光学设计-2012-2光学系统设计 光学系统设计的一般步骤

光学系统设计的一般步骤,1、由功能要求 技术参数、整体方案和布局2、外形尺寸的计算（高斯光学参数 ）3、选择光学部件的结构形式 4、确定光学部件初始结构参数 5、光学部件的优化（用光学软件实现）6、长光路的拼接、统算、优化7、对设计结果进行分析和评价8、总结：,1、功能要求 、技术参数、整体方案和布局 例1：设计一台式单筒 正像 测量 显微镜，对准精度为1微米， 视场为5毫米，仪器高度大约为300毫米。 例2：设计一手持双筒望远镜，正像，能够分辨一千米 远5毫米的细节。例3：设计一变焦摄影物镜，焦距2090毫米。例4：设计对刀仪中的光学系统。例5：设计万工显横向读数装置中的光学系 统。,放大率为？倍,分划板,棱镜或透镜,物镜和目镜,2、外形尺寸的计算（高斯光学参数 ） （1）物镜和目镜的放大率，NA， （2）共轭距、物镜和目镜的焦距等轴向尺寸 （3）垂轴尺寸 （4）光束限制（孔阑、视阑） 目的？,3、选定光学部件的结构形式 根据镜头的技术参数和像差要求选定适当的结构型式例如: 物镜：要考虑到放大率、NA、视场、像质、简单性等，采取折射式？ 消色差？平场？。 目镜：焦距、视场等 棱镜：类型、通光口径,4、确定光学部件初始结构参数,基于初级像差理论的计算法 查资料法 基于自己丰富经验从无到有的经验法,查资料法,查资料法是被大多数设计人员,尤其是初学者,采用的设计方法。设计人员通过所要设计的镜头的焦距、孔径、视场等参数，从已有大量镜头专利中选择合适的初始结构，然后对此进行优化，达到设计要求。初始镜头结构参数可从以下资料中查取： 1、光学软件自带的例子： 2、光学设计手册、镜头手册、光学设计教材； 3、工厂内部资料； 4、LENSVIEW 、 ZEBASE镜头资料库； 5、网络资料.,经验法,所谓经验法就是设计者依赖自己的丰富经验从无到有生成初始结构的方法。设计者在了解镜头的焦距、孔径和视场的前提下，根据用户提出的像质要求，决定采用简单的结构还是复杂的结构，大致上有几组几片，其中的正负透镜怎样组合，光焦度如何分配，然后大致勾画出系统的结构草图，并根据色差校正的基本原理提出最初的材料搭配方案。再将这一结构输入光学设计软件，边输入边根据二维图中显示的结构与光线走向手工修改参数，直到获得一组”看得过去的”初始结构。然后进入伏化过程，在优化过程中还需要根据像质变化情况修改玻璃并施加其他人工干预，最后获得满足要求的设计结果。,优点和缺点,计算法 优点:有助于使系统跳出局部极值 缺点:需像差理论基础知识,较难得到较好结果查资料法 优点:快速方便，一般情况下质量较高 缺点:创造性受到局限,易导致侵权纠纷经验法 优点:最容易发挥设计者的创造力与独特构想 缺点:需扎实的理论基础和丰富的经验,LENSVIEW中的物镜,LENSVIEW中的目镜,ZEBASE中的物镜,5、光学部件的优化 (以测量显微镜为例)（1）分别优化物镜、目镜。（2）利用光学软件逐次修改结构参数，使像差得到最佳的校正和平衡 （同时放大率、物像位置、视场也达到要求）（3）棱镜、分划板可作为物镜或目镜的一部分（4）正算（物 眼 ） 或倒算（眼 物 ）。,正算（物 眼 ）,眼睛,倒算（眼 物 ）,6、长光路的拼接、统算、优化 （1）在考虑像质的基础上，反复对轴向尺寸和垂轴尺寸进行拼接、统算、优化 （2）可不考虑物镜、目镜的可换性，整体优化,7、对设计结果进行分析和评价 像质评价：（用点列图spot diagram 、光学传递函数 MTF 、波像差等） 视场：线视场 公差分析: 景深：景深大好还是小好？ 光度学：要考虑到接受器的灵敏度 性价比： 体积： 其它：如对照明系统的要求，如何接CCD，互换性 等。,8、总结： 优点（特点） 缺点（不足） 改进措施（展望）,目镜,物面,显微物镜,分划板,系统结构框图,棱镜,折转角,设计作业:生物显微镜光学系统设计,部分技术参数和分配规则,（1）目镜放大率 11， 18学号百位数为: (奇数， 偶数） （2）沿光轴,物镜第一个面到目镜最后一面沿光轴的几何距离（毫米） 110,130, 150,170, 190，210,230, 250,260,280,学号十位数为: （ 0 ， 1 ，2， 3 ，4， 5 ，6，7 ，8，9 ）（3）物镜放大率 2.6 , 3.8, 4.5, 5.8, 6.4, 7.2, 9.0, 13, 17, 19学号个位数为:（ 0 ， 1 ，2， 3 ， 4， 5 ， 6， 7 ， 8， 9 ）（4）其它参数自定例,学号148： 目镜放大率11，距离190毫米，物镜放大率为17要求：最终实现的各数据的相对偏差小于百分之一.,(1) 视场大小自定，尽可能大些。一般达到商用仪器的一半.(2) 可以不加棱镜和分划板。(3) 如加棱镜，折转角大小自定。棱镜可以按照等效玻璃板处理.（4）采用白光。,要求,成绩评定1、考试 （30）2、上机考核 （20）3、设计作业 （50）上机考核内容 ZEMAX练习、设计作业考试内容1、计算题（2