工程光学教学课件光学设计2019 文档

1、光学设计,目,录,光学设计软件简介,光学系统的基本参数描述,单透镜参数的,Zemax,设置,Zemax,中的像质评价功能,Zemax,优化与操作数,Zemax,设计举例,软件简介,国内,SOD88,北理工研制的，适用于共轴光学系统，系统中的面型可以是球面,也可以是非球面，系统可以是折、反或折反射系统,GOLD,原名,GOSA,北理工研制的复杂光学系统分析优化大型软件包，可对各种非对,称、非常规复杂光学系统进行像质分析和结构优化，其适用范,围基本上囊括了目前国内外用于光学系统（特别是成像系统,设计制造的各种技术,CIOES,长春光机所研制的，特点是密切结合光学系统设计实践，包括光,学系统初始结构

2、的设定、像差分析、自动设计、像质评价、加,工公差的估算、样板的匹配等。它通过图形显示、菜单技术,人,机对话等方式把光学设计各阶段联系起来,国外著名软件,Zemax,CODE-V,美国,Optical Research Associates,ORA,公,司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件,功能非常强大，是目前世界上分析功能最全、优,化功能最强的光学软件，价格相当昂贵,提供了用户可能用到的各种像质分析手段,除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列,图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包,括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射光束传,播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分,析、透过率

3、计算、一维物体成像模拟等多种独有,的分析计算功能,优越性突出表现在：可以分析优化各种非对称非常,规复杂光学系统。这类系统可带有三维偏心或倾斜,的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元,光学面、复杂非球面、以及用户自己定义的面型,梯度折射率材料和阵列透镜等等。程序的非顺序面,光线追迹功能可以方便的处理屋脊棱镜、角反射镜,导光管、光纤、谐振腔等具有特殊光路的元件；而,其多重结构的概念则包括了常规变焦镜头，带有可,换元件、可逆元件的系统，扫描系统和多个物像共,轭的系统,OSLO,Optics,Software,for,Layout,and,Optimization,的缩写，是美国,Lambda,

4、Research,公司推出的一套标准建构系统及最佳化的,光学软件，主要用于照相机、通讯系统、军事,空间应用,科学仪器中的光学系统设计，特别当需要确定光学系统中,光学元件的最佳大小和外形时，该软件能够体现出强大的,优势,LightTools,美国,ORA,公司开发而成的光学系统建模软件，是一个全新的,具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，用现代化,的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、反射镜、分束,镜、衍射元件、棱镜、扫描转鼓、机械结构以及光路。该,软件首次把光学和机械元件集合在统一的体系下处理，并,配有“放置”光源、发射光线的非顺序面光线追迹的强大,功能，为用户提供了一个“所见即所得”的设

5、计工具。适,用于系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计,杂光分析、照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和,数据交换、课题论证或产品推广等各环节,ASAP,Advanced,System,Analysis,Program,即高级系统分析程序,ASAP,是由美国,Breault,Research,Organization,Inc,BRO,公司开发的高级光学系统分析模拟软件，在照明系统、汽,车车灯光学系统、生物光学系统、相干光学系统、屏幕展,示系统、光学成像系统、光导管系统及医学仪器设计等诸,多领域都得到了行业的认可和信赖,ASAP,软件可以利用蒙,地卡罗光线追迹的技术做光,机结构间的仿真，

6、它可以不必,假设系统之对称性，做单轴、全域、三维坐标的模拟。当,光束穿越整个光学系统，光束可以自动分裂为反射、折射,衍射、偏振光及散射的分量，当这束光穿越整个系统，光,束可以包含物体任意的次序，独立的根据物理可实施之路,径前进,Zemax,简介,美国,Radiant Zemax,公司所发展出的光学设计软,件，目前是被光电子领域熟知的光学设计的首,选软件,三个不同版本,Zemax-SE (Standard Edition,标准版,Zemax-XE (Extended Edition,扩展版,Zemax-EE (Engineering Edition,工程版或专,业版,不同的版本针对不同用户的要求

