光学设计与CAD第1讲光学材料

1、光学设计与,CAD,课程安排,教学时数,共,48,学时,理论部分,38,学时,上机部分,Zemax,10,学时,课程考核,平时成绩,30,期末成绩,70,公共邮箱,guangxinsxx, key:090102,我的邮箱,什么是光学设计,通过各类光学元件的设计，达到预定的,设计要求,光学系统,光学系统的基本要求,性能,提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体,像弥散元尺寸与探测器像素尺寸匹配,有效孔径和透过率必须足够满足设计要求,构形选择,设计形式必须能满足所需的性能,特殊的技术要求比如在扫描系统，在红外系统中的光阑等,要符合要求,可制造性考虑,最小尺寸,成本,重量,环境影响,CCD,C

2、harge-coupled Device,数码照相机的镜头,光学设计与,CAD(computer assisted design,利用计算机可以进行准确、快速、复杂的计算,更为方便的进行优化和设计,利用优化技术，平衡初级像差和实际像差，使系,统残留像差达到公差允限,计算机直接给出光学系统图,丰富的可编程操作及接口,ZEMAX,软件是美国,ZEMAX,公司的高科技软件产,品，应用的领域包括,显微镜、望远镜、目镜等镜头设计等（球差、彗差、像散、场曲、畸,变、轴向和垂轴色差,传统相机镜头、数码相机镜头,各种变焦镜头、手机摄像头等,各种夜视系统、光学发射天线等,LCD,背光板和,LED,建模及照明设计

3、优化,光管、光纤连接器等通信系统和元器件,车灯等各种照明系统设计和分析,DVD,VCD,激光读写头,LCOS,DLP,等各种投影仪及光学引擎设计,干涉仪、全息光学,光通信元器件设计分析：有源及无源器件、光纤耦合效率计算、光纤,耦合效率优化分析,物理光学,BPM,计算，和波导光学软件数据接口，实现合作计算,各种激光器谐振腔等,激光光学系统，激光打标机及元件设计，系统分析,激光扩束镜头,F-theta,扫描镜头设计优化，整形镜头设计,技术性能,软件可以实现的主要功能,几何光学设计：各种成像镜头的设计、成像质量分析、温度,环境分析、生产加工分析,物理光学设计：各种激光系统及元件的设计及分析，光学相,

4、干衍射特性分析、光纤耦合等,照明系统设计：各种照明系统的设计，包含光机设计，可以,个,Pro-E,Auto-CAD,Solid-Works,等机械文件进行转入转,出、可以实现照明系统零件的自动优化,ZPL,语言扩展,ZEMAX,软件自带的编程语言可以实现功能的,扩展,扩展功能,ZEMAX,软件可以和,c,语言,C,VB,等编程语言,进行配合使用,以上各种功能几乎涵盖了光学的各个领域，在各个领域中该,软件都可以实现自动的优化求解，使用非常便捷，是目前全,球光学工程师应用最广泛的设计软件,光学设计的历史,十六、十七世纪,伽利略、牛顿、惠更斯时代,已经有望远镜、显微镜、目镜等雏形，经验为主,十九世纪

5、：像差理论、设计方法，衍射成像理论趋于,成熟,Seidel, Abbe, Zeiss,工厂,Schott,工厂由光,学设计而制造光学仪器，德国领先世界近百年,二十世纪：四十年代开始用机械计算机,1946,年,发明,电子计算机,Eniac,五十年代用于光路计算、分析,六十年代“自动平衡”（优化）程序,八十年代普遍,使用优化程序，美国商业程序,光学设计理论的作用,挑选合理的初始结构，设计指标,尽量少用光线就能对现状作出判断,包括初始要求是否合理，可能不可能达到要求,判断修改的方向,光学设计方法,光学设计方法随使用工具的更新而改变面貌。使用电子,计算机之前的方法统称为“手工”设汁法。那时主要通,过追

6、迹光线，计算像差和逐次修改结构参数使之接近使,用要求的方法来做设计,电子计算机的使用，使得对,光学系统,特别是复杂系统,的分析计,算更加完善了，进,而使光学自动设计逐步发展起来,任何光学系统都不可能把所有各种像差都校正到理想,所以，设计时我们应该根据像差理论对系统提出尽量合,理的像差要求。即使是利用电子计算机做自动设计，这,一点也是很重要的,用优化技术来自动平衡光学系统的,像差时，如果要求提得太多，且提出了矛盾的要求,例如,同时提出,正弦条件和赫谢耳条件,就可能产生“病态,方程，使自动平衡不能顺利进行,用于光学系统自动设计的电子计算机,70,年代趋向,于使用大型机,80,年代则有趋向于改用微机

