设计的困扰因素。 象差的方程式是个多元方程式，每个元素代表一项已知的象差，它的系数代表它的重要性程度和它在影响成象质量下降方面的大小。所有象差之和可以归纳为：象差= aSA+bC+cA(SA：球面象差；C=Coma，晕光；A=Astigmatism，失光；a，b，c：加权值)。 过去，由于对象差的了解需要大量的计算，光学设计者对象差的理解仅仅局限于某些理论知识上，而现实的应用非常有限。因此对于特殊光路的校正方面的知识是不完善的。于是我们就毫不奇怪对于 Zeiss