7、分别制定,其中,Zemax-EE,版本包含了,Zemax-SE,版本的,所有特性，能够兼容,Zemax-SE,的文件,Zemax-EE,两种模式,序列,Sequential,非序列,Non-sequential,面,Surface,物体,Object,序列,Sequential,光线追迹主要用于传统的成像,系统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等,这一模式下,Zemax,以面,Surface,作为对象来构,建一个光学系统模型，每一表面的位置由它相对于,前一表面的坐标来确定。光线从物平面开始，按照,表面的先后顺序,Surface 0,1,2,进行追迹，对,每个面只计算一次。由于需要计算的光线少

8、，这种,模式下光线追迹速度很快,许多复杂的棱镜系统、照明系统、微反射镜、导,光管、非成像系统或复杂形状的物体需采用非序,列,Non-sequential,模式来进行系统建模,在需考虑散射和杂散光的情况下，也可采用非序,列光线追迹。这种模式下,Zemax,以物体,Object,作为对象，光线按照物理规则，沿着自然可实现,的路径进行追迹，可以按任意顺序入射到任意一,组物体上，也可以重复入射到同一物体上，直到,被物体拦截。计算时每一物体的位置由全局坐标,确定。对同一元件，可同时进行透射、反射、吸,收及散射的特性计算。与序列模式相比，由于分,析的光线多，计算速度较慢,Zemax,的用户界面,主窗口,E

9、ditors,编辑窗口,Lens Data Editor,镜头数据编辑窗口,Merit Function Editor,评价函数编辑窗口,目,录,光学设计软件简介,光学系统的基本参数描述,单透镜参数的,Zemax,设置,Zemax,中的像质评价功能,Zemax,优化与操作数,Zemax,设计举例,光学系统的基本参数描述（共轴光学系统,共轴光学系统的结构参数,2,2,2,1,1,1,r,c,k,cr,z,z,各曲面之间的相对位置,各曲面之间的介质折射率,各曲面的面型,k,值,k,-1,k,-1,1,k,0,k,0,k,0,面型,双曲面,抛物面,椭球面,球面,扁球面,光学特性参数,物距,L,物在无

10、穷限,L,物高,y,或视场角,物在无限远时,用视场角,物在有限远,用物高,y,表示,物方孔径角正弦,SinU,或光束孔径高,H,物,在无限远时,用光束孔径高,H,表示,物在有限远时,用物方光束孔径,角正弦,SinU,表示,孔径光阑或入瞳位置,渐晕系数,目,录,光学设计软件简介,光学系统的基本参数描述,单透镜参数的,Zemax,设置,Zemax,中的像质评价功能,Zemax,优化与操作数,Zemax,设计举例,单透镜参数的,Zemax,设置,设计要求：设计一个单透镜，其,F/4,f,100mm,物位于无穷远，视场角,2,0.2,工作波长：可见光，玻璃材料,为,BK7,目,录,光学设计软件简介,光

11、学系统的基本参数描述,单透镜参数的,Zemax,设置,Zemax,中的像质评价功能,Zemax,优化与操作数,Zemax,设计举例,像质评价,几何像差,波像差,轴向色差（或位置色差,或倍率色差,瑞利判据，波像,差的,P-V,值,或峰谷值,小于,1/4,个波长,镜头系统成像质,量接近理想,以设置的单透镜为例,利用,Zemax,软件的分析,功能对其几何像差和波,像差进行评价,除了常见的几何像差和波像差像质分析以,外,Zemax,的,Analysis,菜单中提供了其他,的像质评价指标主要有,Fans,光扇图,Ray Aberration,光线差曲线,Optical,path,光程差曲线,Pupil

12、Aberration,光瞳像差,Spot Diagrams,几何点,列图,MTF,调制传递函数,和,PSF,点扩散函数,Fans,光扇图,由任一物点发出的不同孔径高的光线组分,别在子午面内和弧矢面内，形成子午扇形,光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线,组描述跟像差有关的像质指标，可统称为,Fans,共有,Ray Aberration,Optical path,和,Pupil Aberration,三种,Spot Diagrams,几何点列图,反映任一物点发出充满入瞳的光锥，在像,面上的交点弥散情况,MTF,调制传递函数,光学传递函数,OTF,的模,物理含义：应用傅立叶变换原理与光学系,统相干成