7、的势头。这,一方面当然是为了节省设计费用，另一方面也说明设计,过程需要进行多次人工“干预”，这种“干预”过程无,疑是设计者运用像差理论和设计经验的过程,归结起来，光学设计方法就是,a,根据使用要求提出光学系统设计要求，把光学,中“不可能的要求去掉,手工”完成,用高斯光学理论，给出高斯结构,多数由“手工,设计,b,c,平衡初级像差和实际像差，使系统残留像差达,到公差允限,一般用优化技术，由电子计算机来,实现,公差计算和画光学系统图，零件图,可由电子计,算机完成,d,光学设计的基本观点指南,提供给光学系统设计者广泛而有益的入门指南,概念，顺着这些概念合理过渡到被开发真实系统的设,计,一些术语或常用

8、的“行话”要慎用,不要专注于数学公式及其详细的推导。相反，需重视,对设计和工程过程的理解,光学设计不仅要考虑基本的概念设计和理论，而且要,预计可制造能力与可测试能力,相关概念,子午面：包含光轴的平面,截距：物方截距,物方光线与光轴的交点到顶点,的距离,像方截距,像方光线与光轴的交点到顶点,的距离,倾斜角：物方倾斜角,物方光线与光轴的夹角,像方倾斜角,像方光线与光轴的夹角,符号法则,规定,分界面有左右，球面有凹凸,光轴有上方下方，区别,1,光线传播方向：从左向右,2,线段：沿轴线段,L,L,r,以顶点,O,为基准,左负右正，间隔,d,OO=d,以前一个面为基准,左负右正,3,角度：光轴与光线组成

9、角度,U,U,光轴以锐角方向转到光线，顺时针为正,逆时针为,光线与法线组成的角度,I,I,光线以锐角方向转到法线，顺时针成角为正，逆,时针为负,光轴以锐角方向转到法线，顺时针成角为正，逆时,针为负,光轴上的点发出的很靠近光轴的同心光束经球面折,射后仍为同心光束，即轴上点以细光束经光学系统,所成的像一般认为是完善的像。这种由近轴光线所,成的像称为高斯光学,Gaussian image,讨论光,学系统近轴区域成像性质和规律的光学称为高斯光,学或近轴光学,paraxial optics,横向放大率：像的大小与物的大小之比,轴向放大率：像点与对应的物点沿轴移动量之比,角放大率：折射前后的一对光线与光轴

10、夹角,u,与,u,之比,nyu,n,y,u,J,J,称为拉氏不变,量,一、光的色散,对于不同波长的光线，自然光通过三棱镜将得到由红,光学材料,到紫排列的光谱,光的色散现象证明光学材料对不同波长的光折射率不同,即,n,f,当,小时折射率大。在进行光学仪器设计,时，我们必须考虑到光学材料的这种性质,二、光学材料,光学系统中以折射零件和反射零件为主，反射零件主,要性能在于其反射率及其稳定性，折射零件的性能主,要在于透明度、吸收系数、透明波段等,光学材料主要包括,光学玻璃,光学晶体,和,光学塑料,等,光,学,玻,璃,定义：用于制造光学仪器或机械系统的透镜、棱,镜、反射镜、窗口等的玻璃材料。包括,无色光

11、学玻璃,通常简称光学玻璃,选择吸收着色,多用作望远镜、显微镜、照相机,等的透镜、棱镜、反射镜等,对光学常数有特定要求，具有可见区高透过、无,有色光学玻璃,有选择吸收和透过性能,主要用于制造滤光器,又称滤光玻璃。对紫外、可见、红外区特定波长,耐辐射光学玻璃,在一定的,射线,X,射线辐照下，可见区透过率变化较少,品种和牌号与无色光学玻璃相同，用于制造高能辐照下的光,学仪器和窥视窗口,防辐射玻璃,对高能辐照有较大的吸收能力，有高铅玻璃和,CaO,B2O2,系统玻璃，前者可防止,射线和,X,射线辐照，后者可吸,收慢中子和热中子，主要用于核工业、医学领域等作为屏蔽,和窥视窗口材料,光学石英玻璃,以二氧化