13、像理论，计算出镜头对逐渐变细,的黑白线对分辨的调制度,目,录,光学设计软件简介,光学系统的基本参数描述,单透镜参数的,Zemax,设置,Zemax,中的像质评价功能,Zemax,优化与操作数,Zemax,设计举例,优化设计,就是光学自动设计中的优化方法，涉及评,价函数、权因子、阻尼因子和优化算法等,重要概念，主要有阻尼最小二乘法,Damped Least Squares,DLS,和适应法两,种,Zemax,中主要采用阻尼最小二乘法进行,优化,Optimization,优化设计需要三个步骤,一个可以进行光学追迹的合理光学系统,变量的设定,评价函数的建立,曲率半径、厚度、玻璃,二次曲面系数等结构参

14、数,Zemax,中的评价函数,定义为设计目标像差值与当前系统像差,值之差的平方和，结合权因子构成。定,义式可写为,i,j,j,i,i,i,W,T,V,T,V,W,MF,2,2,2,i,V,i,T,i,W,其中,为第,i,种操作符的实际值,为第,i,种操作符的目标值,为第,i,种操作符的权因子,可见，评价函数由操作符及相应的目标值,权因子构成,评价函数的默认（或缺省）构成方法,优化类型,Pupil Integration method,光瞳积分方法,Thickness Boundary Values,定义光学系,统中玻璃或空气的最小与最大中心厚度,以及最小边缘厚度,其余辅助选项,操作符,操作数,

15、Zemax,提供了约,300,个优化设计操作符,高斯光学参数,EFFL,Effective focal length,的缩写，指定波长,号的有效焦距,WFNO,是,Working F,的简写,AMAG,角放大率，近轴像空间与物空间的指,定波长主光线焦度之比,EPDI,入瞳直径,ENPP,以第一面零点的入瞳位置（近轴,EXPP,以像面为零点的出瞳位置,Zemax Manual P391,像差控制操作符,SPHA,由指定面贡献的球差值，单位为波长,指定,Surf,与,Wave,如果,Surf,0,则指整个系统,的球差总和。因没有指定,Px,Py,故只为初级球,差，该操作符不能对指定的某一特征孔径的

16、球差,进行控制,AXCL,控制近轴轴向色差,LACL,控制垂轴色差,FCGS,指定视场和波长的归一化弧矢场曲,FCGT,指定视场和波长的归一化子午场曲,DIST,指定光学面贡献的畸变,透镜边界条件,MNCG,最小玻璃中心厚度,MNEG,最小玻璃边缘厚度,MXCG,最大玻璃中心厚度,MXEG,最大玻璃边缘厚度,MNCA,最小空气中心厚度,MNEA,最小空气边缘厚度,MXCA,最大空气中心厚度,MXEA,最大空气边缘厚度,CTLT,中心厚度小于,CTGT,中心厚度大于,CTV,A,中心厚度值,ETGT,边缘厚度大于,ETLT,边缘厚度小于,ETV,A,边缘厚度值,单个光学面的控制符,光学材料控制操

17、作符,数学运算操作符,目,录,光学设计软件简介,光学系统的基本参数描述,单透镜参数的,Zemax,设置,Zemax,中的像质评价功能,Zemax,优化与操作数,Zemax,设计举例,Zemax,光学设计的一般步骤,1,确定光学系统的结构参数,2,初始结构参数的确定,3,校正像差,4,像质评价,5,公差分析,6,绘制光学系统图等,光学特性参数,几何像差和波像差,评价指标和公差范围,如何确定,Zemax,设计的基本流程,建立光学系统模型,系统特性参数设置,初始结构输入,像质评价,像质是否,满足要求,是,套样板（规整,公差分析,图表输出,否,优化,一）双胶合望远物镜的设计,设计要求,焦距,f,=25

18、0mm,通光孔径,D=40mm,视场角,2,1,入瞳与物镜重合，像差要求：轴上,波像差,pv,值优于,波长,计算相对孔径或入瞳直径,光学特性参数设置,1,工作波长,Wav,2,视场角,Fie,3,物距,OBJ,4,光阑位置,STO,具体操作步骤,1,根据,F,数选择初始结构,光学设计手册,P223,Lens Data Editor,2,根据焦距值对透镜的初始结构进行缩放,3,设置入瞳直径值,Gen,查看光路图和波像,差,4,设置变量、建立评价函数，将透镜进行优,化,5,评价系统的像质结果,6,进行数据的规整,手册,P103,正透镜的边缘厚度,EDGE THICKNESS DATA,负透镜的中心厚度,自定义的操作符,波像差值,ReportsPrescrip