12、硅为主要成分，具有耐高温、膨胀系数低、机械强,度高、化学性能好等特点，用于制造对各种波段透过有特殊,要求的棱镜、透镜、窗口和反射镜等,成分,光学玻璃是用高纯度硅、硼、钠、钾、锌,铅、镁、钙、钡等的氧化物按特定配方混,合,在白金坩埚中高温融化,用,超声波,搅拌均,匀,去气泡；然后经长时间缓慢地降温，以,免玻璃块产生内应力。冷却后的玻璃块,必须经过光学仪器测量，检验纯度、透明,度、均匀度,折射率,和,色散率,是否合规格,合格的玻璃块经过加热锻压，成光学透镜,毛胚,1,光学玻璃的技术参数,折射率,对于光学设计来说，其主要参数是,色散,人眼最灵敏波长是,555nm,两个极端是,C,光,F,光,n,F,

13、n,C,平均色散,n,1,n,2,部分色散,n,D,1,n,F,n,C,n,1,n,2,n,F,n,C,阿贝常数,平均色散系数,相对色散,部分色散系数,用,n,和,可以表征玻璃的光学性能,例如,K9,玻璃,n,1.5163,64.1,一般玻璃,n,1.4,至,1.8,2,光学玻璃分类及其技术参数,一般玻璃厂家都提供,n,便于设计者从中选择光学玻璃,光,明,玻,璃,厂,的,玻,璃,领,域,图,另外材料的光学均匀性、化学稳定性,n,大时往往较软，化学稳定性差）气泡,条纹、内应力等，皆对成像有影响。总之应根据仪器要求挑选不同等级的玻璃,当设计激光光学系统、红外、紫外等光学系统时，须计算,其他波长的折

14、射率，可利用经验公式，如,Schott,公式,n,A,0,A,1,A,2,A,4,A,6,2,2,2,4,6,对于反射材料，由于没有色散，不必考虑阿贝数，其唯一,特性是反射率。通常需要采用镀反射膜的方法提高反射率,在可见光波段可以镀银或铝。银比铝反射率高，铝的反射,率比银稳定。具体镀什么金属反射膜要根据所用波段而定,玻璃选择,传统上,n,D,1.60,V,D,50,和,n,D,1.60,V,D,55,的各类玻璃定为冕,K,玻璃，其余各类玻璃,定为火石,F,玻璃,冕玻璃特征是低折射率低色散，火石玻璃,是高折射率高色散,正光焦度光组：冕玻璃一般作凸透镜，火石,玻璃作凹透镜,负光焦度光组：冕玻璃一般

15、作凹透镜，火石,玻璃作凸透镜,发展简史,最早被人们用来制作光学零件的光学材料是天然晶体，据称古代亚西,利亚用水晶作透镜，而在古代中国则应用天然电气石（茶镜）和黄水,晶。考古家证明公元三千年前在埃及和我们,战国时代,人们已能制,造玻璃。但是玻璃作为眼镜和镜子还是十三世纪在威尼斯开始的。恩,格斯在“自然辨证法”中对此曾给予很高的评价，认为这是当时的卓,越发明之一。此后由于天文学家与航海学的发展需要，伽利略、牛顿,笛卡儿等也用玻璃制造了望远镜和显微镜。从十六世纪开始玻璃已成,为制造光学零件的主要材料了,到了十七世纪，光学系统的消色差成为光学仪器的中心问题。这,时由于改进了玻璃成分，在玻璃中引入了氧化

16、铅，赫尔才于,1729,年获,得第一对消色差透镜，从此，光学玻璃就被分为冤牌和燧石玻璃两个,大类,1768,年纪南在法国首先用粘土棒搅拌的方法制得了均匀的光学玻,璃，从而开始建立了独立的光学玻璃制造工业。在十九世纪中叶，几,个发达的资本主义国家都先后建立了自己的光学玻璃工厂，如法国帕,腊,芒图公司,1872,年）、英国钱斯公司,1848,德国萧特公司,1848,等,十九世纪光学仪器有很大发展。第一次世界大战前夕，德国为了迅速发展军,用光学仪器，要求打破光学玻璃品种贫乏的限制。这时，著名物理学家阿员,参加了萧特厂的工作。他在玻璃中加入了新的氧化物如,BaO,B2O3,ZnO,P2O3,等，并且研究了它他对玻璃光学常数的影响。在这基础上，发展了钡冤,硼冤、锌冤等类型玻璃，同时也开始试制了特殊相对部分色散的燧石玻璃,在这时期内，光学玻璃品种有了很大的扩展，因而在光学仪器方面出现了较,完整的照相机及显微镜物镜,直至二十世纪三十年代以前，大部分工作仍在萧特厂基础上进行。到,1934,年获得了一系列重冤玻璃，如德国号,SK-16,620/603,及,SK-18,639/555,等。到此为止，可以认为是光学玻璃发展的一个阶段,二次世界大